無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究

引言

中國(guó)海洋石油開(kāi)發(fā)事業(yè)已經(jīng)走過(guò)了50個(gè)春秋，隨著海洋石油事業(yè)的發(fā)展，早期投入生產(chǎn)的海洋石油設(shè)施已逐漸臨近設(shè)計(jì)壽命末期，甚至超出了設(shè)計(jì)的服役期。因此，海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)監(jiān)測(cè)乃至安全等級(jí)的評(píng)定工作已經(jīng)提上議程，成為了人們?cè)絹?lái)越關(guān)注的焦點(diǎn)。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于軍事偵察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)定位等領(lǐng)域，能夠?qū)崟r(shí)地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的對(duì)象信息，并發(fā)送給觀察者。它具有覆蓋區(qū)域廣，可遠(yuǎn)程監(jiān)控，監(jiān)測(cè)精度高，布網(wǎng)快速和成本低等優(yōu)點(diǎn)。因此，把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,是海洋工程領(lǐng)域近年來(lái)研究的重點(diǎn)。

1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究

在不同應(yīng)用中，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成不盡相同，但一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源這四部分組成。無(wú)線傳感器的類型由被監(jiān)測(cè)物理信號(hào)的形式?jīng)Q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(shù)據(jù)傳輸單元主要由低功耗、短距離的無(wú)線通信模塊組成，比如RFM公司的TR1000等。因?yàn)樾枰M(jìn)行較復(fù)雜的任務(wù)調(diào)度與管理，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要一個(gè)微型化的操作系統(tǒng)，如嵌入式Linux。

啟發(fā)于現(xiàn)有的、比較經(jīng)典的、成功的傳感器網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)架設(shè)計(jì)，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系進(jìn)行的構(gòu)架設(shè)計(jì)如圖1所示。該設(shè)計(jì)分為四層:其中，數(shù)據(jù)采集層主要是對(duì)海洋平臺(tái)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集并就無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，主要是減弱甚至去除背景噪聲，放大需要的信號(hào)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸層分為監(jiān)控中心（上位機(jī)）、協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)（即無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)）三個(gè)級(jí)別。上一層的數(shù)據(jù)管理中心可以查看下一層的數(shù)據(jù)，下一層的數(shù)據(jù)管理中心有義務(wù)定時(shí)地向上一層的數(shù)據(jù)管理中心上傳最新采集的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)層再對(duì)各個(gè)協(xié)調(diào)器將自己管轄范圍內(nèi)的各個(gè)區(qū)域的數(shù)據(jù)收集后，進(jìn)行周期性的處理，以確定是否該區(qū)域有異常事件發(fā)生，并將一些基本的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，其中監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)處理分別確定該級(jí)別的數(shù)據(jù)是否異常，做好備份處理并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一格式的存儲(chǔ)和管理。應(yīng)用系統(tǒng)層主要是對(duì)不同層次的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)測(cè)和故障排除，如及時(shí)地預(yù)報(bào)平臺(tái)結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)或?qū)?huì)出現(xiàn)損傷，如果出現(xiàn)損傷，則分析損傷出現(xiàn)在何處，是什么原因造成的，并將分析結(jié)果提供給維修人員進(jìn)行相應(yīng)的維修處理。

2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模組網(wǎng)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)管理研究

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模組網(wǎng)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)管理研究的目的是研制適用于規(guī)模性密集布設(shè)和自治組網(wǎng)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)數(shù)量巨大的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)布設(shè)后，自治組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)管理成為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行和業(yè)務(wù)應(yīng)用的一個(gè)核心問(wèn)題。自治組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)管理需要無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)設(shè)備的底層支持，其實(shí)現(xiàn)需要軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)來(lái)完成。因此，研究大規(guī)模組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)將為無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)軟件的研究提供技術(shù)支撐。大規(guī)模組網(wǎng)及網(wǎng)絡(luò)管理的關(guān)鍵技術(shù)主要包括時(shí)間同步機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂坪途W(wǎng)絡(luò)安全等[2]o

