基于无线通信的自升式平台安全监控系统的制作方法

本发明是一种基于无线通信的自升式平台安全监控系统，在自升式平台中实现区域安全监控，给出特定的无线网络结构以供各个检测装置稳定有序的通过无线通信方式传输数据，检测装置双电源切换冗余供电，适用于工作环境复杂的自升式平台，保证自升式平台的安全稳定运行。

背景技术：

我国近海地区有非常巨大的石油存储量，随着近年来我国对近海地区的石油勘采，自升式石油钻井平台变得非常重要。自升式石油钻井平台是一个非常复杂的系统由众多子系统组成，每一个电气设备的工作运行状态都不得有任何差错否则将会造成严重后果，这样自升式平台的安全监控变得尤为重要。随着近年来无线网络技术的发展使得这种基于无线通信的自升式平台安全监控系统变得易于实现。

技术实现要素：

本发明提出了一种基于无线通信的自升式平台安全监控系统，整个自升式平台安全监控系统完成了对自升式平台平台主体和桩靴应力的安全监控。自升式平台由众多子系统构成是个非常复杂的系统，安全监控系统只是其中一个子系统,检测装置将采集到的数据以无线通信的方式传输到接入工业以太网的无线接收装置中，中央控制室接收到数据后通过分析数据判断是否存在危险信息，当存在危险信息时启动险情警报系统与esd系统视险情轻重采取具体措施。

本发明中实现对平台主体有毒易燃气体（主要成分硫化氢）检测、视频监控、温度检测，用于采集数据的检测装置主要是由有毒易燃气体传感器、温度传感器、图像传感器、无线通信模块、电池组成。与其它发明相比本发明使用无线通信的方式完成数据传，省去了冗余繁杂的通信布线，本发明中每个数据采集装置均内置电池，在发生险情主供电线路故障或中央控制室切断区域电源时采用备用电源供电继续对险情区域的监控。

本发明中平台主体检测装置向中央控制室传输数据时使用无线通信的方式，无线网络拓扑结构与“c60”拓扑结构相同，本发明中给出了检测装置与中央控制室无线接收装置的安装、编址以及数据传递规则，每一个检测装置中的无线通信模块既用于发送自身采集到的数据同时还作为其它检测装置传输数据过程中的一个跳转点。传统无线网络结构大多为星型结构网络图，当主干通信线路出现问题时整个无线系统都会停止工作。本发明中的网络结构的优点在于覆盖面积广、数据丢包率低、非常好的拓展性，非常适用于自升式平台这种隔间较多、无线信号传输容易受阻、电磁干扰较大的区域，以最较小的功率在保证较大传输速度的同时实现较广的无线网络覆盖。两数据采集装置距离较近，无线信号较强因而丢包率较低。

本发明中平台主体检测装置进行数据传输时可选择ieee802.11b/g或ieee802.11s无线通信协议，这两种无线通信协议使用广泛有非常好的开放性，传输过程安全稳定性高效，丢包率低、传输距离远，有非常高的传输速度,保证了自升式平台安全监控的实时性、安全性。

本发明中用于检测桩靴应力的检测装置包括应力传感器、无线通信模块、电池三者电气连接在一起，安装在桩靴底部。使用zigbee协议即ieees02．15．4无线通信协议，自升式平台中有专用的基于zigbee协议的无线接收装置其接入工业以太网。自升式平台正常工作时桩靴离整个平台主体300多米，本发明中应力检测装置与其它发明相比的优点在于使用无线通信方式传输数据且内置锂电池，这样免去了复杂、冗长的有线线路连接。本发明中无线通信模块采用ieees02．15．4协议其在数据传输过程中功耗非常小，使用一般的容量锂电池便可保证该应力检测装置正常有效工作四至五年。

自升式平台中有多个接入工业以太网的专用无线接收装置分别用于接收平台主体检测装置与桩靴应力检测装置发送的数据，中央控制室无线接收装置接入工业以太网，中央控制室中的工业电脑接入同一工业以太网，中央控制室内的工作人员便可通过工业电脑访问各个检测装置传输来的数据，通过分析各个检测装置的数据信息可判断自升式平台是否出现险情。当中央控制室内发现险情信息时可根据检测装置传输过来的数据得出的检测装置的实际物理位置，中央控制室主动搜索报警检测装置防止误报警，及时发现险情区域。确认险情后及时发出报警，根据具体险情情况可采取启动esd系统紧急停车、分区域切断相关设备电源、释放消防物，启动警报系统发出声光报警，调整自升式平台姿态这些措施防止险情事故扩大。

