慕昆+馬小雨+彭金柱

摘 要： 冰激振動(dòng)對(duì)海洋平臺(tái)帶來(lái)了潛在的危害，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于海洋油氣的安全生產(chǎn)至關(guān)重要。振動(dòng)加速度的值可以反映冰激振動(dòng)的狀態(tài)。以海洋平臺(tái)的振動(dòng)加速度為監(jiān)測(cè)對(duì)象，基于MEMS加速度傳感器ADXL202、超低功耗單片機(jī)Atmega128L和無(wú)線射頻CC1000開(kāi)發(fā)了低功耗無(wú)線冰激振動(dòng)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，使用最大最小值法對(duì)加速度傳感器進(jìn)行標(biāo)定，對(duì)加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺(tái)存儲(chǔ)和三維可視化展示。在振動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)際振動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，從頻域角度證明了時(shí)域?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)的正確性。對(duì)節(jié)點(diǎn)的工作及休眠功耗進(jìn)行測(cè)量，節(jié)點(diǎn)可以在2 A[?]h電池下工作兩年左右。

關(guān)鍵詞： 冰激振動(dòng)； 加速度； 傳感器網(wǎng)絡(luò)； 無(wú)線射頻； 三維可視化； 實(shí)際振動(dòng)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)： TN876?34； TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）01?0112?05

Abstract： The ice?induced vibration brings the potential hazards for offshore platform， so its real?time monitoring is vital to production safety of offshore oil and gas. The vibration acceleration can reflect the state of ice?induced vibration. Taking vibration acceleration of offshore platform as the monitoring object， a low?power consumption wireless monitoring node for ice?induced vibration was developed on the basis of MEMS acceleration sensor ADXL202， ultra?low power consumption microcontroller Atmega128L and radio frequency chip CC1000. The maximum?minimum value method is used to calibrate the acceleration sensor， and realize the background storage and 3D visualization display for the acceleration data. The practical vibration monitoring experiments were carried out on vibration test platform， which can verify the correctness of time?domain experiment data in the aspect of frequency domain. The working and sleeping power consumptions were measured. The node can work about two years by using the 2 A[?]h battery.

Keywords： ice?induced vibration； acceleration； sensor network； radio frequency； 3D visualization； practical vibration monitoring

0 引 言

渤海灣處于高緯度地區(qū)，導(dǎo)管架式鋼質(zhì)海洋平臺(tái)是其目前油氣開(kāi)發(fā)的主力平臺(tái)。由于冬季時(shí)海面結(jié)冰，海冰對(duì)海洋平臺(tái)存在著嚴(yán)重的破壞作用，嚴(yán)重阻礙了油氣生產(chǎn)安全。研究表明，海冰對(duì)海洋平臺(tái)影響最大的是海冰靜力推壓作用下的擠壓和冰激振動(dòng)，其中冰激振動(dòng)更是主要的焦點(diǎn)問(wèn)題。

當(dāng)海冰持續(xù)作用于柔性的鋼結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架平臺(tái)時(shí)，可引起平臺(tái)的振動(dòng)，這就是所謂的冰激振動(dòng)。當(dāng)振動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)，將對(duì)平臺(tái)設(shè)施直接帶來(lái)危害。1977年的冰激振動(dòng)就曾將四號(hào)油田的烽火臺(tái)導(dǎo)管架推倒。冰激振動(dòng)不僅對(duì)海洋平臺(tái)有很大的影響，而且對(duì)管線安全也極其重要。由于海洋石油平臺(tái)的上部有傳輸管道，其內(nèi)部流動(dòng)著易燃易爆的原油和天然氣，持續(xù)不斷的冰激振動(dòng)會(huì)使管道螺栓發(fā)生松動(dòng)，將會(huì)導(dǎo)致高壓油氣泄露，容易發(fā)生爆炸和大火，對(duì)安全生產(chǎn)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