2.1時(shí)間同步機(jī)制研究

時(shí)間同步機(jī)制是協(xié)同無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵機(jī)制，是高效路由、定時(shí)喚醒、沖突避免等技術(shù)的基礎(chǔ)。目前，已經(jīng)提出了多種時(shí)間同步機(jī)制，如參考廣播同步(RBS)、時(shí)間同步協(xié)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(duì)節(jié)點(diǎn)同步的開(kāi)銷，隨著網(wǎng)絡(luò)密度的增加，這種開(kāi)銷也隨之增加；TPSN由于采用了分級(jí)的方式和傳統(tǒng)的同步方式，使得同步效果比較好，但是增加了能耗和復(fù)雜度；MINI-SYNC算法的復(fù)雜度相對(duì)較低，但是對(duì)于計(jì)算和存儲(chǔ)的要求較高。

由于海上施工作業(yè)需要能夠快速布設(shè)儀器、快速組網(wǎng)、儀器低功耗，特別要求時(shí)間同步精確度高，因此無(wú)線通信方式的采用直接影響著分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時(shí)鐘同步。當(dāng)儀器工作時(shí)，所有數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)都依靠本地晶體振蕩器提供時(shí)間基準(zhǔn)，其相互之間以及與主控節(jié)點(diǎn)之間完全不存在同步關(guān)系。由于晶體振蕩器之間不可避免地存在細(xì)微的頻率偏差和時(shí)鐘漂移，即使初始同步的多個(gè)時(shí)鐘在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)行后也將出現(xiàn)較大的時(shí)間偏差，從而影響數(shù)據(jù)同步采集的精度。由于在每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中采用高精度、低漂移的晶體振蕩器從成本上考慮是無(wú)法接受的，這就需要研究無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)支持下的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的始終精確同步技術(shù)。利用無(wú)線通訊鏈路對(duì)系統(tǒng)內(nèi)獨(dú)立運(yùn)行的多個(gè)時(shí)鐘進(jìn)行周期性的定時(shí)校正，可以保證所有數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的本地時(shí)鐘都以主控節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘為基準(zhǔn)，向主控節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘對(duì)齊。由于是基于無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步，實(shí)際方案設(shè)計(jì)中還需要綜合考慮時(shí)鐘定時(shí)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)負(fù)載流量的影響及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間的抖動(dòng)效應(yīng)。

2.2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂蒲芯?

2.2.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频囊饬x

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢測(cè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線傳感器是感知網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，構(gòu)建一個(gè)合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠提高路由協(xié)議和MAC協(xié)議的效率，為數(shù)據(jù)融合、時(shí)間同步和目標(biāo)定位等很多方面提供基礎(chǔ)，有利于延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間，對(duì)數(shù)據(jù)高速、可靠傳輸具有重要作用。拓?fù)淇刂剖窃诒ＷC網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋度的前提下，通過(guò)一定的功率控制或骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的選擇算法，剔除節(jié)點(diǎn)間不必要的無(wú)線通信鏈路，生成一個(gè)能量高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)叫

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制的設(shè)計(jì)主要考慮通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，在降低節(jié)點(diǎn)通信能耗的同時(shí)，要保證網(wǎng)絡(luò)的連通性和覆蓋度，盡可能地均衡節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存時(shí)間、提高網(wǎng)絡(luò)整體性能為目標(biāo)。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂婆c優(yōu)化有著十分重要的意義，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一是影響整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，節(jié)省能量是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)主要考慮的問(wèn)題之一。拓?fù)淇刂频囊粋€(gè)重要目標(biāo)就是在保證網(wǎng)絡(luò)連通性和覆蓋度的情況下，盡量合理高效地使用網(wǎng)絡(luò)能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

第二是為路由協(xié)議提供基礎(chǔ)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，只有活動(dòng)的節(jié)點(diǎn)才能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而拓?fù)淇刂瓶梢源_定由哪些節(jié)點(diǎn)作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)確定節(jié)點(diǎn)之間的鄰居關(guān)系。

第三是影響數(shù)據(jù)融合。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)融合指無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給骨干節(jié)點(diǎn)，骨干節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，并把結(jié)果發(fā)送給數(shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn)。骨干節(jié)點(diǎn)的選擇是拓?fù)淇刂频囊豁?xiàng)重要內(nèi)容。

第四是彌補(bǔ)節(jié)點(diǎn)失效的影響。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)可能部署在惡劣的環(huán)境中，因此很容易受到破壞而失效。這就要求網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有魯棒性，以適應(yīng)這種情況。

2.2.2網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂蒲芯康姆较?