附图说明

图1为安全监控系统示意图

图2为平台主体监控结构示意图

图3为无线网络拓扑结构图

图4为桩靴应力检测装置结构图

具体实施方式

本发明中提出的基于无线通信的自升式平台安全监控系统涉及到一个完整的工业信息整合系统，自升式平台由众多子系统构成，安全监控系统必须与中央控制室完全融合在一起。整个自升式平台的安全监控系统如图1所示，其中数据采集系统105中用于采集数据的检测装置有：有毒易燃气体检测装置101、视频监控装置102、温度检测装置103、应力检测装置104。检测装置将采集到的数据信息（影像、温度值、应力值、有毒易燃气体浓度）经网关106传输到中央控制室107，中央控制室中的工业电脑110有专用的组态软件用于显示实时数据，以此来监视整个自升式平台的安全运行，移动手持终端设备111也可以通过搜寻附近的检测装置去访问检测装置中的实时数据。当中央控制室发现危险报警信号后通过警报系统108发出警报引起人的注意，根据具体情况启动esd系统109（紧急停车系统）。本发明自升式平台安全监控系统完成了对自升式平台平台主体和桩靴应力的安全监控。

本发明中自升式平台平台主体安全监控结构图如图2所示，实现平台主体安全监控中用于采集数据的检测装置主要包括：视频监控装置201、有毒易燃气体检测装置202、温度检测装置203，每一个检测装置都配有独立的备用电208。检测装置将采集到的数据通过无线通信模块广播出去，无线接收装置206用于接收检测装置传输的数据，专用无线接收装置与中央控制室中的工业电脑204接入同一工业以太网，中央控制室内的工作人员便可通过工业电脑访问各个检测装置传输来的数据，通过分析各个检测装置的数据信息可判断自升式平台是否出现险情。移动手持终端设备209可以任意访问在自己信号搜索范围内的检测装置采集到的实时数据。当中央控制室接收到险情信号时通警报系统213发出声光报警207，根据具体险情启动esd系统210,采取切断区域电源、油泵211释放泡沫、水雾消防物212措施防止险情扩散。本发明对平台主体安全监控用到的数据采集装置的性能、传输数据的无线网络结构、无线网络协议与标准分别做出了详细的叙述。

1)配置检测装置

本发明中自升式平台平台主体所需监控的对象是有毒易燃气体（主要成分硫化氢）、视频、温度，根据监控对象选择相应的检测装置。用于采集数据的检测装置主要是由有毒易燃气体传感器、温度传感器、图像传感器、无线通信模块、电池这几部分组成。传感器用于采集数据，无线模块用于发送数据，电池作为备用电源（根据实际需求选择不同容量的电池，保证备用电源单独供电时能够工作24小时以上）。检测装置各个子部分均采用防护等级ip56或以上，整个检测装置各部分通过电气连接后使用防火防爆材料封装好。对于气体检测装置的安装，需安装在风闸前，确保在可燃气体或硫化氢进入风道前就可以检测到气体并报警，以此关闭风闸。

本发明与其它发明相比其优点在于：使用无线通信的方式完成检测装置的数据传输，省去了冗余繁杂的通信布线，本发明中每个检测装置均内置电池。在发生碳氢气体或硫化氢泄露后，气体探测器是唯一可以探测报警的安全装置，如若发生火灾或者是供电线路出现电火花都有可能会产生剧烈的爆炸。自升式平台一旦发生易燃气体泄露时会因为电气设备工作时产生的电火花引起火灾甚至爆炸，因而为避免引起更严重后果，当中央控制室启动esd系统时第一步通常是在确定险情后切断发生险情区域的电源。本发明中备用电源是与传感器以及无线通信模块三者电气连接外部使用物理材料密封，防火防爆同时也不会引起外界的火灾。在切断险情区域电源后备用电源自启动供电，保证检测装置的正常工作，实现对险情区域的安全监控。此外发生险情时主电源供电线路极容易受损时即使中央控制室不主动切断区域电源，也会因为其他原因主主电源停止供电。由于本发明中采用无线通信的方式发生险情时通信线路不会受到影响，始终保持对整个自升式平台的安全监控。

