المحيط الرقمي: جعل بيانات Subsea أكثر سهولة في الوصول إليها

توم موليجان • 24 جمادى الثانية 1439

إن شركة Sonardyne International المتخصصة في مجال الصوتيات والمعالجات البحرية في المملكة المتحدة والتي مقرها المملكة المتحدة ، كانت لاعباً رئيسياً في قطاع الطاقة البحرية لسنوات عديدة. وقد تم تطبيق حافظة التكنولوجيا الخاصة بها على تحديد المواقع بدقة عالية للهياكل والمعدات ، وللملاحة من المركبات غير المأهولة ، وأنظمة الاتصالات الصوتية والبصرية الرقمية ، إلى مراقبة الأصول وتسجيل البيانات وللتصوير عالي الدقة تحت سطح البحر. مع إنفاق ملايين الدولارات يومياً ، تعد شركات قطاع النفط والغاز أكثر العملاء تطلباً ، حيث أنها تتوقع مستويات عالية من الموثوقية والمتانة ، وعمليات عالية الكفاءة ودعم الموردين في أقسى البيئات. كان هذا المستوى من التوقعات هو الذي دفع بأبحاث Sonardyne إلى وتطوير تقنيات الاتصالات الجديدة لاستخدامها في البيئة تحت سطح البحر.

الأمن البحري هو أيضا سوق رئيسي للشركة ، مع اختلافات التكنولوجيا والتطبيقات في موضوع مماثل لتلك الخاصة بقطاع النفط والغاز ، مما يدل على القدرة على التكيف من تكنولوجيتها إلى مجموعة واسعة من مجالات التطبيق المختلفة ، بما في ذلك علوم المحيطات والاستكشاف وتربية الأحياء المائية وأسواق أخرى مماثلة.

منصات التكنولوجيا - الصوتيات

طورت Sonardyne منصة اتصالات رقمية عريضة النطاق رائدة في الصناعة والتي تعتمد عليها معظم الأنظمة الصوتية للشركة وهي الآن في جيلها السادس (6G). إن منتج "pin-up" لهذه التقنية هو جهاز إرسال الحوسبة والقياس عن بعد (Compatt 6) ، وهو جهاز قابل للتهيئة وقابل للتكوين بشكل كبير يستخدم في نطاق واسع من التطبيقات. وهي مكونة من محول صوتي بخيارات تردد مختلفة وخيارات عرض حزمة ، ومعالجات متقدمة ، وبطاريات ، وآلية إطلاق اختيارية ، ومجموعة من أجهزة الاستشعار ذات الدرجة العلمية. في المجموع ، هناك أكثر من 3000 تكوين ممكن من Compatt 6. وفيما يلي بعض الطرق التي يتم استخدامها:

تحديد الموقع - يتم نشره باستخدام أجهزة الإرسال والاستقبال الأخرى في قاع البحر ، ويستخدم Compatt 6 كمرجع لمواقع Long BaseLine (LBL) ، وهو مفهوم مماثل في التشغيل للمواقع العالمية فوق الماء ، أي GNSS. تستخدم LBL نطاقات مقاسة بواسطة حسابات "وقت الرحلة" الصوتية لتحديد بدقة عالية موقف سيارة أو هيكل باستخدام trilateration. يمكن أيضاً استخدام Compatt 6 في تطبيقات تحديد المواقع الديناميكية للسفينة باستخدام جهاز الإرسال والاستقبال القصير جداً BaseLine (USBL) الذي يتم نشره من سفينة ، حيث يتم قياس النطاقات الصوتية من مراجع قاع البحر التي تُستخدم لمساعدة محطة تثبيت الحفارات / السفن فوق النفط. جيدا أو تحت سطح البحر. وأخيرًا ، يمكن أن يتم إرفاق Compatt T6 ، كجهاز إرسال متنقل ، بسيارة أو هيكل لاستجواب شبكة من LBL Compatt 6s بشكل صوتي من أجل حساب موضعها ، أو يمكن تتبعها من السطح باستخدام USBL.

PIES - وحدة الضغط الصدى المقلوب الضغط (PIES) هي نوع من Compatt 6 الذي يحصل على متوسط ​​سرعة الصوت لعمود الماء عن طريق قياس كل من الضغط والوقت الذي يستغرقه إشارة صوتية مرسلة لعكس سطح البحر. كما أن الوحدة قادرة على قياس الخصائص المحيطية الأخرى مثل درجة الحرارة المحلية ، تغيرات العمق / المد ، وحدة الملعب / لفة وعمر البطارية. تقوم وحدات PIES بتخزين البيانات المعالَجة والبيانات الخام الموجودة على بطاقة ذاكرة داخلية: يمكن استرجاع هذه البيانات بشكل صوتي (على سبيل المثال من مركبة قاعية عابرة أو من السطح) أثناء نشر جهاز الإرسال والاستقبال ، أو استعادتها بشكل تسلسلي بمجرد إطلاق الوحدة عن بُعد وإعادتها إلى السطح.

