基于BDS的可燃冰開采環境監測與評估系統設計

曹宇，方會凌，趙永旗，崔海朋

(1.上海海洋大學工程學院，上海 201306；2.上海海洋可再生能源工程技術研究中心，上海 201306；3.中油管道物資裝備有限公司，河北廊坊 065000；4.青島杰瑞工控技術有限公司，山東青島 266061)

0 引言

天然氣水合物（NGH），俗稱可燃冰，在標準情況下，1 m3的NGH能夠釋放出164m3的甲烷氣體[1]，是一種新型清潔替代能源.隨著傳統化石能源的緊缺，NGH以污染少、能量密度高、儲藏量大等優點，成為國家能源戰略計劃發展的重要目標[2].由于貯藏條件和環境因素的制約，NGH的開采尚未能進入商業化階段，而且在開采過程中，有諸多不確定的風險因素，容易造成甲烷氣體的滲漏，或產生嚴重的地質災害如海底滑坡，因此，需要對水合物的開采過程建立穩定的監測機制，包括開采前的環境基準監測、開采過程中環境變化監測、開采后環境恢復監測，及時規避風險并且將對環境的影響降到最低.

目前，對海底水合物開采主要采用現場原位監測技術，這是由現代傳感器和深水鉆探技術的進步發展起來的，但尚未能結合海底監測網和通信技術的發展，開展深海的大范圍、長時間實時監測.未來的發展趨勢是監測和評估NGH對海洋環境和海底工程的影響，預測災害趨勢[3].由于開采過程中甲烷泄露引起的環境風險識別，監測與評估目前尚處于前期階段，因此建立穩定的開采環境監測與評估可視化系統，對安全生產、風險識別與防控具有非常重要的意義.

北斗衛星導航系統（BDS）以其獨有的短報文通信功能，成為全球首個通信一體化的導航定位系統，在電力行業、海上作業、航空安全、燃氣等領域應用十分廣泛[4].張麗珍等[5]設計了一套基于BDS的蝦塘投餌管控系統，本文以BDS短報文通訊方式為基礎，設計了基于BDS的海底NGH開采環境監測與評估可視化系統，利用海下布置的各類傳感器，將甲烷、二氧化碳、壓力、溫度、海流速度等參數通過BDS短報文功能傳輸到用戶終端，并根據轉化的信息參數形成監測曲線與報警機制，對水下開采環境進行實時監測與風險評估.

1 系統總體結構設計

NGH開采環境監測與評估系統基于Unity3D技術開發方式，采用跨平臺的Unity場景展示引擎，設計友好操作界面，內建NVIDIA PhysX物理引擎、粒子系統，并提供網絡多線的共用功能.本系統主要分為三部分：服務器端、客戶端和數據庫.其中，服務器端主要實現數據分析、數據計算、數據通信等功能；客戶端負責數據庫通信并利用Unity3D技術展現由服務器計算匯總后的傳感器數據；數據庫采用M ySQL關系型數據庫管理系統，方便用戶進行二次開發及維護.

海底可燃冰開采可視化監測仿真系統主要以大氣、海水、海床、可燃冰開采平臺及立管為背景模擬可燃冰開采過程中甲烷泄露對環境的全面影響效果，通過展現大氣、海水、海床、井下的各時間點傳感器采集數值的變化，并根據預警級別標注顯示，點擊任意場景可顯示對應的傳感器數據分析曲線及受影響的災害情況.系統總體結構設計圖如圖1所示.

圖1 海底可燃冰開采可視化監測仿真系統總體結構設計圖

1）數據采集層

主要包括數據導入、實時監測數據采集、數據組織與管理、生產管理等功能.

數據導入：數據導入功能是系統與其它系統實現數據交換的接口，具有開放性的特點.

實時監測數據采集：主要包括環境監測數據、設備狀態數據和傳感器設備信息等，對這些數據進行采集是系統實現可視化環境監控的基礎.

數據組織與管理：系統的三維可視化和環境要素的三維直觀展示、交互式表達、再現和趨勢分析等數據服務功能都取決于數據模型和組織方式.

生產管理：提供生產過程中產生的實時信息（包括安全信息、設備狀態等）的查詢、統計和分析，輸出各種統計分析報表，實時查詢各種設備的狀態，發布報警信息等.

2）數據存儲和管理層

數據存儲層向數據存取層提供的接口是由定長頁面組成的系統緩沖區.關系數據庫管理系統利用系統緩沖區緩存數據，當數據存取層需要讀取數據時，數據存儲子系統首先到系統緩沖區中查找.其中緩沖區管理中主要算法是淘汰算法和查找算法，操作系統中的淘汰算法有先進先出算法（FIFO）、LRU等，查找算法用來確定所請求的頁面是否在內存，可采用順序掃描、折半查找、hash查找算法等.