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中拓?fù)淇刂品譃楣β士刂坪蛯哟瓮負(fù)浣Y(jié)構(gòu)控制兩個(gè)研究方向。圖2所示是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茍D。

節(jié)點(diǎn)功率控制機(jī)制是調(diào)整無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，保證網(wǎng)絡(luò)連通，在均衡節(jié)點(diǎn)的直接鄰居數(shù)目(單跳可達(dá)鄰居數(shù)目)的同時(shí)，降低了節(jié)點(diǎn)之間的通信干擾。

層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制利用分簇思想，依據(jù)一定原則使網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)處于激活狀態(tài)，成為簇頭節(jié)點(diǎn)，由這些簇頭節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一個(gè)聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)來(lái)處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)；其他節(jié)點(diǎn)為簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)則處于非激活狀態(tài)，關(guān)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(jié)點(diǎn)，以均衡網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的能量消耗。

層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制具有很多優(yōu)點(diǎn)。例如，由簇頭節(jié)點(diǎn)單位數(shù)據(jù)融合的任務(wù)，減少了數(shù)據(jù)通信量；分簇式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于分布式算法的應(yīng)用，適合大規(guī)模部署的網(wǎng)絡(luò)；由于大部分節(jié)點(diǎn)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉通信模塊，所以顯著延長(zhǎng)了網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。

2.2.3網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频乃惴?

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在某種程度上可視為一種ad-hoc網(wǎng)絡(luò),但相對(duì)于一般意義上的ad-hoc網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，其面臨的環(huán)境更復(fù)雜多變，其節(jié)點(diǎn)的部署更密集，節(jié)點(diǎn)能量更有限，無(wú)線鏈路更容易受到干擾，節(jié)點(diǎn)也更容易失效，所以必須研究適應(yīng)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的、面向具體應(yīng)用的、更高效的拓?fù)淇刂扑惴ā?

根據(jù)層次化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了很多算法來(lái)提高系統(tǒng)的通信效率和能量利用率。在保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋的前提下，需要使全網(wǎng)中形成簇的個(gè)數(shù)盡量少，同時(shí)還要考慮節(jié)點(diǎn)剩余能量和網(wǎng)絡(luò)魯棒性的問(wèn)題叫

事實(shí)上，LEACH算法是一種自適應(yīng)分簇拓?fù)渌惴ǎ膱?zhí)行過(guò)程是周期性的，每輪循環(huán)分為簇的建立階段和穩(wěn)定的數(shù)據(jù)通信階段；GAF算法則是以節(jié)點(diǎn)地理位置為根據(jù)的分簇方法；而TopDisc算法來(lái)源于圖論中的思想，是基于最小支配集問(wèn)題的經(jīng)典算法，它利用顏色區(qū)分節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，從而解決骨干網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成問(wèn)題。

2.3安全體系研究

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的一些特點(diǎn)，為路由協(xié)議等安全機(jī)制的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)E其主要表現(xiàn)如下：

節(jié)點(diǎn)資源高度受限。為了降低無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署成本，傳感節(jié)點(diǎn)在計(jì)算能力、存儲(chǔ)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(jié)點(diǎn)所能采取的加密、解密以及認(rèn)證措施，并引入了傳統(tǒng)安全機(jī)制的適用性問(wèn)題。例如，計(jì)算密集型的公開(kāi)密鑰系統(tǒng)的適用性問(wèn)題。

面臨更大的物理安全問(wèn)題。傳感節(jié)點(diǎn)通常被部署在無(wú)人看管的區(qū)域，易受到各種物理攻擊，傳感節(jié)點(diǎn)易被捕獲。

采用無(wú)線通信方式，使得無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)易遭到竊聽(tīng)、非授權(quán)訪問(wèn)、假冒、重放和拒絕服務(wù)攻擊。

由于無(wú)線傳感器是應(yīng)用于海洋平臺(tái)這一特殊環(huán)境，因此在信號(hào)發(fā)射功率范圍以及元器件、外殼的選擇上應(yīng)該注意防爆特性。