المراقبة الذاتية - جهاز مرسل مستقل (AMT) يحتوي على جميع وظائف Compatt 6 مع إضافة تسجيل مستقل ومراسلات نصية ويمكن تكوينه لتسجيل بيانات المستشعر والبيانات الأساسية في فترات زمنية محددة بواسطة المستخدم بشكل مستقل. يتم تسجيل البيانات على بطاقة SD يتم استرجاعها بشكل صوتي بينما لا يزال الجهاز المرسل المستجيب منتشرًا أو متسلسلًا بمجرد استعادة الجهاز المرسل المستجيب ، مما يجعل النظام مفيدًا لعمليات مثل المراقبة طويلة المدى لترسيب قاع البحر وحركة الصفائح التكتونية.

يوفر نظام Fetch - Sonardyne للشبكة السلكية المستقجرة ذاتي الإستشعار Sonneryne نفس وظيفة جهاز إرسال AMT ولكنه موجود في كرة زجاجية لإعطاء مقاومة ممتازة للتآكل لعمليات النشر طويلة المدى. يسمح تصميم المسكن والحامل المدمج للأداة بأن يكون "سقوطًا حرًا" منتشرًا في الأرض منتصباً ، مما يقلل من وقت النشر والتكلفة. التطبيقات الرئيسية لوحدات AMT / Fetch هي تشوه قاع البحر والرصد البيئي وتتبع التحولات التكتونية للوحة ، والزلازل تحت سطح البحر ، وعند اكتشاف عوامات بوابة الاتصالات السطحية ، الكشف عن تسونامي.

ﺗﺣﻟﯾل اﻟرﺻد واﻟﺗﺣﺻﯾل ﻣن أﺟل اﻟﺗﺳﺟﯾل (SMART) - ﺗم ﺗطوﯾر SMART ﻟﺗﻐطﯾﺔ طﻟﺑﺎت ﻣراﻗﺑﺔ اﻷﺻول اﻟﻣﻌﻘدة. ويجمع هذا النظام أيضًا بين مجموعة منتجات الجيل السادس (6G) من Sonardyne ، ويجمع بين الإلكترونيات منخفضة الطاقة ، وتسجيل البيانات على المدى الطويل ، ومعالجة البيانات تحت سطح البحر ، والقياس عن بُعد الصوتي في أداة واحدة سهلة النشر. تتمتع SMART بالمرونة للتعامل مع مجموعة واسعة من أجهزة الاستشعار الداخلية والخارجية ومصادر البيانات الأخرى باستخدام خوارزميات تحليل البيانات القياسية أو حسب الطلب لتزويد المشغلين بالبيانات الأساسية عند الحاجة إليها.

تتيح القدرة المتقدمة التي تقدمها SMART استخدام التكنولوجيا إما كنظام مراقبة أساسي أو احتياطي تحت سطح البحر لمجموعة متنوعة من المهام مثل مراقبة الهياكل تحت سطح البحر بما في ذلك رؤوس الآبار والرافعات. ويمكن أيضًا تهيئة النظام لرصد الخطوط ومراقبة خطوط الأنابيب ، سواء بالنسبة للعمل التكميلي أو للرصد على المدى الطويل. في الواقع ، مع قدرتها على التفاعل مع معظم مصادر البيانات ، يمكن استخدام SMART في أي مكان تقريبًا في أي مكان يجب الوصول إلى معلومات حول أداء أو حالة الأصول تحت سطح البحر.

يتضمن SMART مدخلات رقمية وتناظرية يمكن تكوينها للاتصال بمصادر بيانات متعددة. تتضمن أجهزة الاستشعار الداخلية المتاحة لقياس الحركة مقاييس السرعة ومستشعرات معدل الزوايا ومقاييس الارتفاع ، فضلاً عن مستشعرات الضغط ودرجة الحرارة القياسية والدقيقة. تتضمن المستشعرات الخارجية التي يمكن ربطها أجهزة استشعار الضغط ومقاييس الضغط ومحولات الدوبلر الصوتية الحالية. لمزيد من التطبيقات المخصصة ، يمكن إنشاء واجهات مخصصة للربط بأدوات مثل شاشات التآكل أو أدوات قياس الاهتزاز.