對(duì)于冰激振動(dòng)的物理根源[1]，Peyton等人認(rèn)為振動(dòng)來(lái)自于海冰本身的頻率特性，不受到受迫體結(jié)構(gòu)的影響，這稱為受迫振動(dòng)模型。而B(niǎo)lenkarn等人認(rèn)為冰激振動(dòng)屬于自激振動(dòng)，振動(dòng)依賴于冰與受迫體相對(duì)速度的函數(shù)，這稱為自激振動(dòng)模型。Xu等人則認(rèn)為這兩種模型各有一定的適用場(chǎng)景，在非“頻率鎖定”區(qū)，冰激振動(dòng)以周期性激勵(lì)為主，此時(shí)可用受迫振動(dòng)理論進(jìn)行描述；而在“頻率鎖定”區(qū)，冰激振動(dòng)以自激性為主，此時(shí)可用自激振動(dòng)理論描述[2]。

無(wú)論冰激振動(dòng)的根源是什么，對(duì)于冰激振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只需要監(jiān)測(cè)冰激振動(dòng)的外在表象——加速度信息即可。了解了加速度信息，就可以對(duì)當(dāng)前的冰激振動(dòng)信息有一定的掌握，進(jìn)而根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工維護(hù)，如進(jìn)行人工破冰來(lái)消除振動(dòng)。

圖1是Tsuchiya等人對(duì)冰激振動(dòng)的頻率觀測(cè)結(jié)果。在冰速小于2 cm/s時(shí)，振動(dòng)頻率并不大，而當(dāng)冰速在2～6 cm/s時(shí)，此時(shí)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度基本保持在3～5 Hz之間。實(shí)際觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：這種頻率鎖定現(xiàn)象是目前對(duì)海洋平臺(tái)最主要的挑戰(zhàn)，因?yàn)樗梢赃B續(xù)保持10 min以上的時(shí)間，給結(jié)構(gòu)帶來(lái)了很大的破壞力。因此，對(duì)冰激振動(dòng)現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)是要預(yù)警頻率鎖定現(xiàn)象，重點(diǎn)監(jiān)控5 Hz以下的振動(dòng)信息。

要達(dá)到預(yù)警的效果，首先必須要大量地記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)這些記錄數(shù)據(jù)挖掘出有意義的發(fā)生頻率鎖定現(xiàn)象的先兆。這顯然必須通過(guò)自動(dòng)記錄系統(tǒng)來(lái)完成。endprint

對(duì)冰激振動(dòng)加速度信息進(jìn)行自動(dòng)記錄已經(jīng)很常見(jiàn)，他們基本都采用測(cè)量低頻的力平衡加速度傳感器來(lái)進(jìn)行測(cè)量，但它們并沒(méi)有得到廣泛的使用。究其根源，主要原因如下：

1） 由于功耗較大，因此系統(tǒng)的取電存在著一定的困難。

2） 由于防爆的需要，傳感器及監(jiān)控設(shè)備都需要進(jìn)行隔爆，因此設(shè)備較為沉重。

3） 由于存在著布線的要求，因此給安裝固定也帶來(lái)了較大的麻煩。當(dāng)然，目前軟件對(duì)冰激振動(dòng)信息的顯示也不夠直觀，用戶界面不夠友好，這也影響了系統(tǒng)的推廣。

設(shè)計(jì)完全依靠電池供電的、本安輕便的、超低功耗的、信息顯示直觀的無(wú)線冰激振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，成為我國(guó)目前渤海灣的海上平臺(tái)的急迫需求。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

硬件部分主要為設(shè)計(jì)加速度感知節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

加速度感知節(jié)點(diǎn)由加速度感知、射頻傳輸、主處理器以及電源四部分組成。目前，常用的加速度傳感器主要有機(jī)械傳感器、MEMS加速度傳感器、壓電加速度傳感器、力平衡加速度傳感器、應(yīng)變式加速度傳感器等，對(duì)于加速度傳感器的選擇方法，由于冰激振動(dòng)加速度范圍為0～10 Hz，而這種低頻振動(dòng)檢測(cè)一般都屬于弱信號(hào)檢測(cè)范疇，因此對(duì)加速度傳感器的低頻特性和靈敏度要求都比較高。