3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境感知和數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測(cè)的一大重要機(jī)能就是對(duì)平臺(tái)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)須能夠準(zhǔn)確地反饋出整體結(jié)構(gòu)的固有特性信息，包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集平臺(tái)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)(振動(dòng)頻率、加速度、位移等)、結(jié)構(gòu)振動(dòng)異常以及環(huán)境信息(包括溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、浪流狀態(tài)以及圖像信息等)。

環(huán)境信息測(cè)量可利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)管理、視頻監(jiān)控這些成熟技術(shù)實(shí)現(xiàn)。環(huán)境信息監(jiān)測(cè)是這些應(yīng)用的組成部分，可以從這些應(yīng)用中借鑒到適用于各種成本、功耗需求的環(huán)境信息測(cè)量解決方案。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)數(shù)據(jù)的采集需要解決以下兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題[7]:

第一是大動(dòng)態(tài)范圍下高精度計(jì)量/測(cè)量。就海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測(cè)監(jiān)測(cè)來(lái)講，節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)到80~100dB，而一些關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)范圍要求會(huì)進(jìn)一步提高。這就要求設(shè)計(jì)高精度、高動(dòng)態(tài)范圍的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和位寬足夠的數(shù)字采集系統(tǒng)。

第二是諧波分析。海洋平臺(tái)在自然環(huán)境激勵(lì)下的振型具有極大的不確定性，同時(shí)平臺(tái)上不同動(dòng)力機(jī)械與設(shè)備在工作過(guò)程中所產(chǎn)生的中高頻振動(dòng)也會(huì)在很大程度上對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。為了盡可能地識(shí)別平臺(tái)各階振型，必須對(duì)各個(gè)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的諧波含量、分布進(jìn)行測(cè)量分析和治理。諧波測(cè)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(shí)現(xiàn)問(wèn)題，濾波器組則必須在硬件代價(jià)和測(cè)量精度之間找到合理的平衡點(diǎn)。

4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息處理技術(shù)研究

根據(jù)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢測(cè)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)所要收集的數(shù)據(jù)將是多樣的，可通過(guò)這些數(shù)據(jù)了解整個(gè)海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)情況。因此，海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)檢測(cè)監(jiān)測(cè)的控制系統(tǒng)應(yīng)具有很強(qiáng)的信息處理能力，同時(shí)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息數(shù)據(jù)處理技術(shù)的要求也很高。

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)是連續(xù)、快速、隨時(shí)間變化的，而且很多是相似的數(shù)據(jù)，因此需要建立一種新型的數(shù)據(jù)模型來(lái)描述，并提供相應(yīng)的操作，從而方便上層應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)的調(diào)用訪問(wèn)。

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，有很多是相似的，可對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，但現(xiàn)有的數(shù)據(jù)壓縮方法的壓縮率不是很高。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題提出了一種新的數(shù)據(jù)壓縮技術(shù),將曲線分段擬合與數(shù)據(jù)流傳輸相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮傳輸。

在數(shù)據(jù)流壓縮傳輸中，很多情況下某一時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)的變化符合某種模式，如果對(duì)每個(gè)時(shí)間段進(jìn)行擬合處理，不但增加了擬合的負(fù)擔(dān)，而且往往顯得多余。因此，可以采用對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證的辦法。比如，可以設(shè)定一個(gè)門(mén)限值，如果新的數(shù)據(jù)仍然采用上一個(gè)擬合函數(shù)，并且誤差小于門(mén)限值，則可以不進(jìn)行曲線擬合，而采用上一個(gè)擬合函數(shù)。這樣不但大大提高了效率，而且節(jié)省了能源。

基于本文理論研究，以項(xiàng)目為依托，研制了一套便攜式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)檢測(cè)儀系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用并調(diào)試，推薦使用ZigBee通信標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee與其他的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)相比,更適合海洋石油平臺(tái)的作業(yè)環(huán)境。其吞吐量較小，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資小，網(wǎng)絡(luò)安全性高，適用于不便于頻繁更換電源的場(chǎng)合，可以使數(shù)據(jù)采集和分析變得方便容易。ZigBee網(wǎng)絡(luò)可用于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)測(cè)量的傳感網(wǎng)絡(luò)組建很重要的一點(diǎn)在于它的低功耗、可擴(kuò)展能力強(qiáng)，其發(fā)射功率僅為0~10dBm；工作在2.4GHz的ISM頻段，工作頻段無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可且與海洋平臺(tái)其他通訊設(shè)備頻段無(wú)沖突；它的通信距離可達(dá)30~300m，具有能量檢測(cè)和鏈路質(zhì)量指示能力，可以自動(dòng)地對(duì)自身的發(fā)射功率進(jìn)行調(diào)整,可以在保證通信鏈路質(zhì)量的前提下最小地消耗能量。網(wǎng)絡(luò)功能是ZigBee最重要的特點(diǎn)，也是與其他無(wú)線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不同的地方，ZigBee的主要工作在于負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的建立與管理，并具有自我組態(tài)和自我修復(fù)功能。

