面向海工裝備智能化的海洋異構物聯網架構

付振華，李杰，季飛，余華

（1. 廣東省國土資源測繪院，廣東 廣州 510500；2. 華南理工大學電子與信息學院，廣東 廣州 510641）

1 引言

隨著人類海洋活動的加強，海洋工程正從淺水裝備和海洋工程輔助船建造向深海裝備進軍。例如在海洋油氣資源開采工程方面，淺海所發現的油田往往比較小，油氣資源容易枯竭，而深海和超深海的油氣資源可以進行長期可持續開采。而據中國海洋工程裝備網統計，未來十年全球海上鉆井平臺總需求量為702座，其中深海鉆井平臺450座，占比64.1%。同時，全球有超過110座淺海半潛式鉆井平臺即將退役。深海資源開采工程平臺的快速發展，對海上及水下平臺作業安全監控及環境監測裝備技術提出了更高的要求，深海海洋工程裝備施工和作業的復雜性、危險性，都急切地需要海洋工程裝備向智能化發展，即利用海洋信息化手段，實現裝備與平臺實時監測、分析成像以及智能管控[1-2]。

隨著海洋戰略的發展，近期國際局勢緊張，我國海上重要工程設施（如海洋油氣、鉆井平臺、跨海大橋、沿海核電、遠海島礁、港口碼頭、水電大壩等），面臨的安全防護與警戒問題也越來越突出，特別是來自水下的安全威脅。這些安全威脅既包括海洋生物或異物的入侵，也包括有目的的軍事打擊。尤其是南海西沙群島附近的981座鉆井平臺，經常無端受到周邊國家政府、民間極端組織的騷擾和破壞[3]，手段包括武裝船只、蛙人、小型航行器等。針對海上重要基礎設施的安全防護，迫切需要海洋信息化手段，實現海上重要基礎設施的實時探測、監測與安全預警分析。

在“工業4.0”發展大背景下，發展海洋物聯網是實現海洋工程裝備向智能化發展的基礎，發展海洋物聯網是實現船舶與海洋工程裝備向智能化發展的基礎，也是實現海上重要基礎設施安全防護的重要手段，但目前海洋物聯網的發展主要存在以下3個挑戰[1-2]。

? 海洋信息傳輸必須通過非常特殊的海水介質。海水介質的隨機時—空變特性，尤其在特殊的海洋環境條件（海流、內波、海浪、潮汐、海冰、臺風等），給海洋信息傳輸提出了很高的技術要求。

? 海洋物聯網涵蓋海洋通信系統（基于無線電）和水下聲學網絡。但目前廣泛應用的海洋通信系統（包括海上無線電通信、海洋衛星通信和岸基移動通信），只能基本滿足海事活動的常規通信需求，并且通信系統各有特點，適應于不同的場景，缺乏協同通信與異構網絡管理機制，并不能很好地支持海洋物聯網的需求。

? 水下聲學通信系統未得到廣泛商用，而且價格昂貴，水下監測數據的回傳與上傳，大部分仍依賴于有線（電纜或光纜）或定期回收。這些都嚴重制約了船舶與海洋工程裝備智能化發展的進程。

針對海工裝備發展的需求和挑戰，本文提出了一種面向海工裝備智能化的海洋異構物聯網架構，并介紹了該架構各主要組成模塊可實現的功能、關鍵技術和主要挑戰。

2 面向海工裝備智能化的海洋異構物聯網

2.1 網絡架構

面向海工裝備智能化的海洋異構物聯網架構如圖1所示。海工裝備傳感器包括水上傳感器與水下傳感器。水下傳感器節點通過聲通信將信息傳送至海上中繼節點（如浮標中繼節點、無人船中繼節點等），水上傳感器與海上中繼節點通過無線網橋、ZigBee、海上電臺等組成傳感子網，數據匯聚至作業母船（或海上作業平臺、島基等）上的傳感子網網關。這類傳感子網可能有多個，如視頻監控子網、環境參數監測子網、設備狀態傳感子網等。一部分傳感數據會在本地進行處理，另一部分傳感數據則需要通過互聯網網關中的衛星與岸基蜂窩移動網絡通道接入互聯網。

圖1 面向海工裝備智能化的海洋異構物聯網架構

海洋物聯網云平臺負責實現對物聯網數據接入的安全認證、設備在線監測的可視化、傳感數據分析、預警告警與故障診斷等。

2.2 主要功能模塊

2.2.1 水下傳感與通信模塊

水下傳感與通信模塊架構如圖2所示，為了實現海工裝備水下監測信息的匯聚與傳輸，網絡通過水面中繼節點實現水下數據的轉發。水面中繼節點具備水聲通信和無線電通信的雙模式，并帶有GPS定位模塊，承擔跨介質信息傳輸的功能。該中繼節點可以依附于海上浮標、水上無人艇或作業母船等，面向水下，通過水聲通信信道收集水下傳感器的數據，面向水上無線電，通過ZigBee、Wi-Fi、無線網橋、海上電臺等方式接入船基傳感子網智能網關，然后再通過船基互聯網網關接入海洋物聯網平臺。

圖2 水下傳感與通信模塊架構

水下信息傳輸與組網技術是該模塊的關鍵。由于電磁波在海水中衰減很快，聲波是目前唯一能在水下實現遠距離無線傳輸的載體，聲學通信在軍事領域已得到了廣泛應用，在民用領域的應用正逐年增加。但深海和淺海海洋聲信道的復雜性和時變性、水下操作困難等，使得水下節點的通信能力嚴重受限，主要的技術挑戰包括以下3種。

（1）區別于陸地無線通信，水聲信道的可用帶寬極其有限，因此傳輸速率也比較小，且隨著傳輸距離而變化。目前業界典型的商用水聲通信機的帶寬只能達到幾千赫茲，通信速率的量級僅為幾千比特每秒，而且可靠性難以保證[4]。

