Цифровой океан: упрощение доступа к подводным данным

Том Маллиган • 12 марта 2018

Британский специалист по подводной акустике и цифровой связи Sonardyne International на протяжении многих лет является крупным игроком в оффшорном секторе энергетики. Его технологический портфель был применен к высокоточному позиционированию структур и оборудования, навигации беспилотных аппаратов, цифровых акустических и оптических систем связи, к мониторингу активов и регистрации данных и для подводного изображения высокого разрешения. Ежедневно израсходованные миллионы долларов, компании нефтегазового сектора являются самыми востребованными клиентами, поскольку они ожидают высокий уровень надежности и надежности, высокоэффективные операции и поддержку поставщиков в самых суровых условиях. Именно этот уровень ожидания побудил Sonardyne исследовать и развивать новые коммуникационные технологии для использования в подводной среде.

Морская безопасность также является ключевым рынком для компании с технологическими и прикладными вариациями по аналогичной теме с нефтегазовым сектором, что демонстрирует адаптируемость ее технологий для более широкого круга различных областей применения, включая науку о океане, разведку , аквакультуры и других подобных рынков.

Технологические платформы - Акустика

Sonardyne разработала лидирующую в отрасли широкополосную цифровую коммуникационную платформу, на которой основаны большинство акустических систем компании, которая теперь находится в шестом поколении (6G). «Пин-ап» для этой технологии является Computing and Telemetering Transponder (Compatt 6), высоко адаптируемый и настраиваемый инструмент, который используется в широком спектре приложений. Он состоит из акустического преобразователя с различными частотными диапазонами и широтно-импульсной широтой, усовершенствованными процессорами, батареями, дополнительным механизмом освобождения и набором наукоемких датчиков. В общей сложности существует более 3000 возможных конфигураций Compatt 6. Вот некоторые из способов их использования:

Позиционирование. Развернутый с другими транспондерами на морском дне, Compatt 6 используется в качестве эталона для позиционирования Long BaseLine (LBL), что аналогично поведению над глобальным глобальным позиционированием, то есть GNSS. LBL использует диапазоны, измеренные акустическими «пролетными» расчетами, для определения с высокой точностью положения транспортного средства или структуры с использованием трилатерации. Compatt 6 также может использоваться в приложениях динамического позиционирования судна (DP) с использованием приемопередатчика Ultra-Short BaseLine (USBL), развернутого из сосуда, диапазоны акустических диапазонов, измеренные от ссылок на дно, используются для поддержки станции хранения резервуара / нефтяной установки над маслом скважина или подводная структура. Наконец, в качестве мобильного транспондера Compatt T6 может быть прикреплен к транспортному средству или конструкции для акустического опроса сети LBL Compatt 6s для расчета ее положения или ее можно отслеживать с поверхности с помощью USBL.

PIES - Блок с инвертированным давлением эхолота (PIES) представляет собой вариант Compatt 6, который получает среднюю скорость звука водяного столба, измеряя как давление, так и время, затраченное на то, чтобы передаваемый акустический сигнал отражался от поверхности моря. Устройство также способно измерять другие океанические свойства, такие как локальная температура, изменения глубины / прилива, мощность единицы / вал и время автономной работы устройства. Устройства PIES хранят обработанные и необработанные данные на внутренней карте памяти: эти данные могут быть восстановлены акустически (например, с проходящего подводного транспортного средства или с поверхности), в то время как приемоответчик развернут или восстановлен последовательно после того, как устройство будет удаленно выпущено и возвращено обратно поверхность.

Автономный мониторинг . Автономный контрольный транспондер (AMT) обладает всеми функциональными возможностями Compatt 6 с добавлением автономных протоколирования и обмена текстовыми сообщениями и может быть настроен для автономного регистрации данных датчиков и базовых данных через определенные пользователем интервалы. Данные записываются на SD-карту, которая извлекается акустически, в то время как приемоответчик все еще развернут или последовательно после восстановления приемоответчика, что делает систему полезной для таких операций, как долгосрочный мониторинг отложения морского дна и движения тектонической плиты.