MEMS加速度傳感器具有較高的靈敏度、線性動(dòng)態(tài)范圍和穩(wěn)定性。此外，MEMS加速度傳感器體積小、功耗低，因此本系統(tǒng)采用MEMS傳感器作為低頻振動(dòng)信號(hào)的傳感器。

ADXL202加速度傳感器可以測(cè)量?jī)奢S加速度，正常工作時(shí)最大只有600 μA的電流，加速度測(cè)量范圍為[-19，19] m/s2，輸出非線性度只有滿量程的0.2%，感知敏感度為312 mV/g，這些技術(shù)指標(biāo)完全可以滿足冰激振動(dòng)測(cè)量的需要[3]。由于其優(yōu)異的低功耗特性，非常適合于設(shè)計(jì)本安型加速度傳感器。

對(duì)于無(wú)線傳輸頻點(diǎn)的選擇需要仔細(xì)斟酌。由于海洋平臺(tái)是鋼架結(jié)構(gòu)，對(duì)無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)牟焕绊懞苊黠@，并且信號(hào)頻率越高，影響越顯著。相對(duì)于2.4 GHz無(wú)線信號(hào)，433 MHz無(wú)線信號(hào)繞射能力強(qiáng)，鋼架結(jié)構(gòu)對(duì)其傳輸?shù)挠绊懖⒉幻黠@，非常適合海洋平臺(tái)的特點(diǎn)。但是2.4 GHz頻率的調(diào)制方式往往采用擴(kuò)頻通信與QAM數(shù)字調(diào)制方式，而433 MHz往往采用BPSK或FSK調(diào)制方式，因此，2.4 GHz在抗干擾和數(shù)據(jù)傳輸率上的性能相對(duì)更好[4]。結(jié)合已有的技術(shù)積累、海洋平臺(tái)鋼架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以及實(shí)際監(jiān)測(cè)頻率的需要，最終選擇TI公司的CC1000芯片，并設(shè)置其工作頻率為433 MHz。

顯然，加速度感知節(jié)點(diǎn)必須要有一個(gè)處理器來(lái)控制加速度信息的采集與無(wú)線收發(fā)。由于整體低功耗的設(shè)計(jì)要求，因此，對(duì)于處理器的選擇異常重要。首先，由于對(duì)冰激振動(dòng)信息的采集是間歇性的，因此處理器絕大部分時(shí)間都處于空閑狀態(tài)。低功耗、具有合適休眠模式的處理器將會(huì)極大降低節(jié)點(diǎn)的功耗，降低對(duì)電池供電能力的要求；其次，針對(duì)冰激振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并不要求系統(tǒng)有強(qiáng)的計(jì)算能力和存儲(chǔ)容量，因此，一般的8位單片機(jī)即可滿足要求。通過(guò)比較，選擇Atmega128L單片機(jī)。

對(duì)電池的選擇也是需要仔細(xì)考慮的因素：一方面，大容量的電池可以直接提高節(jié)點(diǎn)的壽命；另一方面也要保證節(jié)點(diǎn)在高溫和振動(dòng)環(huán)境下的安全性，考慮到海洋平臺(tái)的溫度和振動(dòng)特點(diǎn)，最終選擇了卷繞式鉛酸電池。卷繞式鉛酸電池最早應(yīng)用于坦克之類的軍事設(shè)施中，抗震動(dòng)和沖擊力強(qiáng)是其最突出的特性，此外，它還具有非常好的高低溫性能，可在-55～75 ℃溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，非常適合本文的應(yīng)用場(chǎng)合。

對(duì)于防爆殼的設(shè)計(jì)，雖然節(jié)點(diǎn)本身是本安的，但由于存在著電池，以及海洋平臺(tái)的鹽霧腐蝕問(wèn)題，因此，采用了隔爆方式。

