无线传感器网络技术在海洋平台结构安全检测领域的应用研究

引言

中国海洋石油开发事业已经走过了50个春秋，随着海洋石油事业的发展，早期投入生产的海洋石油设施已逐渐临近设计寿命末期，甚至超出了设计的服役期。因此，海洋平台结构安全检测监测乃至安全等级的评定工作已经提上议程，成为了人们越来越关注的焦点。

无线传感器网络广泛应用于军事侦察、环境监测、目标定位等领域，能够实时地感知、采集和处理网络覆盖范围内的对象信息，并发送给观察者。它具有覆盖区域广，可远程监控，监测精度高，布网快速和成本低等优点。因此，把无线传感器网络技术应用到海洋平台结构安全检测监测系统中,是海洋工程领域近年来研究的重点。

1无线传感器网络体系架构研究

在不同应用中，无线传感器网络节点的组成不尽相同，但一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源这四部分组成。无线传感器的类型由被监测物理信号的形式决定。处理器通常选用嵌入式CPU，如Motorola的68HC16,ARM公司的ARM7和Intel的8086等。数据传输单元主要由低功耗、短距离的无线通信模块组成，比如RFM公司的TR1000等。因为需要进行较复杂的任务调度与管理，无线传感器网络需要一个微型化的操作系统，如嵌入式Linux。

启发于现有的、比较经典的、成功的传感器网络体系构架设计，对无线传感器网络体系进行的构架设计如图1所示。该设计分为四层:其中，数据采集层主要是对海洋平台各个节点进行实时的振动数据采集并就无线传感器节点采集的数据进行简单处理，主要是减弱甚至去除背景噪声，放大需要的信号数据。数据传输层分为监控中心（上位机）、协调器、终端节点（即无线传感器节点）三个级别。上一层的数据管理中心可以查看下一层的数据，下一层的数据管理中心有义务定时地向上一层的数据管理中心上传最新采集的数据。网络层再对各个协调器将自己管辖范围内的各个区域的数据收集后，进行周期性的处理，以确定是否该区域有异常事件发生，并将一些基本的检测数据进行上传，其中监控中心的数据处理分别确定该级别的数据是否异常，做好备份处理并对数据进行统一格式的存储和管理。应用系统层主要是对不同层次的数据进行分析处理，并进行相应的预测和故障排除，如及时地预报平台结构是否出现或将会出现损伤，如果出现损伤，则分析损伤出现在何处，是什么原因造成的，并将分析结果提供给维修人员进行相应的维修处理。

2无线传感器网络大规模组网技术及网络管理研究

无线传感器网络大规模组网技术及网络管理研究的目的是研制适用于规模性密集布设和自治组网的无线传感器节点。当数量巨大的无线传感器节点被随机布设后，自治组网和网络管理成为网络运行和业务应用的一个核心问题。自治组网和网络管理需要无线传感器节点和网关设备的底层支持，其实现需要软硬件的协同设计来完成。因此，研究大规模组网和网络管理技术将为无线传感器节点、网关设备和系统软件的研究提供技术支撑。大规模组网及网络管理的关键技术主要包括时间同步机制、网络拓扑控制和网络安全等[2]o

2.1时间同步机制研究

时间同步机制是协同无线传感器网络的一个关键机制，是高效路由、定时唤醒、冲突避免等技术的基础。目前，已经提出了多种时间同步机制，如参考广播同步(RBS)、时间同步协议(TPSN)和TYNY/MINI-SYNC等，但都存在一定的缺陷。例如，RBS由于需要用于广播交换以得到成对节点同步的开销，随着网络密度的增加，这种开销也随之增加；TPSN由于采用了分级的方式和传统的同步方式，使得同步效果比较好，但是增加了能耗和复杂度；MINI-SYNC算法的复杂度相对较低，但是对于计算和存储的要求较高。