يعد مسجل البيانات منخفض الطاقة ميزة رئيسية في نظام SMART ، مما يتيح حفظ البيانات المستلمة من المصادر الخارجية والداخلية بأرشفة آمنة. تتمثل إحدى المزايا الرئيسية لـ SMART في قدرتها على معالجة البيانات الأولية في البيئة البحرية لتوفير معلومات ذات قيمة مضافة ، في حين أن نظام الحصول على البيانات المتقدمة ومعالجته ، قلب SMART ، يحتوي على معالج ذي قدرة عالية يمكنه تشغيل خوارزميات معقدة من قبل المستخدم. وإجراء تحاليل بسيطة للبيانات مثل الإحصائيات min / max / mean والعتبة الخاصة بالإنذارات والتقارير المهمة للأحداث. من خلال تقليل بيانات أجهزة الاستشعار ذات النطاق الترددي العالي إلى الحزم الصغيرة والحرجة وإدارة استهلاك الطاقة بكفاءة ، يمكن تحقيق أوقات نشر طويلة من حزمة البطارية الداخلية ، وبالتالي تعزيز معرفة المستخدمين بالبيئة تحت سطح البحر.

بالإضافة إلى ذلك ، حيث يتطلب التحليل السطحي للبيانات التي يتم قياسها عن بعد مراجعة أكثر شمولاً لمعلمات الحساس ، فإن SMART تمكن من استعادة البيانات الخام من نطاقات زمنية محددة. بالتناوب ، يمكن أن يقترن النظام عبر وصلة إيثرنت إلى BlueComm (وصلة الاتصال البصرية ذات النطاق الترددي العالي عبر المياه من Sonardyne) ، مما يسمح باسترجاع كميات أكبر من البيانات من ROV أو AUV. يمكن تنزيل جميع البيانات المسجلة من التخزين الآمن عند استعادة الوحدة.

إن جوهر SMART هو المرونة والتشكيل ، والقدرة على الاتصال بمستشعرات مختلفة ومصادر البيانات هي جزء لا يتجزأ من خط منتج SMART. ومع ذلك ، هذه ليست الخيارات الوحيدة: تتوفر SMART في مجموعة من المواد من الألومنيوم والبرونز الألومنيوم من خلال الفولاذ المقاوم للصدأ فائقة الدقة لأعلى مقاومة ممكنة للتآكل. تشتمل الخيارات الأخرى على أماكن "maxi" أطول لزيادة سعة البطارية وأنواع الموصلات المختلفة ، وإذا لزم الأمر ، يمكن إضافة وظائف أخرى ، بما في ذلك تحديد الموقع الصوتي ، إلى نظام المراقبة.

منصات التكنولوجيا - الاتصالات البصرية

بالإضافة إلى تطوير التقنيات الصوتية ، انتقل Sonardyne في السنوات الأخيرة إلى مجال الاتصالات البصرية في الفضاء الحر ، بنجاح جلب إلى أجهزة المودم تحت الماء بسرعة عالية.

Bluecomm - BlueComm هو نظام اتصال ضوئي لاسلكي يعمل عبر الماء تم تطويره لنقل البيانات تحت سطح البحر وتدفق الفيديو وإجراء التحكم في السيارة بدون سرعات بسرعات عالية جدًا. تتكون عائلة مودم BlueComm حاليًا من ثلاثة أنواع مختلفة: يتم تحسين BlueComm 100 لبيئات التشغيل "الضوء المحيط المرتفع" الضحلة ويوفر توازنًا جيدًا بين معدل البيانات والنطاق. يرسل BlueComm 200 البيانات بسرعة تصل إلى 12.5 ميغابت في الثانية ، وهو مناسب لعمليات التشغيل العميق أو الليلي ؛ في حين يدعم التكوين المزدوج لليزر BlueComm 5000 معدلات نقل البيانات التي تصل إلى 1000 ميغابت في الثانية.

يستخدم BlueComm الطيف الكهرومغناطيسي بدلاً من موجات الضغط الصوتية لنقل كميات كبيرة من البيانات. عادةً ما تعمل BlueComm في المنطقة الزرقاء 450nm من الطيف ، ويمكنها تحقيق معدلات بيانات تفوق 500 ميجابت في الثانية. تتميز تقنية نقل البيانات البصرية هذه بالكفاءة العالية ، مما يتيح نقل 1 جيجابايت من البيانات مع الطاقة الموجودة داخل خلية بحجم واحد من الليثيوم D على مسافات أكبر من 150 متر.

