基于LoRa技术在海洋石油出海物资承载具监控跟踪中的应用与实现

王爱民，王 颖，赵 林

（1.中海油能源物流有限公司，天津 300450；2.中海石油气电集团有限责任公司，天津 300450）

0 引 言

物联网（IoT）是新一代信息技术的重要组成部分，使信息化时代进入重要发展阶段，近几年在各行各业发展迅速。随着低功耗广域网技术的成熟与发展，LoRa、NB-IoT等有源通信技术在工业级物流行业的应用场景不断拓展。LoRa技术聚焦于低功耗覆盖广的应用场景，具有覆盖广、连接多、成本相对低、功耗少、架构优等特点。低功耗、低成本的特点使得其终端侧的5Wh 电池寿命能够达到10年，低带宽、低功耗和低速率的特点为LoRa网络带来低成本优势。LoRa工作在1 GHz以下的频段（中国主要使用470～518 MHz），无须申请即可进行网络的建设，故在应用时不需要额外支付通信费用。本文结合物联网LoRa技术的特点，将其部署应用在出海物资承载具、海上平台及基地码头等物流运输节点，实现LoRa网络下出海物资承载具的平台区域定位。

1 业务现状及问题的提出

在海洋石油勘探开发生产过程中，海上物资的保障是为生产服务的关键，大量不同种类的生产、生活物资需要出海，物资承载具的调配和管理是油气服务供应商需要面临和解决的问题之一。物资承载具主要有托盘、吊笼、料箱及绑扎吊锁具等。由于行业的特殊性，海上油气生产由多家服务商共同服务，承载具没有统一的标准，分别属于不同服务商进行管理，存在滞留、周转效率低、无效运转等问题，造成了作业船舶及基地作业资源的浪费。由于海上区域广，平台在海上相对分散，对于承载具的跟踪管理的需求主要是跟踪到某海上平台或某作业区域即可，无须精确定位在海上平台的具体位置；通过对当前管理需求的系统性分析，结合行业业务痛点，利用低功耗广域网技术LoRa实现承载具的跟踪管理与目前业务相吻合，可以有效实现承载具供应链的管理。

2 系统的应用设计

通过架设低功耗窄带物联网网关，集中部署核心网，网络覆盖主要海上石油平台区域和基地，在承载工具上安装基于物联网技术的定位终端，建设一套基于物联网技术的定位管理系统。由于带宽较窄、多径的影响较大，且信号强度低，在深度覆盖的场景下信号的测量精度必然不佳，限制了定位精度的提升。系统应用解决方案的构架如图1所示。

图1 系统应用解决方案的构架

2.1 终端监控环节

承载具经常需要进行周转和重复利用，装卸船、吊装至平台的操作频率较高，这对监控设备的大小、防潮湿和防爆性能要求较高。在设计时需要考虑设备及电池的寿命，以及影响信号的天线等因素，外观设计同样需要考虑防碰撞、防潮、防盐雾以及防爆的要求；在安装时需要考虑安装的位置及对信号屏蔽的影响等因素。由于承载具的出海周期较长，对于维护的便利性受到影响，本次设计的终端设备体积小，但电池容量可连续供电12个月，减少了维护成本；在设备传输和定位机制方面，采用“唤醒握手”机制来确定终端的位置，即网关收到本终端的ID后就认为此设备在网关区域内，由此来判断设备的区域位置信息，这样既节省了耗电，也能满足区域定位的要求。

2.2 网关基站部署环节

由于海上区域广阔，海上平台分布又比较分散，本系统设计在海上平台部署网关基站用以收集附近终端数据，实际测得网关覆盖的范围是在海上空旷条件下覆盖约8 km。根据这一数据，对海上平台的点位进行规划设计和部署，满足每个区域均有所覆盖、无盲区；同时，在陆地码头出海及仓储范围内同样部署网关设备，可以监控设备在陆地上的分布情况。设备识别原理示意图如图2所示。

图2 设备识别原理示意图

3 系统的应用功能

基于物联网技术的承载具定位管理系统，实现了承载具跟踪管理，主要包括工具统计、实时监测、历史追溯、报表分析等功能模块。

工具统计：在系统中录入周转工具信息，如工具类型、工具名称、工具编码、检验检测信息等。实现可按照工具类型、工具编码进行查询，如查询编码以01、02、L开头的工具；实现可按照工具资产所属查询，如查询某基地资产的所有工具。

实时监测：通过物联网核心服务平台提供终端设备位置信息数据、监测设备位置，设备可在GIS地图上显示；可查询各个码头、厂区、平台等地各类工具数量。在GIS地图上框选范围，如平台或码头，可显示框选范围内相关工具的位置。用户可设置丢失时长，为超出丢失时长的设备发出丢失预警提示，为承载具追踪提供便利。在平台区域，某一设备滞留时间超过15天，会发出滞留预警提示，其中滞留时间可由用户自行选择。

历史追溯：车辆当天或一周内的历史运动轨迹可查询，可查询90天的历史轨迹。

报表分析：以报表、图形等形式展现数据信息，可按时间对码头、平台分别进行货物工具往来数据统计分析，还可统计设备滞留时间、丢失位置。

4 实际应用效果

系统建设完成后，在海上建设了100多个网关基站，应用于某公司全部承载具的跟踪定位，实现了渤海区域的全程跟踪。系统可对某型号承载具进行详细的数据统计分析以及有效管理；同时，通过系统获取的位置数据与实际设备位置数据的准确率达到90%以上，通过每20个终端的测试共测得准确率数据20组，实验周期为3个月，见表1所列。

表1 准确率分析

为满足更精确的定位需求，可以通过蓝牙信标的方案实现在小范围区域的准确定位的计算和位置信息获取，实验数据采集了20个信标、20个定位终端的数据，统计了30万次定位记录，与真正的GPS定位结果进行比较，结果见表2所列，其中A10、A20分别代表实际距离与北斗定位的误差小于10 m、20 m的比例。

表2 真实精确位置信息对比分析

5 结 语

本文主要以LoRa物联网在承载具区域定位技术的应用研究为基础，结合实际现有管理模式，在此基础上开发相应的终端设备、软件应用框架，通过构建系统，解决实际供应链上物联网应用的相关痛点问题。根据测试数据和实际应用情况，发现利用LoRa网络实现的低维护成本、低功耗的终端定位设备解决了长期需要供电或频繁维护的定位终端问题，一定程度上提高了对承载具的管理和统计。对于定位精度高的需求，通过设计蓝牙信标方式提供了较好的解决方案，具有很高的应用价值。