由于海上施工作业需要能够快速布设仪器、快速组网、仪器低功耗，特别要求时间同步精确度高，因此无线通信方式的采用直接影响着分布式数据采集系统的时钟同步。当仪器工作时，所有数据采集节点都依靠本地晶体振荡器提供时间基准，其相互之间以及与主控节点之间完全不存在同步关系。由于晶体振荡器之间不可避免地存在细微的频率偏差和时钟漂移，即使初始同步的多个时钟在经过一定时间的运行后也将出现较大的时间偏差，从而影响数据同步采集的精度。由于在每个传感器节点中采用高精度、低漂移的晶体振荡器从成本上考虑是无法接受的，这就需要研究无线通讯网络支持下的分布式数据采集系统的始终精确同步技术。利用无线通讯链路对系统内独立运行的多个时钟进行周期性的定时校正，可以保证所有数据采集节点的本地时钟都以主控节点时钟为基准，向主控节点时钟对齐。由于是基于无线通讯网络的时钟同步，实际方案设计中还需要综合考虑时钟定时所产生的数据量对无线网络负载流量的影响及无线网络数据包传输时间的抖动效应。

2.2网络拓扑控制研究

2.2.1网络拓扑控制的意义

海洋平台结构检测监测网络中的无线传感器是感知网络的关键，构建一个合理的网络拓扑结构，能够提高路由协议和MAC协议的效率，为数据融合、时间同步和目标定位等很多方面提供基础，有利于延长整个网络的生存时间，对数据高速、可靠传输具有重要作用。拓扑控制是在保证网络连通性和覆盖度的前提下，通过一定的功率控制或骨干网节点的选择算法，剔除节点间不必要的无线通信链路，生成一个能量高效的数据转发的优化网络拓扑结构叫

无线传感器网络拓扑控制机制的设计主要考虑通过调节无线传感器节点的发射功率，在降低节点通信能耗的同时，要保证网络的连通性和覆盖度，尽可能地均衡节点间的数据转发任务，以延长网络生存时间、提高网络整体性能为目标。

在无线传感器网络中，对网络的拓扑控制与优化有着十分重要的意义，主要表现在以下几个方面：

第一是影响整个无线传感器网络的生存时间。无线传感器网络的节点一般采用电池供电，节省能量是网络设计主要考虑的问题之一。拓扑控制的一个重要目标就是在保证网络连通性和覆盖度的情况下，尽量合理高效地使用网络能量，延长网络的生存时间。

第二是为路由协议提供基础。在无线传感器网络中，只有活动的节点才能够进行数据转发，而拓扑控制可以确定由哪些节点作为转发节点，同时确定节点之间的邻居关系。

第三是影响数据融合。无线传感器网络中的数据融合指无线传感器节点将采集的数据发送给骨干节点，骨干节点进行数据融合，并把结果发送给数据收集节点。骨干节点的选择是拓扑控制的一项重要内容。

第四是弥补节点失效的影响。无线传感器节点可能部署在恶劣的环境中，因此很容易受到破坏而失效。这就要求网络拓扑结构具有鲁棒性，以适应这种情况。

2.2.2网络拓扑控制研究的方向

无线传感器网络中拓扑控制分为功率控制和层次拓扑结构控制两个研究方向。图2所示是无线传感器网络拓扑控制图。

节点功率控制机制是调整无线传感器网络中每个节点的发射功率，保证网络连通，在均衡节点的直接邻居数目(单跳可达邻居数目)的同时，降低了节点之间的通信干扰。

层次拓扑结构控制利用分簇思想，依据一定原则使网络中的部分节点处于激活状态，成为簇头节点，由这些簇头节点构建一个联通的网络来处理和传输网络中的数据；其他节点为簇内节点则处于非激活状态，关闭其通信模块以降低能量消耗，并且定期或者不定期地重新选择簇头节点，以均衡网络中节点的能量消耗。

层次拓扑结构控制具有很多优点。例如，由簇头节点单位数据融合的任务，减少了数据通信量；分簇式的拓扑结构有利于分布式算法的应用，适合大规模部署的网络；由于大部分节点在相当长的时间内关闭通信模块，所以显著延长了网络的生存时间。

2.2.3网络拓扑控制的算法

无线传感器网络在某种程度上可视为一种ad-hoc网络,但相对于一般意义上的ad-hoc网络来说，其面临的环境更复杂多变，其节点的部署更密集，节点能量更有限，无线链路更容易受到干扰，节点也更容易失效，所以必须研究适应于无线传感器网络的、面向具体应用的、更高效的拓扑控制算法。

