|
【摘要】 海洋信息化包括海洋信息感知、海洋信息传输和信息系统研发，本文对海洋信息化中的海上物联网技术进行了初步研究，提出了建设海上物联网的技术方案。最后以渤海渤西海区作为实验海区，对该技术进行了验证，实验结果证实该方法可行有效。 【关键词】海洋信息化、海上物联网、低功耗广域物联网  一、引言  海洋信息系统就是人类社会用于认识海洋、开发海洋、经略海洋的信息系统，包含海洋信息探测与采集、海洋信息传播与组网、海洋信息处理与融合、海洋信息应用服务等方向。进入21世纪，随着人类对海洋开发需求的不断增长以及物联网、云计算、大数据、移动互联等为代表的新一代信息技术的快速发展，利用信息技术提高人们“认识海洋、经略海洋、管控海洋”的能力已经成为推动海洋事业发展的重要抓手。 当前我国海洋领土形势严峻，在这样的背景下，发展海洋信息网络，对维护国家海洋战略利益，引领海洋科技创新发展、促进海洋经济持续增长、保障海洋国土安全，有重大而深远的意义：一是维护国家海洋战略利益的迫切需求。二是引领海洋科技创新发展的重要引擎。三是促进海洋经济持续增长的重要举措。四是保障海洋国土安全重要保证。 在这样的形势下，建设发展海洋信息系统、推进海洋信息化建设是刻不容缓的战略课题，结合“21世纪海上丝绸之路”国家战略，利用飞速发展的信息化技术，探讨新技术新趋势在海洋信息化中的落地应用是我们需要重点关注的方向课题。 二、国内外海洋信息化现状 20世纪80年代以来，围绕海洋信息系统建设，国际组织及欧美、日等世界海洋强国纷纷投入巨资相继推出了一系列大型海洋信息系统建设项目，主要有： 全球海洋实时观测网计划（ARGO），目的是建成由浮标阵组成的全球实时海洋观测网，到目前为止，全球海洋范围内的活动浮标数已经达到18000多个，其中美国的数量最多，日本第二。中国于2001年加入国际ARGO组织，并于2002年3月在印度洋海域投放第一个浮标。 美国一体化海洋观测系统（IOOS），主要包括美国-阿拉斯加观测系统、加勒比海观测系统、加州中北部观测系统、墨西哥湾观测系统、五大湖观测系统、中大西洋观测系统、西北太平洋观测系统、东北大西洋观测系统、太平洋岛屿观测系统、南加州观测系统、东南大西洋观测系统等11个区域观测子系统。 美-加海王星海底观测网络计划（NEPTUNE），美国于1998年提出该计划，其后加拿大加入其中，于2009年12月正式运行。 欧洲海底观测网（ESONET），这是由英、德、法等国于2004年制定的计划，为了对地球物理学、化学、生物化学、海洋学、生物学和渔业等提供长期战略性监测能力，针对从北冰洋到黑海不同领域的科学问题而设立的，是由不同地区间的网络系统组成的联合体。 日本密集型地震海啸海底监测网系统（DONET），亚洲方面，日本走在海洋信息系统建设的前列，日本东京大学2003年启动了深海地震观测网（ARENA）项目，用于监测地震、生物等信息，2006年日本又启动了DONET。 国内方面，近几年来，全球性的海洋开发利用热潮推动了我国研究、开发和利用海洋的步伐，由此带动了对高质量海洋信息系统广泛和迫切的需求。十八大以后，国家层面对于海洋信息系统建设工作给予很高的期望，明确提出“加快海洋信息标准化建设，推进信息资源的统一管理和共享，依托国家电子政务网络，整合改造海洋信息业务网。建设海洋环境与基础地理信息服务平台，以海域海岛管理、生态环境保护、海洋防灾减灾、海洋经济监测、基础科学研究为主题，推进海洋管理与服务信息化工作。”当前，我国海洋信息系统建设取得了初步成效，主要有国家海底科学观测网、中国的“全球海洋立体观测网”、从东海至南海北部海洋上空温室气体监测网、中国南海海底观测网等海洋信息系统项目。 