1.2 通信協(xié)議

為增強(qiáng)傳輸可靠性，降低報(bào)文的丟失率，采用單跳傳輸方式。由于無(wú)線之間傳輸?shù)母蓴_，必須要采用一定的通信協(xié)議，MAC層采用CSMA/CA協(xié)議，即節(jié)點(diǎn)在準(zhǔn)備發(fā)送傳感報(bào)文前，首先對(duì)信道進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)信道空閑時(shí)即進(jìn)行發(fā)送，否則，隨機(jī)后退后再行偵聽(tīng)[5]。由于應(yīng)用拓?fù)浞浅：?jiǎn)單，無(wú)需進(jìn)行任何路由，因此無(wú)需路由協(xié)議[6]。

接收節(jié)點(diǎn)需要將接收到的無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)端，由于接收節(jié)點(diǎn)靠近PC機(jī)端，因此，采用以太網(wǎng)方式進(jìn)行通信，并采用Socket標(biāo)準(zhǔn)接口以簡(jiǎn)化PC端軟件的編程。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)應(yīng)用需求，在海洋平臺(tái)的四個(gè)角分別安裝一個(gè)加速度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)以固定的間隔進(jìn)行加速度信息采樣，并將采樣信息發(fā)送給位于平臺(tái)中心的接收節(jié)點(diǎn)，接收節(jié)點(diǎn)具有網(wǎng)絡(luò)接口，最終連接到一臺(tái)PC機(jī)上，PC機(jī)上運(yùn)行的軟件將這些數(shù)據(jù)記錄到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以三維可視化方式展示這些加速度數(shù)據(jù)，并且根據(jù)設(shè)計(jì)的報(bào)警閾值進(jìn)行聲音報(bào)警。

2 可視化軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)采用Socket方式從網(wǎng)口獲取四個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的加速度傳感信息。首先將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以備今后查驗(yàn)。隨后以可視化方式顯示加速度信息。

2.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

為了增強(qiáng)上位機(jī)軟件顯示效果的直觀性，基于VS2010，OpenScence?Graph（簡(jiǎn)稱OSG）設(shè)計(jì)了三維振動(dòng)效果的立體顯示。OSG使用OpenGL技術(shù)開(kāi)發(fā)，其本質(zhì)是一套基于C++平臺(tái)的應(yīng)用程序接口（API），它使得程序員能夠快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺(tái)的交互式圖形程序。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，當(dāng)接收到傳感器數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，將根據(jù)報(bào)文中的傳感器節(jié)點(diǎn)編號(hào)，首先將其傳感數(shù)據(jù)保存到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，其次，根據(jù)傳感數(shù)值的大小，變換成節(jié)點(diǎn)的振動(dòng)振幅，在界面上實(shí)時(shí)直觀展示，數(shù)據(jù)通信流程如圖3所示。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 加速度傳感器的校準(zhǔn)

由于器件參數(shù)的差異，ADXL202芯片在相同環(huán)境下所測(cè)得的加速度值有比較大的差異，此外，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中多種因素均會(huì)導(dǎo)致傳感器初始位置的差異，因此，必須要對(duì)加速度傳感器進(jìn)行標(biāo)定。文獻(xiàn)[7]介紹了一種較為簡(jiǎn)單而且實(shí)用的標(biāo)定方法，稱為最大最小值法。具體方法如下：endprint

1） 將PCB板懸掛起來(lái)，使得其[X]軸正向與重力加速度方向重合，測(cè)量[X]軸輸出值，然后緩慢調(diào)節(jié)PCB板的位置，當(dāng)測(cè)量值達(dá)到最大值[Xmax]時(shí)，此時(shí)[X]軸正向與重力加速度方向相同，此時(shí)，[X]軸的加速度對(duì)應(yīng)[1g]的輸出；

2） 同樣方法可以測(cè)量出[-1g]對(duì)應(yīng)的輸出值，記為[Xmin。]