根据层次化的拓扑结构，国内外研究人员提出了很多算法来提高系统的通信效率和能量利用率。在保证网络覆盖的前提下，需要使全网中形成簇的个数尽量少，同时还要考虑节点剩余能量和网络鲁棒性的问题叫

事实上，LEACH算法是一种自适应分簇拓扑算法，它的执行过程是周期性的，每轮循环分为簇的建立阶段和稳定的数据通信阶段；GAF算法则是以节点地理位置为根据的分簇方法；而TopDisc算法来源于图论中的思想，是基于最小支配集问题的经典算法，它利用颜色区分节点状态，从而解决骨干网络结构的形成问题。

2.3安全体系研究

无线传感器网络自身的一些特点，为路由协议等安全机制的设计和实现带来了前所未有的挑战E其主要表现如下：

节点资源高度受限。为了降低无线传感器网络部署成本，传感节点在计算能力、存储空间、通信能力(包括通信带宽和通信范围)，特别是电池寿命方面受到很大的约束，从而制约了在传感节点所能采取的加密、解密以及认证措施，并引入了传统安全机制的适用性问题。例如，计算密集型的公开密钥系统的适用性问题。

面临更大的物理安全问题。传感节点通常被部署在无人看管的区域，易受到各种物理攻击，传感节点易被捕获。

采用无线通信方式，使得无线传感器网络易遭到窃听、非授权访问、假冒、重放和拒绝服务攻击。

由于无线传感器是应用于海洋平台这一特殊环境，因此在信号发射功率范围以及元器件、外壳的选择上应该注意防爆特性。

3无线传感器网络的环境感知和数据采集技术研究

海洋平台结构振动检测的一大重要机能就是对平台的关键节点进行监控，关键节点须能够准确地反馈出整体结构的固有特性信息，包括无线传感器网络采集平台各个节点的结构振动数据(振动频率、加速度、位移等)、结构振动异常以及环境信息(包括温度、湿度、气压、风速、风向、浪流状态以及图像信息等)。

环境信息测量可利用现有网络管理、视频监控这些成熟技术实现。环境信息监测是这些应用的组成部分，可以从这些应用中借鉴到适用于各种成本、功耗需求的环境信息测量解决方案。海洋平台结构振动数据的采集需要解决以下两个关键问题[7]:

第一是大动态范围下高精度计量/测量。就海洋平台结构振动检测监测来讲，节点的动态范围可达到80~100dB，而一些关键节点的动态范围要求会进一步提高。这就要求设计高精度、高动态范围的模数转换器(ADC)和位宽足够的数字采集系统。

第二是谐波分析。海洋平台在自然环境激励下的振型具有极大的不确定性，同时平台上不同动力机械与设备在工作过程中所产生的中高频振动也会在很大程度上对测量数据产生影响。为了尽可能地识别平台各阶振型，必须对各个测量节点的谐波含量、分布进行测量分析和治理。谐波测量的主要手段包括快速傅里叶变换(FFT)频谱分析和滤波器组两种方案,FFT方案必须解决同步采样的实现问题，滤波器组则必须在硬件代价和测量精度之间找到合理的平衡点。

4无线传感器网络的信息处理技术研究

根据海洋平台结构检测监测的特点，无线传感器节点所要收集的数据将是多样的，可通过这些数据了解整个海洋平台的结构情况。因此，海洋平台结构检测监测的控制系统应具有很强的信息处理能力，同时对无线传感器网络的信息数据处理技术的要求也很高。

由于无线传感器网络采集的数据是连续、快速、随时间变化的，而且很多是相似的数据，因此需要建立一种新型的数据模型来描述，并提供相应的操作，从而方便上层应用程序对数据的调用访问。

由于无线传感器网络实时产生的大量数据，有很多是相似的，可对这些数据进行压缩，但现有的数据压缩方法的压缩率不是很高。针对这个问题提出了一种新的数据压缩技术,将曲线分段拟合与数据流传输相结合来实现数据的压缩传输。

