基于声传感器网络的石油勘探水下监测系统外文翻译资料

英语原文共 16 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

基于声传感器网络的石油勘探水下监测系统摘要

作者：Fabriacute;cio Jorge Lopes RibeiroEmail author

本文提出了一种水下监测系统，建立了传感器分布在海底基础设施，这是负责操作和运输的石油生产。我们考虑使用现有的设备。数据被安装在用于石油勘探的后勤支持的传感器、平台和容器上的水声调制解调器发送。这些船只用于收集数据，并提供传感器定位的参考。然而，船只可能不在传感器范围内，在任何时候，需要使用延迟/中断容忍网络。这项工作进行分析的监测系统的行为，调查的影响水下传感器网络的功能，使用机会主义的网络环境模拟器。在这种情况下，在海上航线的后勤支援船只的位移是非常重要的，因此，我们考虑现实世界的情况下，巴西海上石油勘探区的基础上。

关键词

监控系统时延容忍网络水下通信传感器网络水声通信定位

1引言

巴西过去几十年的特点是追求自给自足的石油生产，这得益于深海石油勘探和开采的技术进步。这项技术的发展，使众多的发现在海洋大陆架，在一个大面积70公里的岸边，水深范围从120到2800米，其中产生一个国家的石油和天然气产量高达每天237万6000桶。

石油勘探的新领域是坐落在一个地区200公里的海岸被称为盐包括约800公里，宽200公里的区域，涵盖三个盆地（Santos，坎波斯，和ESPiacute;朗图Santo）[ 1 ]。然而，在水深达3000米的勘探和操作是一个挑战要克服，需要使用创新的技术，以支持在这种极端环境下的操作控制。因此，应使用新的通信技术，以获得信息的海底基础设施。

目前石油和天然气的生产集中在一个大的面积约为115000 km2km2称坎波斯盆地[ 2 ]。这个地区有大约70%的国家生产的运输泵设备和几个海底管道网络通常由大面积组成的基础设施运输。

这个行业的活动是复杂和危险的，需要一个强大的和可靠的基础设施，以承受恶劣的水下环境的条件。然而，除了在公海运行的限制，在巴西海岸的潜艇救济是不规则的地方呈现极端的斜坡，露出的淹没结构的巨大不稳定。因此，有一个恒定的水下监测的需要。然而，目前使用的方法限制了观测点，不包括大多数海底设备。

水下传感器网络可以监视海底基础设施的全部程度，特别是在海底管道，通过恒定的设备条件和位置检查提供的操作控制增加。水下位置的精确测量可以使探测海底不稳定。因此，使用传感器网络在海底的水下定位监测，使潜艇的位移，可以造成破坏海洋环境中的结构验证。然而，在这些情况下的通信受到几个限制，包括在传输信道中的损失，低比特率，和大的传输延迟[ 3 ]。

因此，基于延迟/中断容错网络水声通信体系结构的发展（DTN）[ 4 ]是必要的。基于DTN网络监测应用程序可以应对干扰和水下环境的变化引起的延迟和中断。

建议的水下监测系统由声学传感器，平台和后勤支援船。声学传感器负责计算从海底设备获得的信息的位置，存储和传输。传感器分布在海底基础设施和海底管道。石油勘探后勤支援船负责收集这些传感器产生的信息并随后向控制中心路由。然而，这些血管，结合平台，必须提供至少三个已知坐标的获取传感器的位置，通过边接收声信号。海底测绘获得的参考单位发出的表面上，提供地理坐标和深度的位置。

本研究的目的是调查使用流行的路由协议[ 5 ]提出的监测系统性能的可行性，再现运动船只在海上环境一致的情况下是否可以实现水下监测定位系统。一般而言，离岸业务所涉及的成本是显着的。因此，设备和安装成本进行检查，以分析所提出的系统的可行性。

使用模拟器的机会网络环境（一）[ 6 ]，适于描述水下通信的条件进行性能分析。此外，场景配置考虑Campos盆地的具体特征，里约热内卢，巴西，检查，定位计算和数据采集提供了网络条件，直接影响后勤保障船只的可用性在水下传感器范围。

一种基于DTN网络的水下监测系统是可行的，即使考虑到115000 km2km2面积和海底设备分散。我们的研究结果表明，随着越来越多的船只系统变得更有效。有大量的信息从传感器，这会导致较小的等待时间的路由的消息和更少的存储所需的。有更多的船只，也有更高的信息传递概率。由于这些船只不专门为监控系统，实施这个系统的成本相对较低的价值，适用于石油勘探项目。

