引言
中國海洋石油開發事業已經走過了50個春秋，臺結隨著海洋石油事業的構安發展，早期投入生產的無線海洋石油設施已逐漸臨近設計壽命末期，甚至超出了設計的傳感測領服役期。因此，器網全檢海洋平臺結構安全檢測監測乃至安全等級的絡技評定工作已經提上議程，成為了人們越來越關注的術海焦點。
無線傳感器網絡廣泛應用于軍事偵察、洋平域的應用研究環境監測、臺結目標定位等領域，能夠實時地感知、采集和處理網絡覆蓋范圍內的對象信息，并發送給觀察者。它具有覆蓋區域廣，可遠程監控，監測精度高，布網快速和成本低等優點。因此，把無線傳感器網絡技術應用到海洋平臺結構安全檢測監測系統中,是海洋工程領域近年來研究的重點。
1無線傳感器網絡體系架構研究
在不同應用中，無線傳感器網絡節點的組成不盡相同，但一般都由數據采集、數據處理、數據傳輸和電源這四部分組成。無線傳感器的類型由被監測物理信號的形式決定。處理器通常選用嵌入式CPU，如Motorola的68HC16,ARM公司的ARM7和Intel的8086等。數據傳輸單元主要由低功耗、短距離的無線通信模塊組成，比如RFM公司的TR1000等。因為需要進行較復雜的任務調度與管理，無線傳感器網絡需要一個微型化的操作系統，如嵌入式Linux。
啟發于現有的、比較經典的、成功的傳感器網絡體系構架設計，對無線傳感器網絡體系進行的構架設計如圖1所示。該設計分為四層:其中，數據采集層主要是對海洋平臺各個節點進行實時的振動數據采集并就無線傳感器節點采集的數據進行簡單處理，主要是減弱甚至去除背景噪聲，放大需要的信號數據。數據傳輸層分為監控中心（上位機）、協調器、終端節點（即無線傳感器節點）三個級別。上一層的數據管理中心可以查看下一層的數據，下一層的數據管理中心有義務定時地向上一層的數據管理中心上傳最新采集的數據。網絡層再對各個協調器將自己管轄范圍內的各個區域的數據收集后，進行周期性的處理，以確定是否該區域有異常事件發生，并將一些基本的檢測數據進行上傳，其中監控中心的數據處理分別確定該級別的數據是否異常，做好備份處理并對數據進行統一格式的存儲和管理。應用系統層主要是對不同層次的數據進行分析處理，并進行相應的預測和故障排除，如及時地預報平臺結構是否出現或將會出現損傷，如果出現損傷，則分析損傷出現在何處，是什么原因造成的，并將分析結果提供給維修人員進行相應的維修處理。
2無線傳感器網絡大規模組網技術及網絡管理研究
無線傳感器網絡大規模組網技術及網絡管理研究的目的是研制適用于規模性密集布設和自治組網的無線傳感器節點。當數量巨大的無線傳感器節點被隨機布設后，自治組網和網絡管理成為網絡運行和業務應用的一個核心問題。自治組網和網絡管理需要無線傳感器節點和網關設備的底層支持，其實現需要軟硬件的協同設計來完成。因此，研究大規模組網和網絡管理技術將為無線傳感器節點、網關設備和系統軟件的研究提供技術支撐。大規模組網及網絡管理的關鍵技術主要包括時間同步機制、網絡拓撲控制和網絡安全等[2]o
2.1時間同步機制研究
時間同步機制是協同無線傳感器網絡的一個關鍵機制，是高效路由、定時喚醒、沖突避免等技術的基礎。目前，已經提出了多種時間同步機制，如參考廣播同步(RBS)、時間同步協議(TPSN)和TYNY/MINI-SYNC等，但都存在一定的缺陷。例如，RBS由于需要用于廣播交換以得到成對節點同步的開銷，隨著網絡密度的增加，這種開銷也隨之增加；TPSN由于采用了分級的方式和傳統的同步方式，使得同步效果比較好，但是增加了能耗和復雜度；MINI-SYNC算法的復雜度相對較低，但是對于計算和存儲的要求較高。
