基于LoRa技術在海洋石油出海物資承載具監控跟蹤中的應用與實現

王愛民，王 穎，趙 林

（1.中海油能源物流有限公司，天津 300450；2.中海石油氣電集團有限責任公司，天津 300450）

0 引 言

物聯網（IoT）是新一代信息技術的重要組成部分，使信息化時代進入重要發展階段，近幾年在各行各業發展迅速。隨著低功耗廣域網技術的成熟與發展，LoRa、NB-IoT等有源通信技術在工業級物流行業的應用場景不斷拓展。LoRa技術聚焦于低功耗覆蓋廣的應用場景，具有覆蓋廣、連接多、成本相對低、功耗少、架構優等特點。低功耗、低成本的特點使得其終端側的5Wh 電池壽命能夠達到10年，低帶寬、低功耗和低速率的特點為LoRa網絡帶來低成本優勢。LoRa工作在1 GHz以下的頻段（中國主要使用470～518 MHz），無須申請即可進行網絡的建設，故在應用時不需要額外支付通信費用。本文結合物聯網LoRa技術的特點，將其部署應用在出海物資承載具、海上平臺及基地碼頭等物流運輸節點，實現LoRa網絡下出海物資承載具的平臺區域定位。

1 業務現狀及問題的提出

在海洋石油勘探開發生產過程中，海上物資的保障是為生產服務的關鍵，大量不同種類的生產、生活物資需要出海，物資承載具的調配和管理是油氣服務供應商需要面臨和解決的問題之一。物資承載具主要有托盤、吊籠、料箱及綁扎吊鎖具等。由于行業的特殊性，海上油氣生產由多家服務商共同服務，承載具沒有統一的標準，分別屬于不同服務商進行管理，存在滯留、周轉效率低、無效運轉等問題，造成了作業船舶及基地作業資源的浪費。由于海上區域廣，平臺在海上相對分散，對于承載具的跟蹤管理的需求主要是跟蹤到某海上平臺或某作業區域即可，無須精確定位在海上平臺的具體位置；通過對當前管理需求的系統性分析，結合行業業務痛點，利用低功耗廣域網技術LoRa實現承載具的跟蹤管理與目前業務相吻合，可以有效實現承載具供應鏈的管理。

2 系統的應用設計

通過架設低功耗窄帶物聯網網關，集中部署核心網，網絡覆蓋主要海上石油平臺區域和基地，在承載工具上安裝基于物聯網技術的定位終端，建設一套基于物聯網技術的定位管理系統。由于帶寬較窄、多徑的影響較大，且信號強度低，在深度覆蓋的場景下信號的測量精度必然不佳，限制了定位精度的提升。系統應用解決方案的構架如圖1所示。

圖1 系統應用解決方案的構架

2.1 終端監控環節

承載具經常需要進行周轉和重復利用，裝卸船、吊裝至平臺的操作頻率較高，這對監控設備的大小、防潮濕和防爆性能要求較高。在設計時需要考慮設備及電池的壽命，以及影響信號的天線等因素，外觀設計同樣需要考慮防碰撞、防潮、防鹽霧以及防爆的要求；在安裝時需要考慮安裝的位置及對信號屏蔽的影響等因素。由于承載具的出海周期較長，對于維護的便利性受到影響，本次設計的終端設備體積小，但電池容量可連續供電12個月，減少了維護成本；在設備傳輸和定位機制方面，采用“喚醒握手”機制來確定終端的位置，即網關收到本終端的ID后就認為此設備在網關區域內，由此來判斷設備的區域位置信息，這樣既節省了耗電，也能滿足區域定位的要求。

2.2 網關基站部署環節

由于海上區域廣闊，海上平臺分布又比較分散，本系統設計在海上平臺部署網關基站用以收集附近終端數據，實際測得網關覆蓋的范圍是在海上空曠條件下覆蓋約8 km。根據這一數據，對海上平臺的點位進行規劃設計和部署，滿足每個區域均有所覆蓋、無盲區；同時，在陸地碼頭出海及倉儲范圍內同樣部署網關設備，可以監控設備在陸地上的分布情況。設備識別原理示意圖如圖2所示。

圖2 設備識別原理示意圖

3 系統的應用功能

基于物聯網技術的承載具定位管理系統，實現了承載具跟蹤管理，主要包括工具統計、實時監測、歷史追溯、報表分析等功能模塊。

工具統計：在系統中錄入周轉工具信息，如工具類型、工具名稱、工具編碼、檢驗檢測信息等。實現可按照工具類型、工具編碼進行查詢，如查詢編碼以01、02、L開頭的工具；實現可按照工具資產所屬查詢，如查詢某基地資產的所有工具。

實時監測：通過物聯網核心服務平臺提供終端設備位置信息數據、監測設備位置，設備可在GIS地圖上顯示；可查詢各個碼頭、廠區、平臺等地各類工具數量。在GIS地圖上框選范圍，如平臺或碼頭，可顯示框選范圍內相關工具的位置。用戶可設置丟失時長，為超出丟失時長的設備發出丟失預警提示，為承載具追蹤提供便利。在平臺區域，某一設備滯留時間超過15天，會發出滯留預警提示，其中滯留時間可由用戶自行選擇。

歷史追溯：車輛當天或一周內的歷史運動軌跡可查詢，可查詢90天的歷史軌跡。

報表分析：以報表、圖形等形式展現數據信息，可按時間對碼頭、平臺分別進行貨物工具往來數據統計分析，還可統計設備滯留時間、丟失位置。

4 實際應用效果

系統建設完成后，在海上建設了100多個網關基站，應用于某公司全部承載具的跟蹤定位，實現了渤海區域的全程跟蹤。系統可對某型號承載具進行詳細的數據統計分析以及有效管理；同時，通過系統獲取的位置數據與實際設備位置數據的準確率達到90%以上，通過每20個終端的測試共測得準確率數據20組，實驗周期為3個月，見表1所列。

表1 準確率分析

為滿足更精確的定位需求，可以通過藍牙信標的方案實現在小范圍區域的準確定位的計算和位置信息獲取，實驗數據采集了20個信標、20個定位終端的數據，統計了30萬次定位記錄，與真正的GPS定位結果進行比較，結果見表2所列，其中A10、A20分別代表實際距離與北斗定位的誤差小于10 m、20 m的比例。

表2 真實精確位置信息對比分析

5 結 語

本文主要以LoRa物聯網在承載具區域定位技術的應用研究為基礎，結合實際現有管理模式，在此基礎上開發相應的終端設備、軟件應用框架，通過構建系統，解決實際供應鏈上物聯網應用的相關痛點問題。根據測試數據和實際應用情況，發現利用LoRa網絡實現的低維護成本、低功耗的終端定位設備解決了長期需要供電或頻繁維護的定位終端問題，一定程度上提高了對承載具的管理和統計。對于定位精度高的需求，通過設計藍牙信標方式提供了較好的解決方案，具有很高的應用價值。