تطبيقات Bluecomm واسعة النطاق: تستخدم بالاقتران مع الصوت Sonardyne ، ويمكن نقل البيانات ذات النطاق الترددي المنخفض صوتيا (على سبيل المثال عن طريق التبديل على البصريات عن بعد) وبيانات النطاق الترددي العالي مثل الفيديو أو ملفات البيانات التصوير السونار يمكن أن تنتقل باستخدام طريقة بصرية. يمكن جمع بيانات من مراكز تخزين بيانات قاع البحر أو مركبات جمع البيانات عن طريق AUVs ثم نقلها إلى ASVs أو وحدات سطح مأهولة للإرسال إلى المحطات الأرضية عبر الأقمار الصناعية.

أنظمة القصور الذاتي - لاستكمال أنظمتها الصوتية الحديثة وتوفير أفضل الحلول الممكنة لتحديد المواقع للمركبات تحت سطح البحر ، طورت Sonardyne أنظمة القصور الذاتي الخاصة بها ، Lodestar و SPRINT. نظام Lodestar هو نظام يجمع بين الحالة الصلبة والمرجعية (AHRS) والذي يمكن ترقيته ليصبح نظام الملاحة بالقصور الذاتي SPRINT. وتتألف الوحدة من ثلاثة جيروسكوب ليزر جيروسكوب (RLG) عالي الجودة ومتانة عالية الجودة ومتوفرة تجارياً ومقاييس تسارع. أجهزة الاستشعار المستخدمة هي معيار الطيران التجاري ولها سجل حافل من أكثر من 15 عامًا ووقت متوسط ​​بين الفشل (MTBF) لأكثر من 400000 ساعة.

يدعم نظام Lodestar AHRS البرقيات التسلسلية والإيثرنت والبروتوكولات القياسية الصناعية لتسهيل التوصيل والنواتج المتقدمة مثل معدلات التسارع والتناوب. يضمن تخزين البيانات على اللوحة ووظائف البطارية الاحتياطية استمرار التشغيل وعدم فقدان البيانات حتى في حالة فقدان الاتصالات أو الطاقة الخارجية.

إن نظام SPRINT هو نظام ملاحة خماسي تحت سطح البحر بمساعدة عاكسة للمركبات تحت سطح البحر التي تستخدم الاستخدام الأمثل لبيانات المساعدة الصوتية من وضعية USBL و LBL الصوتية وغيرها من المستشعرات مثل Syrinx Doppler Velocity Log (DVL) وأجهزة استشعار الضغط. هذا يحسن دقة الموقف والدقة والموثوقية والنزاهة مع تقليل وقت التشغيل وتكاليف السفن. يوسع النظام حدود التشغيل للإرسال USBL ويمكن أن يحسن بشكل كبير من الكفاءة التشغيلية لأنظمة LBL. توفر وحدة الجيل الثالث SPRINT الجديدة من Sonardyne إمكانية مرور الطاقة من أجل مساعدة المستشعرات ، وبالتالي تقليل الكبلات والتعقيد البيني.

يشترك SPRINT في نفس النظام الأساسي لنظام Lodestar وهو نظام AHSS و INS مدمج: تشغيل خوارزميتي AHRS و INS بشكل متزامن يسمح للملاحة بالقصور الذاتي لبدء أو إعادة التشغيل فورًا عند استلام تحديث الموقع ، حيث إن نظام AHRS يقدم التوجيه بسلاسة إلى INS على بدء التشغيل ، وتجنب فترة "المحاذاة" الطويلة الشائعة لنظم INS الأخرى. بعد ذلك ، يتم رصد التوجيهات المستقلة AHRS و INS- المحوسبة بشكل مستقل كدليل على صحة النظام.

تمكّن مستويات الدقة التي يوفرها نظام INS SPRINT-Nav الصوتي بمساعدة نظام Sonardyne المشغلين الآن من إجراء الخرائط وتحديد مواقع الليزر المتنقلة تحت سطح البحر. يتم تقليل وقت الإعداد وإعداد مواعيد جمع البيانات إلى حد كبير ، وقد تم الإبلاغ عن النتائج التي تمت بعدها والتي تم إنجازها في العديد من التجارب والمشاريع التجريبية التي تم إكمالها في عام 2017 على أنها تلبي جميع متطلبات المستخدمين.

تحديات مستقبلية

التحديات التي لا يزال يتعين التصدي لها لاستكمال إدخال الملاحة تحت البحر الآلي ، وتحديد المواقع ومركز الاتصالات حول تحقيق كفاءة العمليات واستخدام السفن الصغيرة. على سبيل المثال ، سيشكل إدخال السفن السطحية المستقلة (ASVs) تغييراً في الثقافة ، مع اعتماد حالات سلامة المشغل على التكرار وأنظمة الارتداد للتحكم في السفن في حالة فشل أو فشل الملاحة عبر الأقمار الصناعية. وتشمل التحديات الأخرى المقدمة والنجاح في استيعاب أنظمة تجنب الاصطدام.