三、关键技术研究 ⒈ 低功耗广域物联网 低功耗广域物联网（LPWAN）是为物联网应用中的M2M通信场景优化的，由电池供电的，低速率、超低功耗、低占空比的，以星型网络覆盖的，支持单节点最大覆盖可达100公里的蜂窝汇聚网关的远程无线网络通讯技术。该技术是近年国际上一种革命性的物联网接入技术，具有远距离、低功耗、低运维成本等特点，与WiFi、蓝牙、ZigBee等现有技术相比，LPWAN真正实现了大区域物联网低成本全覆盖。 LoRa和NB-IOT是比较典型的LPWAN技术。其中LoRa技术是一种新型的低功耗广域物联网技术，其采用线性扩频技术，具有超高接收灵敏度，保证其即使在正常发射功率情况下也能实现远距离传输，且抗干扰能力很强。LoRa系统主要包括终端、网关（无线通信基站）和系统服务器。系统以低功耗和长距通信为特点，采用较少的基站布设密度，即可实现大区域通信覆盖和大容量终端设备管理。LoRa技术具有低功耗、广覆盖、低成本的优势，正在各领域促进物联网的全面、深入部署。 低功耗窄带物联网技术适用场景广泛，可以应用在各个行业和领域，促进多种应用的部署和融合。在全球范围内，基于LoRa技术的网络部署和应用得到了快速发展。截至2017年6月30日：全球内，公开宣布部署LoRa网络的移动通信运营商共计达到了42家；加入到LoRa联盟的移动通信运营商，共计达到了30家； LoRa试验网络以及城市商用网络部署，一共超过了250个；LoRa联盟的成员单位数量，已经超过了480家。 ⒉ 基于物联网技术的低功耗广域通信网络构建技术 LoRa通信技术采用扩频通信机制以大幅度提高灵敏度，最高灵敏度可达-135dBm，使其在低功耗下也可有效延长传输距离，因此不需要增加中继装置及复杂的通信基础设施。由于传输距离大大增加，导致中继器使用大量减少，系统方案设计简化，从而大幅降低系统成本。本项目根据油田应用环境，研究采用LoRa技术构建高性能、远距离、低功耗的资产定位监测网络，并支持大规模终端组网功能，满足油田资产定位、人员管理等方面的应用需求。 ⒊ 定位终端低功耗设计技术 在定位终端的低功耗设计中，采用终端设备的硬件和软件协同低功耗策略，以实现定位终端的低功耗设计目标。在硬件方面主要是对低功耗射频唤醒机制，动态功率管理和动态电压调节技术，以及射频器件、微处理器等器件的选择和电源管理策略等方面进行研究；在软件方面主要是对低功耗传感网络协议，低功耗数据融合算法等方面进行研究。通过传感节点软硬件低功耗协同策略有效降低定位终端功耗，实现终端设备休眠功耗小于5uA，工作平均功耗低于20uA的设计目标。如果供电电池为1Ah，则节点寿命可达5年以上，即可满足资产定位应用需求。 ⒋ 基于LoRa网络的无线定位技术 LoRa定位主要研究采用RSS（Received Signal Strength）定位和TDOA（Time Difference of Arrival）定位这两种测距定位方法。基于测距的定位方法需要借助测量点与待测点的真实距离来进行定位，本项目根据目前研究成果，拟采用RSS和TDOA组合定位方式，以实现高精度资产定位。项目通过 TDOA测距来提高总体的定位准确度，而它作用范围小的缺陷可以通过 RSS测距来进行弥补，这样可以提高 TDOA的定位成功率。组合定位算法优先选用 TDOA测距的信标节点，当该类信标节点数量不足时，则增选 RSS测距的信标节点，以解决单纯依靠 TDOA测距容易造成信标节点数量不足的问题。 四、实验与分析 中海油信息科技有限公司是中海油能源发展股份有限公司旗下全资子公司。