本文的其余部分组织如下：教派。2介绍相关工作。第3reviews水声通信的主要特点。第4节介绍了建议的深水监测系统，并介绍了用于估计水下定位的方法。第5节介绍了所进行的模拟的方案和参数。第6节介绍了系统性能分析的结果。在教派。7，我们分析现实部署成本，而教派。8总结的文件，并提出今后的工作。

2相关工作

水下通信的现状反映了在数据传输中实现的水的改进。尤里克[ 7 ]提出了水声传输的基本原理，强调影响声音在水中的速度快的特点，如压力（涉及的深度、密度、温度）和盐度。由Sozer、Stojanovic提出的结果，并使用[ 8 ]在水下通信开辟道路，在水下环境中利用水声通信网络。水下通信斯托亚诺维奇[ 9 ]进行的研究提出了影响对水声信道的数据传输功能。

水下通信的挑战是海德曼等人描述。[ 6 ]，其中的困难所施加的媒体和约束的声学信道，如干扰，带宽，反射，随之而来的错误率被高亮显示。通过Akyildiz等人提出的水下网络的建筑要求。[ 10 ]。这项研究确定了不同的方法，介质访问控制，网络和传输层，显示不同协议的评价。另一种分析水下传感器网络的问题也提出了由刘等。[ 11 ]。与软件驱动的水下传感器网络约德克试验由等人描述。【12】提出部署软件驱动水下传感器网络的技术和后勤挑战。

空间公平接入控制协议，探索时空的不确定性，主要对水下传感器网络空间公平性问题（问题）是由Liao和黄[ 13 ]。该方案采用基于接收器的方案，并提出了一个公平的MAC协议，以实现公平的传输，确定最早的发射机与概率规则相比，第一个RTS。该协议可以在大型网络以及移动传感器网络中运行。基于Lee et al的水下传感器网络液压路由协议。【14】探测测量压力的水平，将数据转发到表面的浮标上。

水下传感器网络已经提出了一些路由协议。庞皮利等人。[ 15 ]提出了一个两阶段弹性路由解决方案的长期监测任务，目的是保证网络的生存能力节点和链路故障。研究了水下三维传感器网络的数据采集问题，考虑了路由函数与水声信道特性之间的相互作用。谢等。【16】提出了水下传感器网络的具体传输模型，其中一个节点与网关节点通信，对接收到的数据包进行统计。网关与外部实体通过一个特殊的节点配备了声学和RF系统。

浮标的使用也是海洋监测的一种选择，即使考虑到这些解决方案的复杂性和成本的增加。Schneider（17）提出的沿海观测系统使用的网络浮标配备了非充电电池与无线电通信的1公里范围和800基点率。罗利[ 18 ]提出了一个浮标设计的海洋生物和气象数据的测量和监测海上风险。塔夫脱等。[ 19 ]目前隔声窗使用声学多普勒海流剖面监测洋流中的应用（ADCP）。本研究旨在从远处浮标减少ADCP提高测量和消除电缆的机械应力和疲劳，连接传感器和其他电子元件。布朗等。【20】提出了一种监测大湖环境条件的系统，包括低成本监测浮标。

萧等人在网络中的传感器分布的重要性。【21】提出了一种基于临界线的环境监测策略。该路由方法文宁等人。22、适应节点失效前的路由，避免路由失效、延迟和功耗。这种路由方法主动适应路由的基础上的信息节点威胁环境的影响。

电力消费是另一个重要方面，这是由达吉等人描述。[ 23 ]提出了一个全面的能源模型的全功能传感器网络，提供足够的了解通信协议的能源需求。加西亚等。[ 24 ]分析基于协作组的无线传感器网络（WSN），研究这些群体对WSN通信的节能和提高效率的影响。因此，当传感器检测到一个新的事件时，警报被发送到其组，并根据传感器之间的信息分配给相应的相邻组。

一个珊瑚礁监测传感器网络是由Vasilescu等人提出的。[ 25 ]。这声网络使用自主水下航行器（AUV）收集数据，混合短距离光通信和水声通信。penteado等人。[ 26 ]提出了一个传感器网络，获得海洋数据监测洋流。该网络是由固定的声学传感器，与一个接收器负责外部通信通信。