由于海上施工作業需要能夠快速布設儀器、快速組網、儀器低功耗，特別要求時間同步精確度高，因此無線通信方式的采用直接影響著分布式數據采集系統的時鐘同步。當儀器工作時，所有數據采集節點都依靠本地晶體振蕩器提供時間基準，其相互之間以及與主控節點之間完全不存在同步關系。由于晶體振蕩器之間不可避免地存在細微的頻率偏差和時鐘漂移，即使初始同步的多個時鐘在經過一定時間的運行后也將出現較大的時間偏差，從而影響數據同步采集的精度。由于在每個傳感器節點中采用高精度、低漂移的晶體振蕩器從成本上考慮是無法接受的，這就需要研究無線通訊網絡支持下的分布式數據采集系統的始終精確同步技術。利用無線通訊鏈路對系統內獨立運行的多個時鐘進行周期性的定時校正，可以保證所有數據采集節點的本地時鐘都以主控節點時鐘為基準，向主控節點時鐘對齊。由于是基于無線通訊網絡的時鐘同步，實際方案設計中還需要綜合考慮時鐘定時所產生的數據量對無線網絡負載流量的影響及無線網絡數據包傳輸時間的抖動效應。
2.2網絡拓撲控制研究
2.2.1網絡拓撲控制的意義
海洋平臺結構檢測監測網絡中的無線傳感器是感知網絡的關鍵，構建一個合理的網絡拓撲結構，能夠提高路由協議和MAC協議的效率，為數據融合、時間同步和目標定位等很多方面提供基礎，有利于延長整個網絡的生存時間，對數據高速、可靠傳輸具有重要作用。拓撲控制是在保證網絡連通性和覆蓋度的前提下，通過一定的功率控制或骨干網節點的選擇算法，剔除節點間不必要的無線通信鏈路，生成一個能量高效的數據轉發的優化網絡拓撲結構叫
無線傳感器網絡拓撲控制機制的設計主要考慮通過調節無線傳感器節點的發射功率，在降低節點通信能耗的同時，要保證網絡的連通性和覆蓋度，盡可能地均衡節點間的數據轉發任務，以延長網絡生存時間、提高網絡整體性能為目標。
在無線傳感器網絡中，對網絡的拓撲控制與優化有著十分重要的意義，主要表現在以下幾個方面：
第一是影響整個無線傳感器網絡的生存時間。無線傳感器網絡的節點一般采用電池供電，節省能量是網絡設計主要考慮的問題之一。拓撲控制的一個重要目標就是在保證網絡連通性和覆蓋度的情況下，盡量合理高效地使用網絡能量，延長網絡的生存時間。
第二是為路由協議提供基礎。在無線傳感器網絡中，只有活動的節點才能夠進行數據轉發，而拓撲控制可以確定由哪些節點作為轉發節點，同時確定節點之間的鄰居關系。
第三是影響數據融合。無線傳感器網絡中的數據融合指無線傳感器節點將采集的數據發送給骨干節點，骨干節點進行數據融合，并把結果發送給數據收集節點。骨干節點的選擇是拓撲控制的一項重要內容。
第四是彌補節點失效的影響。無線傳感器節點可能部署在惡劣的環境中，因此很容易受到破壞而失效。這就要求網絡拓撲結構具有魯棒性，以適應這種情況。
2.2.2網絡拓撲控制研究的方向
無線傳感器網絡中拓撲控制分為功率控制和層次拓撲結構控制兩個研究方向。圖2所示是無線傳感器網絡拓撲控制圖。
節點功率控制機制是調整無線傳感器網絡中每個節點的發射功率，保證網絡連通，在均衡節點的直接鄰居數目(單跳可達鄰居數目)的同時，降低了節點之間的通信干擾。
層次拓撲結構控制利用分簇思想，依據一定原則使網絡中的部分節點處于激活狀態，成為簇頭節點，由這些簇頭節點構建一個聯通的網絡來處理和傳輸網絡中的數據；其他節點為簇內節點則處于非激活狀態，關閉其通信模塊以降低能量消耗，并且定期或者不定期地重新選擇簇頭節點，以均衡網絡中節點的能量消耗。
層次拓撲結構控制具有很多優點。例如，由簇頭節點單位數據融合的任務，減少了數據通信量；分簇式的拓撲結構有利于分布式算法的應用，適合大規模部署的網絡；由于大部分節點在相當長的時間內關閉通信模塊，所以顯著延長了網絡的生存時間。
2.2.3網絡拓撲控制的算法
無線傳感器網絡在某種程度上可視為一種ad-hoc網絡,但相對于一般意義上的ad-hoc網絡來說，其面臨的環境更復雜多變，其節點的部署更密集，節點能量更有限，無線鏈路更容易受到干擾，節點也更容易失效，所以必須研究適應于無線傳感器網絡的、面向具體應用的、更高效的拓撲控制算法。