Fetch - беспроводная автономная система регистрации датчиков Sonardyne Fetch обеспечивает те же функции, что и приемоответчик AMT, но размещается в стеклянной сфере, чтобы обеспечить отличную коррозионную стойкость для долгосрочного развертывания. Конструкция корпуса и встроенного стенда позволяет инструменту быть «свободным падением», предназначенным для посадки в вертикальном положении, тем самым уменьшая время и стоимость развертывания. Основными приложениями для блоков AMT / Fetch являются деформация морского дна и мониторинг окружающей среды, а также отслеживание тектонических сдвигов пластин, подводных землетрясений и, когда они связаны с буем наземного коммуникационного шлюза, обнаруживают цунами.

Подводный анализ и запись транспондера (SMART) - SMART был разработан для охвата сложных приложений мониторинга активов. Также в линейке продуктов Sonardyne Sixth Generation (6G) система сочетает в себе маломощную электронику, долговременную регистрацию данных, подводную обработку данных и акустическую телеметрию в единый, легко развертываемый инструмент. SMART обладает гибкостью для взаимодействия с широким спектром внутренних и внешних датчиков и других источников данных с использованием стандартных или специализированных алгоритмов анализа данных, чтобы предоставить операторам ключевые данные, когда они необходимы.

Расширенные возможности, предоставляемые SMART, позволяют использовать технологию как в качестве первичной, так и в резервной подводной системы мониторинга для решения целого ряда задач, таких как мониторинг подводных структур, включая головки скважин и стояки. Система также может быть сконфигурирована для наблюдения за швартовыми линиями и трубопроводами как для ввода в эксплуатацию, так и для долгосрочного мониторинга. Фактически, благодаря своей способности взаимодействовать с большинством источников данных, SMART может использоваться практически везде, где должна быть доступна информация о производительности или состоянии подводных активов.

SMART включает в себя цифровые и аналоговые входы, которые можно настроить для подключения к нескольким источникам данных. Внутренние датчики, доступные для измерения движения, включают в себя акселерометры, датчики угловой скорости и инклинометры, а также стандартные и высокоточные датчики давления и температуры. Внешние датчики, которые могут быть сопряжены, включают датчики давления, тензодатчики и акустические доплеровские профили. Для более специализированных приложений могут быть созданы пользовательские интерфейсы для связи с такими инструментами, как мониторы коррозии или инструменты для измерения вибрации.

Маломощный регистратор данных является ключевой особенностью SMART, позволяя безопасно архивировать данные, полученные из внешних и внутренних источников. Ключевым преимуществом SMART является его способность обрабатывать необработанные данные в подводной среде для предоставления информации с добавленной стоимостью, в то время как передовая система сбора и обработки данных, являющаяся сердцем SMART, содержит высокопроизводительный процессор, который может выполнять сложные пользовательские алгоритмы и выполнять простые анализы данных, такие как минимальная / максимальная / средняя статистика и пороговое значение для аварийных сигналов и отчетов о критических событиях. Уменьшая данные датчика высокой пропускной способности до небольших критических пакетов и эффективно управляя энергопотреблением, из внутреннего аккумулятора можно добиться длительного времени развертывания, тем самым повышая знания пользователей о подводной среде.

Кроме того, когда поверхностный анализ телеметрических данных требует более тщательного анализа параметров датчика, SMART позволяет акустическое восстановление необработанных данных с заданных временных диапазонов. В качестве альтернативы, систему можно подключить через Ethernet-соединение к BlueComm (высокоскоростная оптическая линия связи со стороны Sonardyne), позволяя извлекать большие объемы данных из ROV или AUV. Все зарегистрированные данные могут быть загружены из безопасного хранилища, когда устройство будет восстановлено.

Суть SMART - гибкость и настраиваемость, а возможность подключения к различным датчикам и источникам данных является неотъемлемой частью линейки продуктов SMART. Однако это не единственные варианты: SMART доступен в ряде материалов из алюминия и алюминиевой бронзы через сверхдуплексную нержавеющую сталь для максимально возможной коррозионной стойкости. Другие варианты включают более длинные корпуса «maxi» для увеличения емкости аккумулятора и различных типов разъемов, и, если требуется, в систему мониторинга могут быть добавлены другие функции, включая акустическое позиционирование.