位置确定的一些建议使用的信号传播的特性来计算位置。全球定位系统（GPS）是最有名的例子。本系统基于卫星无线电导航[ 27 ]。其他建议不得使用卫星定位。歌曲[ 28 ]执行使用蜂窝系统的位置信号的方案是通过GSM蜂窝系统由Varshavsky等人提出的定位研究的前体。[ 29 ]。他和古斯塔夫森[ 30 ]讨论与模型的滤波的无线网络的移动定位相关的基本可能性。一种车载Ad Hoc网络跟踪系统是由boukerche等人提出的。[ 31 ]展示了如何结合数据融合的车辆定位技术，以提供一个更强大的跟踪系统。

水下传感器网络定位技术与挑战综述。这项研究比较了成本，速度，精度和位置覆盖声通信技术的基础上参考节点与已知的地理位置。吴等人提出了一种利用GPS系统和水声通信进行海底转发器定位的方法。[ 33 ]。这种方法的目的是监测地壳变形的构造板块的运动。因此，声学转发器的开发，以提供基线，可用于监测传感器的位置，通过海底映射。对Kerbkal等人提出的混合动力系统性能的实验研究。【34】允许漂流水下物体同时进行水声定位。该系统实现了水声通信的水下目标和节点基地之间的节点标识符，以提供的位置坐标的测定。

不同的作品中，我们提出了水下传感器和移动数据采集器集成到一个DTN网络和实施监控系统专门设计的水下海洋石油勘探在巴西[ 35，36 ]。我们引入了一个监控系统为石油勘探海底基础设施具体，考虑流动性和Campos盆地的水下环境的限制，里约热内卢，巴西。

3水下通信

虽然水下通信可以通过电磁波和光波来完成，但声波在实践中是最合适的。电磁传输在水中具有高的信号衰减，需要大量的能量传输。光传输具有传输速率高、功耗低的缺点，但由于光的吸收和散射，传输距离很短。应用范围有限，几米，即使在清澈的水和完美的对齐[ 25 ]。

最有效的方式来实现水下通信是通过声波[ 11 ]，尽管其局限性。水中的声速约为1500米/秒，比空气中声速快四倍，但仍比空气中的电磁波小五个数量级。此功能意味着延迟0.67秒/公里。此外，在水中的声音的速度是可变的，依赖于压力（深度），密度，温度和盐度[ 7 ]。其结果是，在水中的声音速度变化从表面到底部，传播在弯曲路径由于折射引起的层具有不同的速度[ 37 ]。

声音信号是由机械波交替压缩，需要高功率传输。此外，声波遭受干扰所造成的反射，障碍和动荡。声吸收所造成的损失是另一个重要的特点，使声信道的带宽变量，随着距离的减小。这种限制限制了有用的范围到几公里以下的传输频率低于30千赫，这意味着在低传输速率，通常约5 kbps的[ 9 ]。

介质访问的控制是困难的，由于通信信道的高延迟。不同的接入方式，如频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA），码分多址（CDMA）被认为是水下环境。最常用的是TDMA，由于在网络中的每个节点分配一个周期性的时间传输时隙的简单方法。在每个时间间隔，信道被保留为一个单节点传输。这些间隔必须由一个时间隔离来避免传输重叠，这涉及到一个沉重的同步依赖性。

大多数水下传感器网络应用需要时间同步服务。此外，时间同步是必不可少的大多数定位算法，为水下[ 34 ]和地面传感器网络[ 30，38 ]。然而，长的传播延迟，抖动，移动性和高能量效率的需要，提出了一个巨大的挑战，时间同步算法。

时间同步算法，如tshl [ 39 ]、[ 40 ]和摩比亩同步同步[ 41 ]，提出了提高水下通信的同步。这些算法能够处理长的传播延迟。的tshl算法考虑了固定的节点，不适合移动网络。MU同步算法，为移动水下网络设计的，是不是能够节能。Mobi同步算法是专门设计的水下移动网络提供高能源效率，使用移动传感器节点的空间相关性来估计节点之间的长期动态的传播延迟。

AMPOS盆地，里约热内卢，巴西。

由于声信道的限制，并非所有的应用程序都适用于水下传感器网络。的距离上的信道带宽的依赖是限制的声学调制解调器范围的主要因素。在较长的距离使用声学调制解调器是不可能的信道上的噪声干扰造成的，损害的带宽，因此通信效率[ 11 ]。

水下传感器网络的实现通常处理传输速率高达5 kbps的范围可达5公里，一个典型的声学调制解调器的平均值。较高的传输速率是可能的，但在特殊条件下和短距离。一些市场声学调制解调器的比较见表1。

Table 1

Underwater acoustics modems