根據層次化的拓撲結構，國內外研究人員提出了很多算法來提高系統的通信效率和能量利用率。在保證網絡覆蓋的前提下，需要使全網中形成簇的個數盡量少，同時還要考慮節點剩余能量和網絡魯棒性的問題叫
事實上，LEACH算法是一種自適應分簇拓撲算法，它的執行過程是周期性的，每輪循環分為簇的建立階段和穩定的數據通信階段；GAF算法則是以節點地理位置為根據的分簇方法；而TopDisc算法來源于圖論中的思想，是基于最小支配集問題的經典算法，它利用顏色區分節點狀態，從而解決骨干網絡結構的形成問題。
2.3安全體系研究
無線傳感器網絡自身的一些特點，為路由協議等安全機制的設計和實現帶來了前所未有的挑戰E其主要表現如下：
節點資源高度受限。為了降低無線傳感器網絡部署成本，傳感節點在計算能力、存儲空間、通信能力(包括通信帶寬和通信范圍)，特別是電池壽命方面受到很大的約束，從而制約了在傳感節點所能采取的加密、解密以及認證措施，并引入了傳統安全機制的適用性問題。例如，計算密集型的公開密鑰系統的適用性問題。
面臨更大的物理安全問題。傳感節點通常被部署在無人看管的區域，易受到各種物理攻擊，傳感節點易被捕獲。
采用無線通信方式，使得無線傳感器網絡易遭到竊聽、非授權訪問、假冒、重放和拒絕服務攻擊。
由于無線傳感器是應用于海洋平臺這一特殊環境，因此在信號發射功率范圍以及元器件、外殼的選擇上應該注意防爆特性。
3無線傳感器網絡的環境感知和數據采集技術研究
海洋平臺結構振動檢測的一大重要機能就是對平臺的關鍵節點進行監控，關鍵節點須能夠準確地反饋出整體結構的固有特性信息，包括無線傳感器網絡采集平臺各個節點的結構振動數據(振動頻率、加速度、位移等)、結構振動異常以及環境信息(包括溫度、濕度、氣壓、風速、風向、浪流狀態以及圖像信息等)。
環境信息測量可利用現有網絡管理、視頻監控這些成熟技術實現。環境信息監測是這些應用的組成部分，可以從這些應用中借鑒到適用于各種成本、功耗需求的環境信息測量解決方案。海洋平臺結構振動數據的采集需要解決以下兩個關鍵問題[7]:
第一是大動態范圍下高精度計量/測量。就海洋平臺結構振動檢測監測來講，節點的動態范圍可達到80~100dB，而一些關鍵節點的動態范圍要求會進一步提高。這就要求設計高精度、高動態范圍的模數轉換器(ADC)和位寬足夠的數字采集系統。
第二是諧波分析。海洋平臺在自然環境激勵下的振型具有極大的不確定性，同時平臺上不同動力機械與設備在工作過程中所產生的中高頻振動也會在很大程度上對測量數據產生影響。為了盡可能地識別平臺各階振型，必須對各個測量節點的諧波含量、分布進行測量分析和治理。諧波測量的主要手段包括快速傅里葉變換(FFT)頻譜分析和濾波器組兩種方案,FFT方案必須解決同步采樣的實現問題，濾波器組則必須在硬件代價和測量精度之間找到合理的平衡點。
4無線傳感器網絡的信息處理技術研究
根據海洋平臺結構檢測監測的特點，無線傳感器節點所要收集的數據將是多樣的，可通過這些數據了解整個海洋平臺的結構情況。因此，海洋平臺結構檢測監測的控制系統應具有很強的信息處理能力，同時對無線傳感器網絡的信息數據處理技術的要求也很高。
由于無線傳感器網絡采集的數據是連續、快速、隨時間變化的，而且很多是相似的數據，因此需要建立一種新型的數據模型來描述，并提供相應的操作，從而方便上層應用程序對數據的調用訪問。
由于無線傳感器網絡實時產生的大量數據，有很多是相似的，可對這些數據進行壓縮，但現有的數據壓縮方法的壓縮率不是很高。針對這個問題提出了一種新的數據壓縮技術,將曲線分段擬合與數據流傳輸相結合來實現數據的壓縮傳輸。
在數據流壓縮傳輸中，很多情況下某一時間段內數據的變化符合某種模式，如果對每個時間段進行擬合處理，不但增加了擬合的負擔，而且往往顯得多余。因此，可以采用對數據進行驗證的辦法。比如，可以設定一個門限值，如果新的數據仍然采用上一個擬合函數，并且誤差小于門限值，則可以不進行曲線擬合，而采用上一個擬合函數。這樣不但大大提高了效率，而且節省了能源。