公司致力于海洋石油信息技术服务，为中国海上石油工业提供通讯和海洋信息化服务三十余年。海油信科2015年正式进军海洋信息化，一方面是满足海上油气勘探开采的需要，另一方面整合中海油的海上设备设施，为国家的海洋信息化提供强大的海洋感知、海上信息传输的支持服务。 针对海上油气生产中的实际需要以及其他来自军民不同领域的客观需要，我们选取了渤海某海域（渤西作业区）作为实验海区，进行海洋物联网的实验性建设： ⒈ 网络建设规划 网络规划是网络建设中的重要环节，它的目的是利用业务预测、基站设置、覆盖区预测、天线设计、频率规划等手段，有效地解决容量、覆盖、干扰等问题，提高设备的利用效率、提高投资的收益率。 LoRa网络规划需要根据业务模型、用户数量、频率资源、可选站址、LoRa 网关和终端的设备性能指标、各种损耗、覆盖干扰要求等条件，初步选定规划期内需设的基站数、站址，然后对其进行验证和分析；通过场强分析、覆盖分析、干扰分析、丢包分析等手段验证，根据分析结果优化方案。 LoRa网络规划要设定目标，主要包括：室外覆盖率目标、初期接入容量、远期接入终端、采用频段、业务模型、无线技术指标等进行初步规划。 ⒉ 站点频率规划 对于 LoRa信道安排方案，目前 LoRa有两种方案，建议采用收发异频方案。 收发同频方案：即收发频点相同，这种方案网关的单信道只能工作在半双工模式，一个信道只占用 125KHz资源，比较节约频段资源。 收发异频方案：即收发频段间隔 10M以上，这种方案基站的收发信道分离，可以工作在全双工模式，但一个信道要占用两段 125KHz资源，占用资源加倍。 ⒊ 基站建设选址规划 对于 LoRa 信道安排方案，目前 LoRa有两种方案，建议采用收发异频方案。基站选址大致如下（基于保密因素，图略）： ⑴歧口区域（3个基站） ⑵埕北区域（2个基站） ⑶渤中及曹妃甸区域（3个基站） ⑷南堡区域（2个基站） ⑸秦皇岛区域（1个基站） 五、结论 本文以渤海渤西海区为实验海区，对该技术路线进行了实验，经过对实验结果进行分析，得出以下结论。 ⑴通过应用低功耗射频唤醒，动态功率管理，动态电压调节，节点电源管理策略，低功耗传感网络协议和节点级低功耗数据融合等技术，验证了上述技术的成熟可靠，对推动我国低功耗广域物联网在海上的深入应用具有非常重要的现实意义。 ⑵LoRa通信基站实现了终端设备和网络服务器之间的数据转发，包括终端上行发送的采集数据、应答信号和网络心跳等信息，以及LoRa系统的网络服务器、应用服务器和用户服务器等下发的控制命令、广播信息和应答信息等功能，实验期间基站运行稳定可靠。 ⑶大容量LoRa终端网络管理服务器研究 维护终端的基本属性信息，包括：终端EUI（终端唯一的标识符），终端所属应用的EUI，终端上行帧的序列号，终端下行帧的序列号；为终端设备分配网络地址和密钥管理；以及通过计算信息完整码验证基站上传数据帧的正确性和合法性等。 该项目实验成果可在基于海上设备设施的海洋物联网建设领域大范围推广，LoRa窄带物联网的搭建，将推进后期整体基于海洋物联网应用的发展建设。从长远看来，稳步推进的海洋物联网应用战略，蕴含巨大的市场潜力，经济效益前景广阔。可依托该技术培育、布局LoRa窄带物联网市场，提升行业管理水平，促进海洋物联网应用跨越式发展。 【参考文献】杨志霞、潘冬华、应文. 海洋信息系统发展现状及趋势. 海洋网  【作者简介】文/宁方辉 王杰 杨威勇，中海油信息科技有限公司；第一作者宁方辉，1973年2月出生，黑龙江齐齐哈尔人，高级工程师，原为中国航海图书出版社遥感制图主任，主要从事智慧海洋、海洋物联网以及海洋大数据应用方面的研究。 |
|
|
