高肇凌，郭雪，陳艷東，劉立兵，蘇尚文，許宏奇

(河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)

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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在水下防噴器控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

高肇凌，郭雪，陳艷東，劉立兵，蘇尚文，許宏奇

(河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，河北 任丘 062552)

摘要：針對海洋上逃生、救援、作業(yè)及其困難的問題，水下防噴器及控制系統(tǒng)的可靠性、安全性尤為重要。把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到水下防噴器控制系統(tǒng)，提出了一種能量有效無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信算法，使各控制終端之間采用一種自組網(wǎng)、多路徑傳輸?shù)男问剑谠ㄐ沤M網(wǎng)方式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加系統(tǒng)的可靠性和安全性。

關(guān)鍵詞：水下防噴器無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

隨著陸地石油資源不斷開發(fā)后的日漸枯竭，石油開發(fā)已經(jīng)逐漸從陸地轉(zhuǎn)向海洋，國家在“十二五”計(jì)劃中已經(jīng)把南海石油開發(fā)確定為國家戰(zhàn)略，海洋鉆井裝備技術(shù)水平直接影響著油氣勘探開發(fā)的步伐[1]，而在深水中的作業(yè)、救援、逃生又極其困難，海洋鉆井裝備的可靠性與安全性面臨著極大的挑戰(zhàn)[2-6]。筆者將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到水下防噴器控制系統(tǒng)中，并提出了一種多能量有效多跳路由算法，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。

1水下防噴器控制系統(tǒng)

水下防噴器控制系統(tǒng)是保障海洋鉆井安全的重要設(shè)備，一般由司鉆面板、隊(duì)長面板、中央控制單元、分流器控制面板、數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信配電盤等部件組成[7 ]，如圖1所示。通信系統(tǒng)有基于Profibus現(xiàn)場總線形式的，也有基于工業(yè)以太網(wǎng)形式的，而工業(yè)以太網(wǎng)又分為環(huán)形、星形、雙冗余環(huán)形或星形組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。盡管這些組網(wǎng)方式考慮了一定的網(wǎng)絡(luò)通信的安全性，但是仍然存在網(wǎng)絡(luò)斷路、核心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)失效的問題，可能造成整個(gè)水下防噴器控制系統(tǒng)的失控。

2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)代信息技術(shù)的三大基礎(chǔ)是傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，分別完成對信息的采集、傳輸和處理[8-9 ]。傳感器網(wǎng)絡(luò)將三種技術(shù)結(jié)合在一起，從而實(shí)現(xiàn)信息的采集、傳輸和處理的真正統(tǒng)一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獨(dú)特的多跳組網(wǎng)形式，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的健壯性、可靠性恰好能夠解決有線網(wǎng)絡(luò)通信的不足[10]。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，采用無線、多跳的形式在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間傳輸信息。然而由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些特性，例如傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限、節(jié)點(diǎn)容易死亡等，在設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候也遇到很多困難和挑戰(zhàn)，路由協(xié)議的設(shè)計(jì)就是其中很重要的一部分[11-14]。

圖1　水下防噴器控制系統(tǒng)組成示意

筆者針對水下防噴器控制系統(tǒng)有線通信方式存在的風(fēng)險(xiǎn)，考慮在有線通信的基礎(chǔ)上應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)增加系統(tǒng)通信的安全性，延長系統(tǒng)的可靠運(yùn)行時(shí)間，并且設(shè)計(jì)了一種能量有效路由算法應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。能量有效路由算法能夠在源節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間建立多條信息傳輸路徑，并且能夠計(jì)算每條路徑的剩余能量，當(dāng)被選擇作為傳輸信息路徑中的任意1個(gè)節(jié)點(diǎn)能量消耗過多時(shí)，算法將自動選擇其他路徑進(jìn)行信息傳輸。能量有效路由算法的目標(biāo)是在保持多路徑路由算法的優(yōu)點(diǎn)下延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間[15]。

2.1多路徑路由算法

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用多路徑路由主要有三方面原因[16 ]： 增加網(wǎng)絡(luò)的彈性，平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)；提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量(原因是移動的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的頻繁改變，單路徑路由很容易失敗，大量包的丟失將會降低吞吐量)；網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)額的平均分配。筆者提出了一種啟發(fā)性的路由算法，可以提高網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，并且最大可能地延長網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

筆者提出的路由協(xié)議屬于一個(gè)初始于目的端的路由協(xié)議，即由移動的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)來分別初始路由請求和保持路由。由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以泛宏的方式把“興趣”直接發(fā)送到源端。在發(fā)送興趣之前，需要把路徑代價(jià)和網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)的值設(shè)為零。每個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)只把他們接收到的興趣發(fā)送給自己的鄰居節(jié)點(diǎn)(當(dāng)多條路徑建立以后，可選擇一些互不相連的路徑)，那么這個(gè)興趣被計(jì)算并且被加到整個(gè)路徑的代價(jià)中去。因此，如果把興趣從點(diǎn)i發(fā)送到點(diǎn)j，那么點(diǎn)j就通過以下公式計(jì)算代價(jià)：

(1)

(2)

如果在每個(gè)包被路由之后則信息被更新，那么這個(gè)值就是描述包的尺寸。因此，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量就在每個(gè)路由信息更新前更新，從而更新鏈路代價(jià)。伴隨鏈路代價(jià)的更新，最短代價(jià)路徑被計(jì)算，包被這條路徑傳輸。