Технологические платформы - оптическая связь

В дополнение к разработке акустических технологий, Sonardyne в последние годы перешла в область оптических коммуникаций свободного пространства, успешно вывела на рынок высокоскоростные подводные модемы.

Bluecomm - BlueComm - это беспроводная оптическая система связи, которая была разработана для передачи подводных данных, потокового видео и управления бессистемным автомобилем на очень высоких скоростях. Семейство модемов BlueComm в настоящее время состоит из трех вариантов: BlueComm 100 оптимизирован для работы в условиях недостаточной освещенности и имеет хороший баланс между скоростью передачи данных и диапазоном; BlueComm 200 отправляет данные со скоростью до 12,5 Мбит / с и подходит для глубоких или ночных операций; в то время как двойная лазерная конфигурация BlueComm 5000 поддерживает скорость передачи данных до 1000 Мбит / с.

BlueComm использует электромагнитный спектр, а не волны акустического давления для передачи больших объемов данных. Как правило, работающая в голубой области спектра 450 нм, BlueComm может достичь скорости передачи данных более 500 Мбит / с. Эта технология оптической передачи данных является высокоэффективной, что позволяет передавать 1 Гб данных с энергией, содержащейся в одной ячейке с размером лития D, на расстояниях более 150 метров.

Приложения для Bluecomm обширны: используются в сочетании с акустикой Sonardyne, данные с низкой пропускной способностью могут передаваться акустически (например, путем включения оптики удаленно), а данные с высокой пропускной способностью, такие как файлы данных видео или сонара, могут передаваться с использованием оптический метод. Данные из центров хранения данных морского дна или транспортных средств сбора данных могут собираться AUV, а затем передаваться в ASV или пилотируемые наземные устройства для передачи на наземные станции через спутник.

Инерционные системы. Чтобы дополнить свои современные акустические системы и обеспечить наилучшие возможности позиционирования для подводных транспортных средств, Sonardyne разработала собственные инерциальные системы Lodestar и SPRINT. Lodestar - это комбинированная твердотельная система ориентации и ориентирования (AHRS), которая может быть модернизирована, чтобы стать акустически-инерциальной навигационной системой SPRINT. Устройство состоит из трех высококачественных, высоконадежных, коммерчески доступных кольцевых лазерных гироскопов (RLG) и акселерометров. Используемые датчики являются стандартом для коммерческой авиации и имеют проверенный опыт более 15 лет и среднее время между отказами (MTBF) более 400 000 часов.

Lodestar AHRS поддерживает серийные, Ethernet и отраслевые телеграммы для упрощения взаимодействия и расширенные возможности, такие как ускорение и скорость вращения. Встроенные функции хранения данных и резервного аккумулятора гарантируют непрерывную работу и потерю данных, даже если связь или внешний источник питания теряются.

SPRINT представляет собой акустическую подводную инерциальную навигационную систему для подводных транспортных средств, которая обеспечивает оптимальное использование данных акустического сопровождения с акустического позиционирования USBL и LBL, а также других датчиков, таких как Sonaryne's Syrinx Doppler Velocity Log (DVL) и датчики давления. Это улучшает точность, точность, надежность и целостность положения, сокращая время работы и стоимость судна. Система расширяет эксплуатационные пределы передачи USBL и может значительно повысить эффективность работы систем LBL. Новый модуль SPRINT третьего поколения Sonardyne предлагает передачу мощности на вспомогательные датчики, тем самым уменьшая сложность кабелей и сопряжение.

SPRINT использует ту же аппаратную платформу, что и Lodestar, и представляет собой комбинированную систему AHRS и INS: одновременное использование алгоритмов AHRS и INS позволяет инерциальной навигации запускать или перезапускать мгновенно при получении обновления местоположения, поскольку AHRS плавно обеспечивает ориентацию на INS on во избежание длительного периода выравнивания, общего для других систем INS. После этого отдельные автономные AHRS- и INS-ориентированные ориентации контролируются автономно в качестве индикатора состояния системы.