2012年1月末，項(xiàng)目組組織相關(guān)研究人員對(duì)海洋平臺(tái)錦州20-2MUQ在冰激勵(lì)荷載下的結(jié)構(gòu)情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步分析。從分析結(jié)果來(lái)看，至少可以識(shí)別出一、二階結(jié)構(gòu)頻率，從而驗(yàn)證本研究的實(shí)用性以及儀器的可靠性，為今后的結(jié)構(gòu)損傷識(shí)別奠定了良好的基礎(chǔ)。圖3給出了典型數(shù)據(jù)段的時(shí)域波形和頻譜圖。

5結(jié)語(yǔ)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新型網(wǎng)絡(luò)，從誕生至今，研究者們?cè)谥T多方面進(jìn)行了深入的研究，取得了較大的進(jìn)展，為實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，而關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步必將對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展起到?jīng)Q定性的促進(jìn)作用。本文給出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的幾個(gè)發(fā)展方向：

(1)能效問(wèn)題研究是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的熱點(diǎn)。針對(duì)不同應(yīng)用的能效節(jié)點(diǎn)自定位算法、優(yōu)化覆蓋算法、時(shí)間同步算法都是值得進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題，進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的性能，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

(2)在高密度網(wǎng)絡(luò)中，需要大范圍時(shí)間同步。時(shí)間同步可以減少事件碰撞、能量浪費(fèi)和統(tǒng)一更新?，F(xiàn)有的時(shí)間同步方案致力于同步網(wǎng)絡(luò)中的局部節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘以及較少的能量負(fù)擔(dān)。接下來(lái)的研究可以更多地關(guān)注最小化長(zhǎng)時(shí)間的不確定性誤差，提高精度。

(3)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中布置了大量的節(jié)點(diǎn)，隨著時(shí)間發(fā)展會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)壓縮、融合和聚合技術(shù)能有效地減少數(shù)據(jù)傳送量?；谑录膲嚎s、融合、聚合方案和連續(xù)時(shí)間采集網(wǎng)絡(luò)也是具有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。

(4)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全檢測(cè)問(wèn)題。安全協(xié)議需要能監(jiān)視、檢測(cè)，同時(shí)應(yīng)對(duì)入侵者的攻擊，現(xiàn)有的許多安全協(xié)議多數(shù)是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)鏈路層的，然而惡意攻擊可能出現(xiàn)在任何層中，不同層的安全檢測(cè)是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。跨層的安全檢測(cè)是網(wǎng)絡(luò)安全研究中的又一具有挑戰(zhàn)性的課題。

(5)可擴(kuò)展性。保證網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的另一項(xiàng)關(guān)鍵需求。由于能量消耗盡、節(jié)點(diǎn)故障、通信故障等原因，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常常會(huì)發(fā)生變化，如果沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性保證，網(wǎng)絡(luò)的性能會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模增加或是隨著時(shí)間的推移而顯著降低。

(6)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著分層的體系結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致各層的優(yōu)化設(shè)計(jì)不能保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)最優(yōu)。將MAC與路由相結(jié)合進(jìn)行跨層設(shè)計(jì)可以有效節(jié)省能量，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。傳感器網(wǎng)絡(luò)的能量管理、低功耗設(shè)計(jì)、時(shí)間同步和節(jié)點(diǎn)定位方面也可以結(jié)合海洋石油平臺(tái)實(shí)際情況，跨層優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(7)基于我國(guó)國(guó)情，針對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析、損傷識(shí)別、模型修正、安全評(píng)定等環(huán)節(jié)，結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、下一代無(wú)線通信技術(shù)、智能控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)盡快提出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，以及我國(guó)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方面的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

20211020_61701773d40a7__無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究