基于LoRa无线物联网通信的海上作业人员定位系统研究

郭建新 李智 黄祥声 李达

我国海上风能资源丰富，依托于技术进步及政策扶持，目前，海上风电场建设已经进入加速发展阶段。与此同时，海上风电工程建设中存在的施工人员对于海上求生和安全技能掌握水平参差不齐、海上信息孤岛、海上气象条件复杂等问题愈加凸显。因此，对海上风电施工及维护人员的安全监控管理和应急救援管理方式进行优化是一项极其重要的工作。

目前，涉海工程项目救援定位工作主要依靠北斗定位通信链路技术和AIS-MOB（AIS便携式应急示位标）技术来实现。海上作业人员日常定位管理主要通过使用射频RFID或者二维码主动打卡方式实现，但因作业人员经常存在漏打卡情况，而导致日常作业统计不准确。AIS-MOB作为AIS-SART技术的应用延伸，主要安装于个人救生衣或随身携带，在遇险时发出个人报警信号和位置信息等，附近船舶通过船舶上配置的AIS系统开展搜救工作。根据国际海事组织（IMO）的相关规定，AIS-MOB设备需要配置唯一的9位标识进行统一管理，受到标识数量的限制，AISMOB主要作为遇险搜救定位终端。基于北斗系统全球定位覆盖、精确授时和短报文远距离传输的特点，其在海洋工程项目人员管理和人员定位搜救等方面已经开展应用，但由于北斗短报文通信费用较高和高精度定位需要收费等原因，出于成本考虑，其并不适于大规模部署应用。

随着物联网技术的兴起，LoRa无线物联通信技术受到越来越多的关注。LoRa网络在城市路灯管理、城市资产定位、共享单车追踪定位、社区门禁和远程抄表等场景中得到广泛应用。由于人员定位对于数据传输量要求并不大，定位工卡接收到的定位信息可以通过LoRa无线物联网技术进行数据传输，因此，本文提出基于北斗卫星定位技术+蓝牙定位+LoRa无线物联网通信的海上人员定位系统，该系统可以实现海上人员日常自动定位，消除漏打卡现象，降低通信成本，且不需要占用公共资源。

项目概况及需求分析

兴化湾海上风电场中心离岸距离为5km，风电场海域覆盖面积约40km2，海上施工期涉及船舶数量最多可达20艘，涉及人员数量最多可达100人。由于海上通信信号不稳定，部分作业人员海上求生和安全技能掌握水平不高，海上应急救援力量不足。通过物联网技术推进人与人、人与物、物与物全面联系的智慧海上风电场的建设，可对海上作业人员进行实时定位，及时掌握人员状态信息，进而实现对人员的安全行为管理、精准定位管理和应急救援管理，为海上风电工程安全施工提供技术支持和保障。在人员定位管理系统开发的过程中存在以下几个技术难点：

（1）离岸较远，4G网络无法覆盖，需要自组网。

（2）海上风电场施工海域广阔，在选择网络的时候需要考虑覆盖范围广的单基站。

（3）海上施工环境恶劣，不便于布网布电，需要减少部署基站数量，减少布网布电工程。

（4）海上施工期船舶数量和人员数量众多，需要采用能够支持多终端接入的系统网络。

（5）海上人员主要依托船舶完成各作业平台直接的运输，需要在高速移动过程中保证通信的稳定性。

（6）海上作业人员出海作业随身携带工具较多且作业时间长，定位终端设备需要具备便携性和低功耗、长待机的特点。

（7）需要以低成本的组网方式开展人员定位管理。

LoRa无线物联网通信的适用性分析

LoRa是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。LoRa基站之间组网符合LoRaWAN協议，LoRaWAN是LoRa联盟推出的一个基于开源MAC层协议的低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）标准。LoRaWAN网络架构是一个典型的星型拓扑结构，在这个网络架构中，LoRa网关是一个透明传输的中继，连接终端设备和后端中央服务器。网关与服务器间通过标准IP连接，终端设备采用单跳与一个或多个网关通信，所有的节点与网关间均是双向通信。

LoRa通信系统包括数据采集节点（定位标签）、传送网关（基站）、网络服务、用户业务应用服务四个部分：系统首先完成对用户传感设备的数据采集，并将数据通过LoRa无线网络传送到LoRa网络服务器，然后由用户业务应用服务器与用户应用系统对接，完成数据上报。

LoRa技术可满足海上人员定位管理对于远距离、少布网、多终端接入、低功耗、高稳定性和低成本组网等技术的需要，其具备的技术特点如下：

（1）单基站覆盖范围广。在城市环境中可以达到2～3km的通信距离，在郊区环境中可以达到5～10km。在良好天气情况下，实测海上LoRa单基站（安装高度60m以上）覆盖半径可达15km。

（2）支持多信道多数据速率的并行处理，系统容量大。理论上，每个网关每天可以处理500万次各节点之间的通信（假设每次发送10Bytes，网络占用率10%），只需要少量的网关基站即可支持终端之间的远距离传输。