Уровни точности, предоставляемые акустической системой INS SPARINT-Nav от Sonardyne, теперь позволяют операторам проводить мобильное подводное лазерное картирование и метрологию. Сообщалось о том, что время сбора данных и время сбора данных значительно сокращаются, а результаты после обработки, полученные в ходе многочисленных испытаний и экспериментальных проектов, завершенных в 2017 году, сообщаются как отвечающие всем требованиям пользователей.

Будущие вызовы

Проблемы, которые еще предстоит решить, для завершения внедрения автоматизированной подводной навигации, позиционирования и центра связи вокруг достижения эффективности операций и использования небольших судов. Например, введение автономных надводных кораблей (ASV) будет представлять собой изменение культуры, при этом случаи безопасности оператора, основанные на резервировании и резервных системах для управления судами в случае сбоя или ошибки спутниковой навигации. Другие проблемы включают внедрение и успешное внедрение систем предотвращения столкновений.

Sonardyne может предоставить полный набор интегрированных систем, необходимых для морской автономии. Платформы, такие как инструмент AvTrak 6, оптимизированный для AUV, используют акустические системы компании для обеспечения междугородных и двусторонних данных с низкой пропускной способностью и передачи данных, в то время как самые длинные расстояния достигаются с помощью ретрансляторов акустических реле, тем самым значительно увеличивая рабочие диапазоны автономных судов. Телеметрия данных местоположения из систем USBL может быть отправлена ​​в процессор навигационного решения INS подводного транспортного средства как часть обычной связи отслеживания, а информация о состоянии AUV может быть отправлена ​​обратно через тот же процесс. Эта же телеметрия может использоваться для управления системами на AUV, таких как те, которые обновляют миссию, или для изменения настроек датчика включения / выключения или оптических модемов. В случае отказа транспортного средства AvTrak 6 также будет действовать как маяк аварийного локатора, перейдя в режим ожидания, чтобы сохранить свою независимую батарею, и он проснется и ответит на допросы любой системы Sonardyne 6G.

Где дальше?

Sonardyne является новаторской цифровой океанографической технологией уже более четырех десятилетий, но список приложений для технологии компании растет в годовом исчислении, особенно когда речь идет о автоматизации и удаленных операциях.

Современные технологии могут высаживать космический корабль на астероиде или летать один через кольца Сатурна с контрольной станции на земле, и поэтому Сонардин полагает, что работа подводного гула в океанах Земли легко находится в пределах человеческого потенциала. Компания подчеркивает, что с меньшим количеством людей (или вообще нет) в море предоставление полезных данных для контроля, мониторинга состояния и сбора данных имеет первостепенное значение, но признает, что работа в океане или под ним представляет значительные технические и экологические проблемы.

Sonardyne также указывает, что линии связи не являются соединениями «точка-точка», но они полагаются на несколько систем, работающих вместе, работающих в разных средах и изменяемых средах и с различной пропускной способностью через Интернет, связанных через волоконную оптику, спутники, короткие -волновые или локальные Wi-Fi-сети, акустические модемы, оптические модемы, Ethernet-соединения и локальные сети с множеством форматов данных, протоколов и операционных систем, которые инженеры должны каким-то образом объединить, чтобы обеспечить бесперебойную связь, ожидаемую пользователями. Таким образом, основной задачей обеспечения эффективной интеграции сложных систем является взаимодействие, а компании цифровой связи работают вместе, чтобы обмениваться информацией и согласовывать стандартизированные строки данных и протоколы. Авиационная и автомобильная промышленность продемонстрировали успех, который можно достичь, работая таким образом, и Сонардайн считает, что все разделы морской индустрии технологий выиграют от совместного рабочего подхода: цифровой океан уже здесь - это до глобальному морскому сообществу, чтобы сформировать его таким образом, который приносит пользу росту отраслей, которые будут его использовать.

(Как опубликовано в марте 2018 года издание « Морской репортер технологий» )