基于物联网技术的油田作业船舶综合监控系统设计及应用

摘 要 随着海上石油勘探开发力度的加大，海上生产设施进入建设和运营高峰期，不仅使船舶航行安全的风险增大，同时也大大增加了渤海海域因船舶交通事故、石油平台事故等造成的海上溢油污染的风险。为了提高海上石油平台，海底管线、电缆等的保护能力，通过建立实时高效的船舶监控系统，以物联网技术和地理信息技术为基础，探索海上油田作业船舶综合监控系统的设计新方案。

【关键词】船舶监控 AIS 船联网 数据融合

随着我国水运行业需求的不断加大，航运船舶数量也在随之逐年增加；但是，海上石油生产平台周围和海底线缆经过的海域周围船舶航线贯穿，很容易发生船舶撞击平台或船舶在海底线缆抛锚等事故从而影响油田的正常生产。因此研究油田及附近水域船舶情况，将先进的物联网与GPS技术运用到船舶监控系统中并提出一种有效的综合技术手段监控船舶运行，保障油田设施自身安全和油田及附近水域的船舶通航安全，具有极其重要的意义。

1 基于物联网概念的“船联网”特点

作为物联网概念向航运业的延伸—船联网（internet of vessels），以船舶、航道、陆岸设施为基本节点和信息源，结合具有卫星定位系统、无线通信技术的船载智能信息服务，利用船载电子传感装置，通过网络完成信息交换，在网络平台上完成各节点的属性和动/静态信息的进行提取、监管和利用，具有导航、通信、安全防护和信息服务等功能，是一套综合处理各类船舶通信、避碰与落水报警、联网管理与控制等功能的信息系统。

2 海洋石油船舶业务需求模型设计

2.1 监控

针对海上油田作业船舶监管的具体功能可以分为服务船舶监管，安排船舶进出港，接受船舶作业、值班、倒班、送料，与进出港船舶建立联系与识别，监控船舶的行进方向、速度、航迹及是否符合海事部门管理规定，是否偏离航线，管理区域内锚泊船舶的停泊状况，船舶是否遵守海油作业规章等。其它海上航行船舶监控，是否具有危害、威胁海上作业设施，进行锚泊区域监控，是否处于海油海域使用区域内或其它特殊区域内。海域环境监控，包含溢油、灾害天气等对生产设施及环境有较大影响的因素。

2.2 服务

向船舶管理单位提供船舶位置信息、气象水文实时信息，电子海图信息，及相关部门和单位提供航行通（警）告、重要船舶航行动态等水上交通安全信息。

2.3 应急

对突发险情事故进行应急响应，协助海事部门水域搜寻救助和应急处理事故、污染事故、及其他紧急事务，支持联合行动，提供通信协助。在海上平台发生事故时，提供船舶调度指挥辅助决策，及时向领导及有关方面提供被救船舶的数据及航行数据，供现场指挥决策，航行轨迹为海事处理提供依据。

3 基于业务模型的船联网综合监控体系构架设计

3.1 构架选择分析

3.1.1 满足业务发展需求

随着海上油田作业范围不断扩大，服务作业船舶会越来越多，相关业务和数据量呈现快速增长，采用两主八分的结构可以有效地考虑信息资源的冗余，使得系统满足近期不断发展变化的业务需求及系统接入需求。

3.1.2 容灾备份

为了防止数据故障和灾害事故，需要建立数据备份系统，二主八分数据中心结构，提高了数据存储与访问的灵活性，对于重要数据各中心之间可相互镜像，实现数据的容灾异地备份。

3.2 感知层框架设计分析

感知识别是船联网的核心技术，在感知层，船载终端与陆岸基站装备了的各种类型的传感器或采集器，通过传感网节点和其他短距离组网设备，利用信息采集、定位等技术采集与船舶有关的数据信息，为网络层的应用提供主要的信息来源。

3.2.1 船载终端感知设计框架

（1）业务相关感知数据。业务相关感知数据实时上传并存储到主数据中心，直接为船舶业务管理相关系统提供实时数据服务，包括日报、运行监控、油料监控等。

（2）一般感知数据。一般感知数据，主要为对硬件设备采集数据，包括水文仪、气象仪、AIS系统、雷达系统数据实时上传到数据分中心，数据分中心对此类感知数据进行预处理后，同步到主数据中心并为本地业务部门提供感知数据服务。

（3）视频数据。由于视频数据量较大，网络要求高，采用差异化实施方式，在船舶具备高带宽通讯链路条件下进行实施，进行本地存储本地共享方案，在发生紧急事件等需要查询视频数据的情况下，可以实施调用。

3.2.2 陆岸基站感知设计框架

（1）感知数据接收。通过岸基AIS、北斗基站设备，接收船舶感知设备发出的数据信息，将实时采集设备与业务流程设备进行分别存储分析，利用陆岸网络进行传输，并分别存储与中心或本地数据中心。