2)无线网络拓扑结构

本发明中用于无线通信的无线网络拓扑结构如图3所示，接入以太网的无线接收装置300与手持终端设备301作为无线接收设备能够实时的接收到各检测装置传采集到的数据，图中其余设备为带有无线通信模块的检测装置。每个摄像头、温度传感器、气体检测装置均集成有无线通信模块，每个无线通信模块除发送自身数据外还可作为附近其它无线通信模块传输数据时的跳转节点。所有无线通信模块的数据传输不是从上往下也不是从左向右而是根据预先设置的优先级顺序自动搜索附近的无线模块进行数据跳转传输，每个无线设备之间均是无缝连接。通过此无线网络结构实现数据传输包含以下几个步骤：

（1）安装：将各个带有无线通信模块的检测装置安装在自升式平台中适宜的位置，安装原则上要求安全全覆盖、重点区域重点监视。

（2）编址：以拓扑结构图3中的设备为依据进行编制，在自升式平台中的编址根据具体情况编址。编址原则上根据检测装置与接入工业以太网的专用无线接收装置之间信号的强弱进行编址,接入工业以太网的专用无线接收装置设为最高等级装置，以一个最高等级检测装置为例，进行最高等级编址300；与无线接收装置之间无线信号较强的检测装置设为高等级检测装置，以六个高等级检测装置为例，进行次高等级编址310-315；与高等级编址检测装置之间无线信号较强但与最高等级检测装置之间信号较差的检测装置设为低等级装置，以十二个低等级检测装置为例，进行低等级编址330-341；检测装置地址信息不光代表自身与接收装置间信号的强度同时更是代表检测装置自身的实际物理空间地址。

（3）设置数据传递规则：检测装置进行发送数据前检测装置先进行搜索自己信号覆盖范围内其它检测装置，当发现比自己等级高的检测装置时将数据发送给它，若都是与自己同等级的检测装置则将数据发送给自己信号覆盖范围内信号最强的同等级检测装置，并以此类推将数据将数据发送到能高等级编址的检测装置，最终所有检测装置都能够将数据发送到接入工业以太网的专用无线接收装置。以检测装置编址330数据传递过程为例，检测装置330先进行搜索自己信号覆盖范围内的高等级检测装置，可以搜索到检测装置310,检测装置330将数据发送给检测装置310，检测装置310根据同样的规则将数据发送给专用无线接收装置300，如果一开始检测装置330在自身信号覆盖范围内没有搜索到比自身高等级的检测装置都是与自己同等级的检测装置，则将数据发送给自己信号覆盖范围内信号最强的同等级检测装置331或检测装置341，则将数据传送给检测装置，然后再根据相同的数据传递规则传送数据，最终所有检测都将数据发送到接入工业以太网的专用数据接收装置，中央控制室中的工业电脑便可以显示各检测装置的实时数据。

本发明中除中央控制室中工业电脑可以接收到检测装置采集到的数据外手持终端设备301同样也可以访问每个检测装置上的数据，打开手持终端设备后搜索附近的检测装置（搜索范围即图3中圆的大小由手持终端设备本身信号强弱决定），可以搜索到已编址的检测装置，根据需求选择想要访问的检测装置。

本发明此部分的优点在于：传统无线网络结构多使用蜂窝网络和无线局域网（wirelesslan，wlan），这种网络布局容错率低，当主干通信线路出现问题时整个无线系统都会停止工作，非常不适合用于对安全系数要求较高的的工业生产中。本发明提出了一种全新的无线网络结构，整个网络中每一个无线模块除了用于发送和接收自身数据外，还作为一个桥接点使用即作为其它任何一个无线模块传输数据过程中的跳转点，这样即便是一台无线设备出现问题却不会影响到整个系统正常工作。在实际使用过程若想加入新的设备，直接编址后便可以自动并网使用。本发明中提出的无线网络结构可以实现数据采集装置与中央控制室之间无缝连接，减少主干线路使得自升式平台安全监控系统在有线资源下实现通信链路较高的冗余性，提高安全系数，两个无线通信模块之间信号较强使得数据传输过程数据丢包率低。在完成整个安全监控系统的布置后若要加入新的数据采集装置只需对新设备编址既可，并网后便可正常使用使得整个网络有非常好的拓展性。