2) 如果選擇的最短代價(jià)路徑上的任何1個(gè)節(jié)點(diǎn)的剩余能量小于該節(jié)點(diǎn)上1個(gè)階段能量的50%的時(shí)候，就刪除這條路徑，并且標(biāo)記這個(gè)點(diǎn)，那么其他的路徑就被選擇繼續(xù)傳輸能量，如此重復(fù)選擇，一直到再沒有到目的端的路徑被找到。

3) 更新各節(jié)點(diǎn)路由信息和剩余能量。

4) 返回到第一步。

2.2網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的定義

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，最大化網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間是個(gè)很重要的問題，在單路徑路由中，網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間的定義一般以第1個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡為標(biāo)準(zhǔn)，然而這種定義方式并不適合多路徑路由。路由的目的是數(shù)據(jù)包的傳輸，但在多路徑理論中，由于存在多條路徑，1個(gè)節(jié)點(diǎn)的死亡可能并不影響數(shù)據(jù)包的傳輸?？紤]到該因素，將網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間定義為首次不成功投遞數(shù)據(jù)包即網(wǎng)絡(luò)的最大生存時(shí)間，也就是說首次網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的失敗定義為網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

節(jié)點(diǎn)i生存時(shí)間的定義為

(3)

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間為

(4)

式中： clj——多路徑的分支路徑，那么網(wǎng)絡(luò)的存活時(shí)間就是最后1條路徑中生存時(shí)間最短的傳感器節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，所以最大化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間可表示為

MaximizeTsys(f)

s.t.fi j≥0?i∈N， ?j∈Si， ?c∈C

(5)

2.3分布式算法

采用分布式算法求解網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間最優(yōu)值的過程中，考慮到包丟失的問題，簡單假設(shè)傳輸能量可以使所有連接在接收器上都有同樣的信噪比(SNR)。在這樣給定的SNR下，設(shè)定p為信息包接收錯(cuò)誤的可能性，則傳輸?shù)钠骄祅必須大于傳輸數(shù)據(jù)包每1跳的值。因此，

(6)

MaximizeT

s.t.fi j≥0?i∈N， ?j∈Si， ?c∈C

(7)

s.t.fi j≥0?i∈N， ?j∈Si， ?c∈C

(8)

Hi=Hj， ?i∈N， ?j∈Si

對于給出的ν， γ，通過以下公式來解決該對偶問題：

(9)

源迭代公式為

(10)

(11)

用迭代算法解為

(12)

式中：α——步長，α>0。

速率和生存時(shí)間為

(13)

3仿真實(shí)現(xiàn)

在仿真環(huán)境中，設(shè)定25個(gè)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)移動接收器。節(jié)點(diǎn)的初始能量為100，源節(jié)點(diǎn)每秒都發(fā)出能量。每發(fā)出1個(gè)信息包相當(dāng)于5個(gè)能量單元。所有的節(jié)點(diǎn)和1個(gè)移動接收器在300×300單位距離的區(qū)域中自由分布，節(jié)點(diǎn)在接收到有用的數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)出數(shù)據(jù)。因此，每個(gè)傳感器也就相當(dāng)于1個(gè)源節(jié)點(diǎn)。

500s的時(shí)間內(nèi)通過Matlab仿真對比了本文提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量有效路由算法(HMR)和能量平衡路由算法(PBMR)[18]。仿真結(jié)果顯示PBMR算法使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥^早失敗造成大量的網(wǎng)絡(luò)信息包丟失，大幅縮短了網(wǎng)絡(luò)壽命。如圖2所示，與PBMR算法相比，本文算法能夠更平均地消耗網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)的能量，彌補(bǔ)能量平衡路由算法的不足，從而改善傳感器網(wǎng)絡(luò)性能，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。

圖2　網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間

4結(jié)束語

在海上平臺環(huán)境，當(dāng)水上平臺有線通信網(wǎng)絡(luò)在通信設(shè)備損壞、通信鏈路斷路、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)備故障死機(jī)失效的情況下，整個(gè)控制系統(tǒng)失去了對水下防噴器的控制，一旦出現(xiàn)失控情況，恢復(fù)時(shí)間會非常慢，給水下防噴器控制系統(tǒng)帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)。

通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式在有線通信失效的情況下，仍然能保證對控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，同時(shí)通過本文提出的能量有效路由算法，可以使布置的傳感器節(jié)點(diǎn)能夠較為平均地分配網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，避免了個(gè)別關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)過大產(chǎn)生的設(shè)備損壞，從而大幅提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。

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Application of Wireless Sensor Network in Subsea BOP Control System

Gao Zhaoling, Guo Xue, Chen Yandong, Liu Libing, Su Shangwen, Xu Hongqi

(Rongsheng Machinery Manufacture Ltd., Huabei Oilfield, Renqiu, 062552, China)

Abstract:The reliability and safety of subsea BOP and its control system are of great importance concerning about the problem of work difficulty, succor, operation and escape from offshore. Wireless sensor network technology is used in subsea BOP control system. An energy-efficient route algorithm is put forward, which makes every control unit communicate with each other in the way of self-network configuration and multi-path. The reliability and safety are improved on the basis of the original communication network configuration.

Key words:subsea BOP; wireless; sensor network; control system

基金項(xiàng)目：國家863計(jì)劃項(xiàng)目“深水防噴器組及控制系統(tǒng)工程化研制”(2013AA09A220)；國家科技重大專項(xiàng)“深水鉆井防噴器及控制系統(tǒng)研制”(2011ZX05027-001-05)。

作者簡介：高肇凌(1981—)，2008年畢業(yè)于燕山大學(xué)模式識別與智能系統(tǒng)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司，主要從事石油裝備自動化、控制產(chǎn)品的研制工作，任工程師。

中圖分類號：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1007-7324(2016)02-0025-04

稿件收到日期： 2015-12-08。