（2）感知数据共享分发。实时数据与本地业务数据分别存储于中心数据中心和本地数据中心，在本地业务需求利用本地数据中心数据不满足需求时，实时与中心数据进行同步，同时本地业务数据在中心数据进行数据交换与存储。

3.3 网络层框架设计分析

系统中的信息服务都是以网络层为基础的，直接通过现有的传输手段对来自感知层接收的数据信息进行传输与处理。

3.3.1 感知数据格式解析

需要直接对硬件设备采集数据格式解析包括AIS、雷达、气象站等信息，通过对协议的分析解析出有用数据，同时进行有效压缩传输直接存储。

3.3.2 AIS信息与ARPA雷达信息融合

目前还是有一些岸边作业船舶未安装AIS设备，通过雷达监控可以弥补对船舶的监控盲区。AIS提供的信息正好可以与ARPA信息形成互补，将AIS与ARPA数据进行融合，可以提供更精确和可靠的目标跟踪，为船舶航行安全以及监控中心对船舶的监控提供更好的保障。

从AIS和ARPA雷达采集到的信息首先经过数据预处理，主要实现数据转换，转换模块需要解析AIS系统和ARPA雷达的输出数据格式并将其转换成统一的中间格式，方便融合算法的处理，数据融合模块完成核心的融合算法，并生成融合后的数据，数据输出模块负责维护生成后的数据，通过两者数据的有效融合实现对渔船、挖沙船的有效监控，同时在雷达与AIS同时接收到的数据进行了有效融合为一个物标，避免了两者数据接收时差与速度时差带来的轨迹不同步问题。

3.3.3 北斗定位信息的接入

对于近海油田来说，虽然在岸边和平台上可以接收到AIS船舶信息，但对于AIS的覆盖还是具有在船只往来过程中的监控盲区，这样引入北斗通信卫星的定位功能，北斗采用的是主动式导航，由船舶主动向陆地控制中心发送定位申请，然后陆地中心接受到船舶的申请信号，测算出船舶位置到两颗卫星的距离，再将测算数据发送至卫星，由该船舶接收，也就完成了一次船舶快速定位，并且定位精度与GPS相差无几。北斗卫星系统可为服务区域内船舶提供全天候、高精度、实时快速定位服务。

3.4 应用层框架设计分析

应用层主要是根据用户需求可以面向各类行业实际应用的管理平台与运行平台。在应用层建立的基于物联网的船舶综合监控系统在功能上主要由电子海图信息管理、船舶监控信息管理、海底管线预警管理和船舶作业信息管理等功能模块组成。

3.4.1 电子海图信息管理

电子海图是能够将各种海图信息和其它航海信息精确的显示出来，根据电子海图显示的实际情况可以对其进行放大、缩小、漫游等功能的操作，当用鼠标点击具体的某个船舶符号，便可以显示这个被监控船舶的位置信息，可通过对船舶点名查看、设置状态、定时发送、报警发送等多种方式获得静态或动态数据信息。

3.4.2 船舶动态监控管理

船舶监控主要是将AIS数据信号，通过船载终端装备的传感器进行接收，依据接收的数据按照差分定位算法计算出船载设备所在的位置坐标，根据位置坐标可以精确地得出船舶的所在具体位置、航运状态以及船内各种设备的相关数据信息，把这些数据信息通过网络传输到监控中心的服务器上，监控中心的服务器对接收的数据进行分析处理，然后再与电子海图进行比较，在电子海图上就会将船舶的准确位置显示出来，方便管理者及时准确的掌握船舶的实时动态信息如船舶的位置、行驶速度、遇到危险及时报警等。

3.4.3 海底管线预警管理

海底管线自动预警管理是为了在信息化层面上加强海上生产安全，降低作业风险，减少生产成本。对于海底管线等设施要求在这一区域禁止抛锚，对于这一类型区域用户可以定义抛锚报警区域，当有船舶在这一区域有抛锚趋势的时候，系统自动发出声光报警，提醒工作人员注意，同时自动记录该船舶的相关信息如船名、船位等。

3.4.4 船舶作业信息管理

船舶作业信息管理主要用于船舶资料、船舶的运行信息以及日常作业任务信息的管理。对船舶位置、航行通导、运行状态、离靠港等信息进行动态监测，并对上述信息进行解析和存储，提取数据利用GIS平台进行可视化的显示，达到便捷的查询和管理的目的。

4 结语

船联网是物联网技术在航运信息化领域的发展和延伸，结合物联网技术所取得的科技成果，在理论上基本实现船舶终端和监控管理终端的互联互通，为海油生产作业工作提高了科学高效的管理。

参考文献

[1]我国内河“船联网”建设研究[J].水运工程，2012（08）：145-149.

[2]我国物联网体系架构和标准体系研究[J].信息技术与标准化，2011（10）：4-7.

[3]船舶智能监控系统的研究与实现[J].计算机测量与控制，2009（05）：893-896.

作者单位

中海油信息科技有限公司天津分公司 天津市 300452

推荐访问:作业 监控系统 油田 联网 船舶