基于本文理論研究，以項目為依托，研制了一套便攜式海洋平臺結構振動檢測儀系統，經過現場的實際應用并調試，推薦使用ZigBee通信標準。ZigBee與其他的無線通信標準相比,更適合海洋石油平臺的作業環境。其吞吐量較小，網絡建設投資小，網絡安全性高，適用于不便于頻繁更換電源的場合，可以使數據采集和分析變得方便容易。ZigBee網絡可用于海洋平臺結構測量的傳感網絡組建很重要的一點在于它的低功耗、可擴展能力強，其發射功率僅為0~10dBm；工作在2.4GHz的ISM頻段，工作頻段無需申請許可且與海洋平臺其他通訊設備頻段無沖突；它的通信距離可達30~300m，具有能量檢測和鏈路質量指示能力，可以自動地對自身的發射功率進行調整,可以在保證通信鏈路質量的前提下最小地消耗能量。網絡功能是ZigBee最重要的特點，也是與其他無線局域網標準不同的地方，ZigBee的主要工作在于負責網絡機制的建立與管理，并具有自我組態和自我修復功能。
2012年1月末，項目組組織相關研究人員對海洋平臺錦州20-2MUQ在冰激勵荷載下的結構情況進行了現場測量，并對測量數據進行了初步分析。從分析結果來看，至少可以識別出一、二階結構頻率，從而驗證本研究的實用性以及儀器的可靠性，為今后的結構損傷識別奠定了良好的基礎。圖3給出了典型數據段的時域波形和頻譜圖。
5結語
無線傳感器網絡是一種新型網絡，從誕生至今，研究者們在諸多方面進行了深入的研究，取得了較大的進展，為實現傳感器網絡的廣泛應用奠定了技術基礎，而關鍵技術的進步必將對無線傳感器網絡的發展起到決定性的促進作用。本文給出無線傳感器網絡的幾個發展方向：
(1)能效問題研究是無線傳感器網絡中的熱點。針對不同應用的能效節點自定位算法、優化覆蓋算法、時間同步算法都是值得進一步深入研究的問題，進一步提高網絡的性能，延長網絡的生命周期。
(2)在高密度網絡中，需要大范圍時間同步。時間同步可以減少事件碰撞、能量浪費和統一更新。現有的時間同步方案致力于同步網絡中的局部節點時鐘以及較少的能量負擔。接下來的研究可以更多地關注最小化長時間的不確定性誤差，提高精度。
(3)無線傳感器網絡中布置了大量的節點，隨著時間發展會產生大量的數據。數據壓縮、融合和聚合技術能有效地減少數據傳送量。基于事件的壓縮、融合、聚合方案和連續時間采集網絡也是具有挑戰性的研究領域。
(4)無線傳感器網絡的安全檢測問題。安全協議需要能監視、檢測，同時應對入侵者的攻擊，現有的許多安全協議多數是針對網絡層和數據鏈路層的，然而惡意攻擊可能出現在任何層中，不同層的安全檢測是一個值得研究的問題。跨層的安全檢測是網絡安全研究中的又一具有挑戰性的課題。
(5)可擴展性。保證網絡的可擴展性是無線傳感器網絡的另一項關鍵需求。由于能量消耗盡、節點故障、通信故障等原因，網絡的拓撲結構常常會發生變化，如果沒有網絡的可擴展性保證，網絡的性能會隨著網絡的規模增加或是隨著時間的推移而顯著降低。
(6)無線傳感器網絡有著分層的體系結構，導致各層的優化設計不能保證整個網絡的設計最優。將MAC與路由相結合進行跨層設計可以有效節省能量，延長網絡的壽命。傳感器網絡的能量管理、低功耗設計、時間同步和節點定位方面也可以結合海洋石油平臺實際情況，跨層優化設計。
(7)基于我國國情，針對海洋平臺結構安全檢測監測的數據采集、信號分析、損傷識別、模型修正、安全評定等環節，結合無線傳感器網絡、下一代無線通信技術、智能控制技術等關鍵技術，應盡快提出具有我國自主知識產權的相關關鍵技術，以及我國海洋平臺結構安全評估方面的相關標準。
20211020_61701773d40a7__無線傳感器網絡技術在海洋平臺結構安全檢測領域的應用研究