（3）LoRa物联网通信网络弱电施工成本非常低，只有少数LoRa基站网关需要供网供电，特别适用于海上不适合布网布电的环境。

（4）通过LoRa物联网通信网络进行数据回传，无线数据采集不依托运营商2G/3G/4G网络或者WiFi网络。

（5）数据采集稳定、可靠。通过间歇工作模式控制，支持将海量终端连接到中心平台，实现平台和设备之间数据采集和命令下发的双向通信。

（6）高接收灵敏度、低功耗。LoRa使用线性调频扩频调制技术，接收灵敏度最高可达-148dBm，在20dBm的发射功率下，链路预算高达168dB；其接收电流仅10mA，待机电流20μA，大大延长了电池的使用寿命。

（7）相比于GSM/GPRS数据采集系统，LoRa主要在全球免费频段运行，包括433、868、915MHz等，因此，不会产生运营商通信费用，可实现低成本自组网络。

海上作业人员定位系统网络架构

本项目LoRa组网技术采用星型组网方式，终端节点和网关可以直接进行数据信息交互。每个基站同时接收16路数据，减小了大量节点上行时数据冲突的概率。遵循LoRaWAN协议规范，可交叉组网，使用CN470-510MHz频段。基于LoRa线性扩频调制技术实现点对点的远距离传输，适合在需要部署少量基站且满足大范围海域覆盖的情况下应用。

本系统主要由人员定位工牌、船用网关、蓝牙（iBeacon）信标、LoRa通信基站、物联网云服务器和应用服务器等组成。

一、定位工牌和蓝牙信标

本系统通过海上工作人员佩戴基于北斗/GPS卫星定位和蓝牙定位技术的定位工牌，进行实时定位。定位工牌在海上风电海域及码头空旷区域接收卫星信号进行定位，在无北斗/GPS卫星信号的密闭区域内，接收部署的蓝牙信标信号进行定位标定，系统根据蓝牙信标的位置自动绑定人员所属区域。

1. 室外卫星定位技术

二、LoRa通信基站和船用网关

采用LoRa无线物联网通信技术，通过布设在产业园楼顶、海上风电机组和船舶等区域的基站和船用网关，与每个海上工作人员佩戴的电子定位标签进行实时通信，接收定位信息，并发送控制命令。

在船舶区域，工卡与船用定位网关的通信采用点对点LoRa通信模式，在接收到船用蓝牙信标的激活信号后，工卡借助船用定位网关跟基站通信，平台根据此信息获取船舱内工卡的实时定位信息。

三、物联网云服务器和应用服务器

LoRa基站可以通过移动运营商网络连接到云平台服务器，经云平台服务器计算和处理后，在PC端显示人员定位信息，实现监控人员对海上风电场现场人员定位信息的实时监控。

海上作业人员定位系统功能设定

本系统集成了室外北斗/GPS定位，室内蓝牙低功耗定位技术，通过将其与LoRa低功耗物联网通信相结合，实现对各种场所人员及资产的定位追踪。符合LoRaWAN标准的LoRa通信网关可以接入5～10km内上万个无线传感器节点，其效率远远高于传统的点对点轮询的通信模式，也能大幅度降低節点通信功耗。船用LoRa网关每秒可以采集20组iBeacon信息，30秒上传一次船上标签信息，所以，每艘船可以保证上百人的iBeacon标签信息采集。

海上人员定位系统功能设定如图3所示：通过部署LoRa基站自组网络，实现从码头到海上风电场的信号覆盖，对现场作业人员携带定位工卡乘船从码头出发到达风电机组平台、完成作业后再回到施工码头的全过程进行跟踪，定位轨迹应用效果如图4所示；通过设置电子围栏，可实现对特定区域人员安全行为的管理；当发生应急事件时，通过对人员的数量统计，查看人员集结情况，并通知船舶开展应急救援，实现人员应急救援管理。

结论与探讨

本文在充分了解海上人员定位管理需求的基础上，探讨了 LoRa 无线物联网通信技术在海上人员定位系统中的应用，通过该定位系统可提升对海上人员信息的管理效率、降低管理成本。随着海上风电项目的规模、水深及离岸距离的增加，应对系统进行不断的优化及提升。结合当前的研究成果，今后研究的重点方向包括：

（1） 本文仅针对离岸20km海域项目开展研究，今后可以对系统的环境适应性予以重点研究，让系统能够适应不同的环境，实现其在离岸40～80km项目上的应用。

（2） 本文并没有将系统中基站及网关的数量与最佳部署位置作为重点进行研究，后续可以对定位数据的稳定性和系统节点的部署成本开展深入研究。

（3） 可以对LoRa通信技术进行功能拓展的研究，实现其在海洋资产管理、海洋信息传输方面的应用。

（作者单位：郭建新，李智：长江三峡集团福建能源投资有限公司；黄祥声，李达：福建省新能海上风电研发中心有限公司）