إن Sonardyne قادرة على توفير مجموعة متكاملة من الأنظمة المتكاملة المطلوبة للاستقلالية البحرية. تستخدم المنصات ، مثل أداة AvTrak 6 الخاصة بها ، والتي تم تحسينها للاستخدام في نظام AUVs ، الأنظمة الصوتية للشركة لتمكين نقل البيانات والاتصال بنطاق ترددي منخفض ثنائي الاتجاه لمسافات طويلة ، في حين يتم تحقيق أطول مسافة ممكنة باستخدام أجهزة الإرسال والاستقبال الصوتية ، وبالتالي زيادة كبيرة في نطاقات التشغيل من الحرفة المستقلة. يمكن إرسال بيانات القياس عن بُعد من أنظمة USBL إلى معالج حل الملاحة INS للمركبة تحت سطح البحر كجزء من اتصالات التتبع الروتينية ويمكن إرسال معلومات حالة AUV عبر نفس العملية. يمكن استخدام نفس القياس عن بُعد للتحكم في الأنظمة الموجودة في وحدة AUV ، مثل تلك التي تقوم بتحديث المهمة ، أو لتغيير إعدادات جهاز استشعار التشغيل / إيقاف التشغيل أو أجهزة المودم الضوئي. في حالة تعطل السيارة ، يعمل AvTrak 6 أيضًا كمؤشر لتحديد مواقع الطوارئ ، ويذهب إلى وضع الاستعداد لحفظ بطاريته المستقلة ، وسوف يستيقظ ويستجيب للاستجوابات من أي نظام Sonardyne 6G.

اين التالي؟

كانت شركة Sonardyne رائدة في مجال تكنولوجيا المحيطات الرقمية منذ أكثر من أربعة عقود ، ومع ذلك ، فإن قائمة التطبيقات الخاصة بتكنولوجيا الشركة تنمو على مدار العام ، خاصةً فيما يتعلق بالأتمتة والعمليات عن بعد.

يمكن للتكنولوجيا الحديثة أن تهبط مركبة فضائية على كويكب أو تطير من خلال حلقات زحل من محطة مراقبة على الأرض ، ولذلك تعتقد سوناردين أن تشغيل طائرة بدون طيار تحت الماء في محيطات الأرض يكون بسهولة في حدود القدرات البشرية. تشدد الشركة على أنه مع وجود عدد أقل من الأشخاص (أو عدم وجودهم) في البحر ، فإن توفير بيانات قابلة للاستخدام للتحكم ومراقبة الحالة وجمع البيانات أمر بالغ الأهمية ، ولكنه يقر بأن التشغيل في المحيط أو تحته يمثل تحديات فنية وبيئية كبيرة.

يشير Sonardyne أيضًا إلى أن خطوط الاتصال ليست اتصالات من نقطة إلى نقطة ، ولكنها تعتمد على أنظمة متعددة تعمل معًا وتعمل في وسائط مختلفة وبيئات قابلة للتغيير وبعروض نطاق مختلفة عبر الإنترنت ، مرتبطة عبر ألياف ضوئية وأقمار صناعية وقصيرة شبكات الواي فاي أو الموجات اللاسلكية المحلية ، وأجهزة المودم الصوتية ، وأجهزة المودم البصرية ، ووصلات الإيثرنت والشبكات المحلية ، مع العديد من تنسيقات البيانات والبروتوكولات وأنظمة التشغيل التي يتعين على المهندسين لصقها معًا لتوفير الاتصال السلس المتوقع من المستخدمين. وبالتالي فإن التحدي الرئيسي في تحقيق التكامل الفعال للأنظمة المعقدة هو قابلية التشغيل البيني ، مع عمل شركات الاتصالات الرقمية معاً لتبادل المعلومات والاتفاق على سلاسل وبروتوكولات البيانات الموحدة. لقد أثبتت صناعة الطيران والسيارات النجاح الذي يمكن تحقيقه من خلال العمل بهذه الطريقة ، وتعتقد شركة Sonardyne أن جميع قطاعات صناعة التكنولوجيا البحرية ستستفيد من نهج العمل التعاوني: المحيط الرقمي هنا بالفعل - الأمر متروك المجتمع البحري العالمي لتشكيله بالطريقة التي تفيد نمو الصناعات التي ستستخدمها.

(كما نشر في طبعة مارس 2018 من مراسل التكنولوجيا البحرية )