3）應用支撐與服務層

該層是將分散、異構的應用和信息資源進行整合，通過統一的訪問入口，實現結構化數據資源、非結構化文檔和互聯網資源、各種應用系統跨數據庫、跨系統平臺的無縫接入和集成；提供一個支持信息訪問、傳遞、以及協作的集成化環境，實現個性化業務應用的高效開發、集成、部署與管理；并根據每個用戶的特點、喜好和角色的不同，為特定用戶提供量身定做的訪問關鍵業務信息的安全通道和個性化應用界面，使用戶可以瀏覽到相互關聯的數據，進行相關的事務處理.

4）三維可視化與仿真監測模塊

①虛擬海洋環境場景

利用虛擬現實、并行計算和可視化等相關技術來仿真和模擬海洋現象的時空分布與運動.主要包含?？战?、海表建模、海洋目標物實現、海洋水體建模和海底地形實時繪制等.

②海水環境狀態可視化

海洋環境場可視化一般是利用離散的、數量較少的環境采樣數據以三維的形式直觀表現出海洋水體環境場景的分布情況，目的是為專業人員進行相關分析提供可靠的依據和直觀的分析手段.海洋環境要素（海流速度、海溫、鹽度、壓力、甲烷含量等）可視化以海洋環境場景作為載體，可以根據需求加載不同的海洋環境信息服務并集成.

③甲烷氣體泄漏過程的水下可視化

甲烷氣體泄漏過程的可視化表達需要以海洋水體為載體，同時要將海床、海底地形、各類實體模型等融合在同一場景中.海底地形以水深為基準，考慮到漫游和瀏覽的需要，可不考慮真光層深度.為了強調甲烷氣體泄漏過程中空間分布的變化，用氣泡升降與形狀變化模擬甲烷氣體運動軌跡及其與海水的動態交互過程，以此表達甲烷氣體泄漏過程的分布特征.

④甲烷氣體泄漏的水上可視化

為了增強演示效果來取得最佳的可視化場景展示，采用超現實的方法，利用虛擬手段來模擬甲烷氣體泄漏過程.

⑤海底滑坡災害模擬

構建典型海域海底地形地貌特征模型，將水合物儲存區及海底地層視為一個系統，針對其平面失穩問題建立力學模型，運用勢函數突變模型建立海底塌方、海底滑坡模擬算法，并進行海底塌方、滑坡和地層沉降情況的可視化模擬演示.

2 BDS在系統中的通信構成

BDS是由中國自主建設、獨立運行，并與世界其它衛星導航系統兼容共用的全球衛星導航系統.BDS的主要功能有：定位、測速、單雙向授時、短報文通信；服務區域：中國及部分亞太地區；定位精度：優于10m；測速精度：優于0.2m/s；授時精度：50 ns（雙向10 ns）；短報文通信容量：120個漢字/次.

BDS由空間星座、地面控制和用戶終端三大部分組成，BDS集成了衛星無線電測定業務（RDSS）和衛星無線電導航業務（RNSS）兩種業務體制，不但具有GPS等系統的RNSS功能，還具有短報文通信和位置報告服務的RDSS功能[6].所謂RNSS與RDSS集成概念，是在衛星導航系統的衛星和運控系統中集成RNSS與RDSS兩種業務，使用戶既可以不發射相應信號，自主完成連續定位、測定任務，又可根據需要進行RDSS方式的位置報告，以及用戶跟蹤識別和短報文通信，在用戶終端實現RNSS和RDSS的雙模集成和國外GPS、GLONASS的應用集成.

BDS對RNSS和RDSS集成功能應用方式為：1）在地球同步軌道衛星（GEO）、傾斜地球同步軌道衛星（IGSO）上同時安排RDSS載荷和RNSS載荷，地面控制系統具有RNSS與RDSS信號及信息處理和運行控制能力；2）RNSS與RDSS的導航體制和信號格式統一在同一時間系統內；3）GEO衛星的RDSS出站信號和RNSS導航信號既可用于用戶自主導航，又可用于位置報告和通信服務，即S頻段信號可用于RNSS（所謂無源）定位，RNSS的L頻段信號可用于通信服務；4）地面運控系統RDSS業務具有用戶通信隨機接入能力，可以處理短促突發信號，完成用戶至中心控制系統的信息交換；5）用戶入站信息可以攜帶用戶位置實現位置報告，又可以不攜帶用戶位置進行信息交換，由RDSS直接從應答信號中處理出用戶位置坐標，實現“無信息”傳輸的位置報告.