在数据流压缩传输中，很多情况下某一时间段内数据的变化符合某种模式，如果对每个时间段进行拟合处理，不但增加了拟合的负担，而且往往显得多余。因此，可以采用对数据进行验证的办法。比如，可以设定一个门限值，如果新的数据仍然采用上一个拟合函数，并且误差小于门限值，则可以不进行曲线拟合，而采用上一个拟合函数。这样不但大大提高了效率，而且节省了能源。

基于本文理论研究，以项目为依托，研制了一套便携式海洋平台结构振动检测仪系统，经过现场的实际应用并调试，推荐使用ZigBee通信标准。ZigBee与其他的无线通信标准相比,更适合海洋石油平台的作业环境。其吞吐量较小，网络建设投资小，网络安全性高，适用于不便于频繁更换电源的场合，可以使数据采集和分析变得方便容易。ZigBee网络可用于海洋平台结构测量的传感网络组建很重要的一点在于它的低功耗、可扩展能力强，其发射功率仅为0~10dBm；工作在2.4GHz的ISM频段，工作频段无需申请许可且与海洋平台其他通讯设备频段无冲突；它的通信距离可达30~300m，具有能量检测和链路质量指示能力，可以自动地对自身的发射功率进行调整,可以在保证通信链路质量的前提下最小地消耗能量。网络功能是ZigBee最重要的特点，也是与其他无线局域网标准不同的地方，ZigBee的主要工作在于负责网络机制的建立与管理，并具有自我组态和自我修复功能。

2012年1月末，项目组组织相关研究人员对海洋平台锦州20-2MUQ在冰激励荷载下的结构情况进行了现场测量，并对测量数据进行了初步分析。从分析结果来看，至少可以识别出一、二阶结构频率，从而验证本研究的实用性以及仪器的可靠性，为今后的结构损伤识别奠定了良好的基础。图3给出了典型数据段的时域波形和频谱图。

5结语

无线传感器网络是一种新型网络，从诞生至今，研究者们在诸多方面进行了深入的研究，取得了较大的进展，为实现传感器网络的广泛应用奠定了技术基础，而关键技术的进步必将对无线传感器网络的发展起到决定性的促进作用。本文给出无线传感器网络的几个发展方向：

(1)能效问题研究是无线传感器网络中的热点。针对不同应用的能效节点自定位算法、优化覆盖算法、时间同步算法都是值得进一步深入研究的问题，进一步提高网络的性能，延长网络的生命周期。

(2)在高密度网络中，需要大范围时间同步。时间同步可以减少事件碰撞、能量浪费和统一更新。现有的时间同步方案致力于同步网络中的局部节点时钟以及较少的能量负担。接下来的研究可以更多地关注最小化长时间的不确定性误差，提高精度。

(3)无线传感器网络中布置了大量的节点，随着时间发展会产生大量的数据。数据压缩、融合和聚合技术能有效地减少数据传送量。基于事件的压缩、融合、聚合方案和连续时间采集网络也是具有挑战性的研究领域。

(4)无线传感器网络的安全检测问题。安全协议需要能监视、检测，同时应对入侵者的攻击，现有的许多安全协议多数是针对网络层和数据链路层的，然而恶意攻击可能出现在任何层中，不同层的安全检测是一个值得研究的问题。跨层的安全检测是网络安全研究中的又一具有挑战性的课题。

(5)可扩展性。保证网络的可扩展性是无线传感器网络的另一项关键需求。由于能量消耗尽、节点故障、通信故障等原因，网络的拓扑结构常常会发生变化，如果没有网络的可扩展性保证，网络的性能会随着网络的规模增加或是随着时间的推移而显著降低。

(6)无线传感器网络有着分层的体系结构，导致各层的优化设计不能保证整个网络的设计最优。将MAC与路由相结合进行跨层设计可以有效节省能量，延长网络的寿命。传感器网络的能量管理、低功耗设计、时间同步和节点定位方面也可以结合海洋石油平台实际情况，跨层优化设计。

(7)基于我国国情，针对海洋平台结构安全检测监测的数据采集、信号分析、损伤识别、模型修正、安全评定等环节，结合无线传感器网络、下一代无线通信技术、智能控制技术等关键技术，应尽快提出具有我国自主知识产权的相关关键技术，以及我国海洋平台结构安全评估方面的相关标准。

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