3)无线网络协议与标准

本发明中自升式平台平台主体安全监控最先考虑的应是安全与实时性，对于无线网络协议与标准的选择上我们有较多的可选择性，现在已有的可供选择的标准化的无线通信协议有：ieee802.11、ieee802.15、ieee802.16、ieee802.20。

a)ieee802.11b/g:其载波的频率为2.4ghz，传输速度为11mbit/s。ieee802.11b是所有无线局域网标准中最著名，也是普及最广的标准。在2.4-ghz-ism频段共有14个频宽为22mhz的频道可供使用。ieee802.11b的后继标准是ieee802.11g其传送速度为54mbit/s。

b)ieee802.11s:是目前最先进的mesh网路，能够提供自主性组态自主修复等能力，当加入新的无线装置时能自动完成安全和服务质量的设置，在数据传递过程中能够自动避开繁忙的接入点，保证更高的传输速度。

自升式平台平台主体检测装置进行无线同行时使用这两种无线网络协议的优点在于这两种网络都具有较高的传输速度与非常好的开放性，使用范围非常广泛，这也为能够二次开发提供了可能，数据传输过程中能够写入一些加密算法提高整个无线网络的安全。自升式平台平台主体布置了很多的视频监控设备，这两种协议在数据传输过程中能保持较高的传输速度，提高了自升式平台安全监控的实时性。这两种通信协议传输距离远、功耗低、网络安全稳定。

本发明中实现了对自升式平台桩靴应力的检测，自升式平台升降过程以及固定在某一高度时都是时刻检测桩靴应力，防止自升式平台发生倾斜造人事故，应力传感器对于自升式平台整体稳定性有重要意义。当自升式平台正常工作时桩靴部分与平台部分距离不固定大多在几百米以上，桩靴部分长时间浸泡在海水中具有非常强烈的腐蚀性，若使用有线通信连接的方式极为不方便。自升式平台升降系统中需要检测桩靴应力，然而桩腿的长度长达300多米，这时使用有线连接便非常的不方便，本发明中提出将应力传感器装置与无线通信模块组合在一起完成数据的采集与传输工程这样便很好的避免走线。装靴应力检测装置结构简图如图4所示，图中包括带有无线通信模块的应力传感器401和接入工业以太网的专用无线接收装置402。桩靴长时间浸泡海水中海水腐蚀性非常强烈，因而所有装置均为完全防水、耐高压、防腐蚀。这里在进行无线通信时使用zigbee协议，zigbee技术是基于ieees02．15．4协议的一种短距离无线通信技术，具有超低的功耗，其可工作在无须申请许可的2．4ghz频段，最大的传输速率可达250kbit／s，在空旷地带传输距离可以达到几百米。

本发明与其它发明相比其优点在于：本发明中提出将应力传感器与无线通信模块相配合使用的方案，能够有效解决拖线(数据线与电源线)过长这一问题，无线网络结构设置简单易于搭建，功耗超低，应力检测装置安装完毕后四至五年不需要维修。桩靴部分直接供电困难电源方面使用锂电池供电，选用超低功耗的应力传感器与无线通信模块。桩靴应力传感器所采集数据量较小不需要较大的传输速率，且基于低功耗考虑这里无线通信协议上使用zigbee，zigbee技术是基于ieees02．15．4协议的一种短距离无线通信技术，最大的传输速率可达250kbit／s，在空旷地带传输距离可以达到几百米。其安全性高、组网简单、功耗超低，具有非常好的开放性，布置好节点后几年内不需要更换电池，非常适合桩靴应力检测这种复杂的环境。

本发明完成自升式平台安全监控的同时给出了当发现险情时所应采取的简单措施，安全监控系统中所有检测装置均事先编址，检测装置向中央控制室发送的数据包含：数据采集装置本身的地址数值、有毒易燃气体浓度、险情警报、温度值、实时影像、桩靴应力。以有毒易燃气体浓度检测为例进行叙述，检测有毒易燃气体浓度的传感器检测到气体浓度大于一定数值时发出报警信息，第一时间数据采集装置会将自身的地址、浓度、险情等级等数据打包好调制后通过无线通信模块发送给中央控制室，同时将自身标记为险情信息节点定时广播自身险情信息，周围工作在正常状态的检测装置不再通过标记险情信息的无线通信模块进行信息跳转。这样可以保证对出现险情的区域重点监控，保证信息的实时性。中央控制室内发现险情信息时可根据检测装置传输过来的数据得出的检测装置的实际物理位置，中央控制室主动搜索报警检测装置防止误报警，确认险情后根据具体险情可采取启动esd系统紧急停车、分区域切断相关设备电源、释放消防物，启动警报系统发出声光报警，调整自升式平台姿态这些措施防止险情事故扩大。