在NGH開采環境監測與評估系統中，利用BDS通信的大致流程為：通過海床上布置的水下甲烷傳感器、水下二氧化碳傳感器、ROV、側掃聲吶等裝置；海水中布置的纜式剖面儀上搭載的多參數水質分析儀、單點海流計、多普勒流速剖面儀等傳感器；以及海面上浮標搭載的甲烷傳感器、二氧化碳傳感器等裝置在各時間點監測的數值變化，通過信號采集模塊集中傳輸到開采平臺控制端，開采平臺控制端利用BDS的短報文通信功能，將信號傳輸到地面控制端，地面控制端進而把信號發送給用戶終端并對信號進行解碼，從而完成數據的傳輸與收集[7-12].通信系統結構圖如圖2所示.

圖2 通信系統結構圖

3 BDS在系統中的功能實現

3.1 客戶端功能實現

1）開采區多維空間可視化展示

以動態實時仿真模擬的方式構建可燃冰開采區內大氣、海水、海床、井下“四位一體”的多維立體海洋空間場景，實現對多維空間的可視化展示.對可燃冰開采相關環境監測和安全應急輔助設備等進行高精度建模，并將其置于動態的多維空間場景中，支持全局光照、精細化的物理著色渲染以及超高面數的仿真模型渲染，實現細膩逼真的高精度畫質渲染，對可燃冰開采區多維空間實現監測系統可視化仿真展示，具有空間瀏覽切換和場景漫游等功能.

2）開采區環境狀態監測數據展示

整合多種海洋信息資源，通過布設的海底地形監測設備、氣體滲漏監測設備、各種不同類別環境傳感器等采集的環境數據為支撐，綜合運用大數據處理、智能化分析和信息化等技術，實現對可燃冰工作區內溫度、壓力、甲烷濃度及海底穩定性等環境狀態的立體感知和實時動態監測，重點對海流速度、海溫、鹽度、壓力（海床和井下）、甲烷含量（海水和大氣）等環境要素進行三維直觀展示和交互式表達、再現和趨勢分析，實現多源環境數據接入動態可視化、交互式圖表分析與空間分析，洞察工作區內環境信息價值，為可燃冰開采區范圍內環境變化情況分析提供底層基礎數據和不同專題的應用提供開放式軟件支持.

3）開采區安全預警與評估

基于布設相關傳感器對開采區溫度、壓力、甲烷濃度及海底穩定性參數的實時監測數據，構建大氣-海水-海床-井下一體化環境安全監測體系可視化視景和應急防控演示視景.

采用最新的虛擬現實仿真技術，綜合利用傳感器現場實時采集數據、海洋地理信息、三維空間分析信息等，通過現場全景再現、現場三維重現等方式，對可燃冰開采過程中可能出現的甲烷泄漏事故、海底滑坡事故等實時災害快速模擬展示，為實現快速科學應急指揮、災害救援和預案快速實施以及裝備保障模擬等突發狀況處理提供依據.圖3為客戶端架構圖，圖4為客戶端功能圖，圖5為客戶端體系結構圖.

圖3 客戶端架構圖

圖4 客戶端功能圖

3.2 通信協議設計

利用BDS的短報文功能，BDS的RDSS模式下的短報文功能單次報文容量最大為300 B，報文頻度為1m in/次，RDSS模式具備的定位加雙向短報文的特點以及性價比高、安全可靠等優點是本設計選擇BDS的原因，但RDSS模式下報文容量有限，所以需要合理地設計通信協議，在不超出容量的同時，盡可能地保證通信質量，得到最優的通信數據[13].根據上述限制與要求，制定了一套簡易的短報文傳輸協議，如表1所示.

4 BDS在系統中的實際應用

NGH開采環境監測與評估可視化軟件主界面如圖6所示，此軟件是基于Unity3D虛擬融合技術，借助C#語言編寫的能與BDS地面控制部分進行直接通信的三維可視化軟件.

通過BDS傳輸的傳感器監測數據可以展示在用戶界面上，在用戶端中，各時間點傳感器數據可以實現對大氣、海水、海床、井下四個層面的實時監控.通過對甲烷和二氧化碳含量的實時監測，如圖7所示，對甲烷和二氧化碳的監測狀態進行預警分析，及時監測異常狀態，以防氣體滲漏造成環境污染，這說明BDS在NGH開采環境監測與評估系統設計中的應用是有效的.

圖5 客戶端體系結構圖

表1 BDS衛星RDSS短報文數據傳輸協議

圖6 系統主界面

圖7 甲烷二氧化碳監測曲線圖

5 結束語

本文基于BDS通信設計的NGH開采環境監測與評估系統實現了對可燃冰開采環境風險的監測與評估，利用BDS的短報文通信功能，實時監測各時間點的傳感器數值變化，對開采環境進行了風險評估和分析，提高了水下NGH開采的安全性.通過布置傳感器，開展大氣環境、海水環境、海床環境、井下環境參數的有效監測，分析開采可燃冰對環境的影響，建立開采環境監測與評估可視化系統，對可燃冰開采過程的安全評價具有重要的理論和現實意義.