（2）水聲傳播速率慢，因此水聲鏈路時延大；水聲節點因海洋環境作用具有高動態且容易出現故障或短暫失效，導致了網絡節點不穩定，使得水聲網絡拓撲具有高動態性；水下節點使用電池供電，能量資源嚴重受限，這些特點均對水聲網絡協議設計帶來了挑戰[5-6]。目前商用產品的水聲通信機最多提供網絡接口，需要第三方自行開發網絡功能。

（3）水聲通信還存在某些不能連通的區域，雖然水下的接收端處于通信范圍內，聲線也有很大的可能不能到達，導致節點間通信失敗。

2.2.2 海上多源異構網絡通信模塊

海上多源異構網絡通信模塊架構如圖3所示，為了實現海上通信的廣域覆蓋，目前廣泛應用的海洋通信系統包括海洋衛星通信以及岸基移動通信[7-8]，其中岸基移動通信覆蓋近海約30 km，中遠海則采用衛星通信。因此船級網絡是一個異構網絡，這對網關功能提出較高要求：船基互聯網網關需自動根據當前的具備通信網絡條件和設定的策略，選擇移動通信網絡或衛星通信作為鏈路。由于不同的衛星鏈路費用會有較大的差異，網關需根據業務內容和優先級別，采用相應的流量限制方式進行通信成本控制，以性價比最高的方式將船上的數據接入海洋物聯網平臺。該模塊還配備傳感子網智能網關，為本地傳感器網絡提供多模（支持ZigBee、Wi-Fi、3G/4G）無線通信組網方式。

圖3 海上多源異構網絡通信模塊架構

智能網關的設計為該模塊的關鍵技術之一。智能網關為海洋傳感子網連接提供網絡通信、協議轉換、數據存儲、邊緣計算、完整的RF和安全認證，其主要的技術挑戰包括以下2種。

（1）由于海洋環境條件多變，無線通信手段會根據不同應用場景采用不同的物理層協議，同時采集的信息量多樣，包括開關量信號、模擬量信號、連續波形、視頻信息等，造成采用的應用層協議也有所不同。因此智能網關必須支持多種異構物理鏈路（如Wi-Fi、ZigBee、Sub-1G等）互聯互通，同時也應支持多種應用層協議（如Modbus、ProFibus[9]、MQTT[10]、視頻協議等）的解析和信息轉換，以實現數據的互聯互通。

（2）由于海洋物聯網連接的設備較多，而且通信網絡具有一定的不穩定性，如果所有信息處理都交由云端后臺進行處理，會加大云端資源的耗費，且響應不及時，不能滿足用戶某些特定要求快速處理的需求場景，因此智能網關必須具備邊緣計算能力以及部分數據存儲能力[11]，通過邊緣計算，許多控制將通過本地設備實現而無須交由云端，處理過程將在本地邊緣計算層完成。這無疑將大大提升處理效率，減輕云端的負荷。由于更加靠近用戶，還可為用戶提供更快的響應，將需求在邊緣端解決。

2.2.3 海洋物聯網認證與管理云平臺模塊

海工裝備監測數據需通過互聯網接入海洋物聯網平臺，處理滿足用戶各類需求。為了實現認證計費與安全接入，需部署寬帶認證計費接入網關，與船端衛星網關配合，用于船端、人員、設備的安全認證和接入控制，該模塊的架構如圖4所示。平臺為海洋設備提供數據采集功能及終端設備安全接入功能，實現對服務于海工裝備旋轉類機械的數據分析、故障診斷及可視化展示。平臺基本功能的實現需要可靠的海洋網絡通信支持，包括水面上的衛星、移動通信以及水下的水聲通信。但平臺的數據統計分析能力將為選擇性價比更高的網絡架構和協議提供數據支撐。

圖4 海洋物聯網管理云平臺技術架構

物聯網管理云平臺在技術設計上，可基于當前成熟可靠的云架構（Spring Cloud）+后臺框架（Spring Boot）+前端框架（Angular/React）技術體系，打造一個完整和現代的Web應用程序或微服務架構。在該技術體系架構下，基于Spring Boot框架的服務端，具備高性能和高可用的Java技術棧；基于Angular、React和Bootstrap的時尚、現代、移動優先的前端；基于SAAF Registry、Netflix OSS、ELK堆棧和Docker的強大的微服務架構；使用Yeoman、Webpack和Maven/Gradle構建應用程序的強大工作流程。

2.3 應用實踐

基于所述物聯網架構的應用實踐如圖5所示。在調查船只的發動機及淡水泵安裝了震動傳感器（如圖5（b）、（c）所示），用來檢測設備的運行狀況。傳感器配備無線通信功能，與船載傳感子網網關相連，然后通過海事衛星將監測數據傳回陸地基站；陸地基站通過物聯網管理云平臺對遠程的傳感器進行管理和監控（管理頁面如圖5（d）所示），包括設備連接情況、監測預警情況等信息。該系統已平穩運行約半年時間，初步驗證了所提出網絡架構的有效性。

3 結束語

海工裝備環境與狀態監控的研發是促進海工裝備與平臺制造與使用自動化智能化的重要支撐，未來海洋工程裝備將呈現水下裝備廣泛應用的趨勢。本文提出的服務于海工平臺智能監控的海洋物聯網平臺架構，融合水聲、衛星及其他海洋通信方式，可實現水下、水上裝備與平臺監控數據的傳輸、數據接入的安全認證、設備在線監測的可視化、傳感數據分析、預警告警與故障診斷等。本文還討論了網絡架構所涉及模塊的關鍵技術，為未來基于該架構的網絡應用提供參考。