由于ADXL202具有較好的線性度，當(dāng)加速度為0時(shí)，對(duì)應(yīng)的測(cè)量值應(yīng)為[Xmax+Xmin2，]而加速度為[g]時(shí)對(duì)應(yīng)的測(cè)量值為[Xmax-Xmin2]。即得到了兩個(gè)點(diǎn)[0，Xmax+Xmin2，][g，Xmax-Xmin2]。由這兩點(diǎn)擬合出一條校準(zhǔn)直線，以后每得到一個(gè)測(cè)量值代入該直線方程中，就可以獲得實(shí)際的加速度值。

基于同樣的原理，對(duì)[Y]軸也可以進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定后的參數(shù)可直接保存在Atmega128L芯片的內(nèi)部E2PROM中。

3.2 振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

在WS?Z30?50小型精密振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[8]。WS?Z30?50小型精密振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)可以工作在水平工作方式下，并且可以產(chǎn)生加速度范圍為[0～2g，]振幅為8 mm的穩(wěn)定的水平簡(jiǎn)諧振動(dòng)，這足以滿足加速度校準(zhǔn)信息。

把節(jié)點(diǎn)綁定在水平振動(dòng)臺(tái)上，節(jié)點(diǎn)采樣加速度信息，并將該數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送出去，在振動(dòng)平臺(tái)外有一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，接收該無(wú)線數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上保存起來(lái)進(jìn)行事后處理。

選取0.1 Hz，0.2 Hz，0.5 Hz，振幅為3 mm的水平振動(dòng)來(lái)模擬冰激振動(dòng)對(duì)平臺(tái)的影響[9]。節(jié)點(diǎn)以100 Hz的采樣率進(jìn)行振動(dòng)加速度采樣。每次實(shí)驗(yàn)重復(fù)1 min。事后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行Matlab處理，圖4～圖6分別為0.1 Hz，0.2 Hz和0.5 Hz的時(shí)域和頻域比較圖。

從圖中可以看出，根據(jù)時(shí)域的加速度采樣信息，經(jīng)過(guò)FFT變換以后得到的頻域信息與振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)頻率完全吻合。這充分說(shuō)明了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

3.3 低功耗性能

對(duì)節(jié)點(diǎn)在不同狀態(tài)下的功耗進(jìn)行測(cè)量，節(jié)點(diǎn)在工作狀態(tài)下，消耗電流為14.2 mA，而在完全休眠狀態(tài)下，消耗電流為0.1 mA。由于在硬件上，ADXL202的采樣時(shí)間非常長(zhǎng)，達(dá)到5 ms，再加上處理器要進(jìn)行采樣值判斷、無(wú)線收發(fā)等，如果采用100 Hz的采樣率，則基本上節(jié)點(diǎn)一直處于工作狀態(tài)，如果電池為2 000 mA[?]h，則大概只能保證10天的工作時(shí)間，這使得系統(tǒng)根本不具有實(shí)用性。

然而，根據(jù)實(shí)際工作的特點(diǎn)，只有在發(fā)現(xiàn)加速度數(shù)值超標(biāo)時(shí)，才需要提高采樣速率到100 Hz。而對(duì)于平時(shí)絕大多數(shù)時(shí)間，只需要1 Hz的采樣速率即可，即大約可以具有[1100]的工作時(shí)間，由此推算，可以工作兩年左右的時(shí)間。完全能夠達(dá)到1年持續(xù)運(yùn)行期的要求。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)海洋油氣生產(chǎn)中的實(shí)際應(yīng)用需求，基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了低功耗的冰激振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的可行性，所開(kāi)發(fā)的冰激振動(dòng)加速度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)具有低功耗、無(wú)需布線、本安防爆等優(yōu)點(diǎn)，為保障海洋平臺(tái)的安全生產(chǎn)提供了新的技術(shù)保障。

在下一步的工作中，將把系統(tǒng)安裝到渤海灣海洋平臺(tái)上實(shí)際運(yùn)行，通過(guò)分析其整年的加速度采樣數(shù)據(jù)，為其建立冰激振動(dòng)預(yù)警的準(zhǔn)確模型，為合理科學(xué)預(yù)警和系統(tǒng)的進(jìn)一步深入推廣奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

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