Digital Ocean: Unterwasserdaten leichter zugänglich machen

Von Tom Mulligan • 12 März 2018

Der in Großbritannien ansässige Spezialist für Unterwasserakustik und digitale Kommunikation, Sonardyne International, ist seit vielen Jahren ein wichtiger Akteur im Offshore-Energiesektor. Das Technologieportfolio des Unternehmens wurde für die hochpräzise Positionierung von Strukturen und Geräten, die Navigation von unbemannten Fahrzeugen, digitalen akustischen und optischen Kommunikationssystemen, Asset-Monitoring und Datenprotokollierung sowie für hochauflösende Unterwasser-Bildgebung eingesetzt. Da täglich Millionen von Dollar ausgegeben werden, sind Unternehmen im Öl- und Gassektor die anspruchsvollsten Kunden, da sie ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Robustheit, hocheffiziente Abläufe und Lieferantenunterstützung in den rauesten Umgebungen erwarten. Es war diese Erwartungshaltung, die Sonardynes Forschung und Entwicklung neuer Kommunikationstechnologien für den Einsatz in der Unterwasserwelt vorantrieb.

Maritime Sicherheit ist auch ein Schlüsselmarkt für das Unternehmen, mit Technologie- und Anwendungsvariationen zu einem ähnlichen Thema wie die des Öl- und Gassektors, was die Anpassungsfähigkeit seiner Technologie an eine breitere Vielfalt von verschiedenen Anwendungsbereichen, einschließlich der Ozeanforschung, zeigt , Aquakultur und andere ähnliche Märkte.

Technologieplattformen - Akustik

Sonardyne hat eine branchenführende digitale Breitband-Kommunikationsplattform entwickelt, auf der die meisten akustischen Systeme des Unternehmens basieren, die jetzt in der sechsten Generation (6G) sind. Das Pin-up-Produkt für diese Technologie ist der Computing- und Telemeter-Transponder (Compatt 6), ein hoch anpassungsfähiges und konfigurierbares Instrument, das in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt wird. Es besteht aus einem akustischen Wandler mit verschiedenen Frequenzband- und Strahlbreitenoptionen, fortschrittlichen Prozessoren, Batterien, einem optionalen Auslösemechanismus und einer Reihe von Sensoren für wissenschaftliche Anwendungen. Insgesamt gibt es mehr als 3.000 mögliche Konfigurationen von Compatt 6. Hier sind einige der Möglichkeiten, wie sie genutzt werden:

Positionierung - Compatt 6 wird zusammen mit anderen Transpondern am Meeresboden als Referenz für die Long BaseLine (LBL) -Positionierung eingesetzt, ein Konzept, das der Funktionsweise der Überwasser-Globalpositionierung, dh GNSS, ähnelt. LBL verwendet Bereiche, die durch akustische "Flugzeit" -Berechnungen gemessen werden, um die Position eines Fahrzeugs oder einer Struktur unter Verwendung von Trilateration mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Compatt 6 kann auch in Schiffsdynamik-Anwendungen (DP) mit einem Ultra-Short BaseLine (USBL) -Transceiver von einem Schiff aus eingesetzt werden. Die aus Meeresbodenreferenzen gemessenen akustischen Bereiche werden verwendet, um die Ölstand-Station über einem Öl zu unterstützen gut oder Unterwasserstruktur. Schließlich kann Compatt T6 als mobiler Transponder an ein Fahrzeug oder eine Struktur angeschlossen werden, um ein Netzwerk von LBL Compatt 6s akustisch abzufragen, um seine Position zu berechnen, oder es kann von der Oberfläche aus mit USBL verfolgt werden.

PIES - Die Druckumkehr-Echolot- (PIES) -Einheit ist eine Variante von Compatt 6, die die durchschnittliche Schallgeschwindigkeit einer Wassersäule durch Messen des Drucks und der Zeit, die ein übertragenes akustisches Signal benötigt, um von der Meeresoberfläche reflektiert zu werden, zu erhalten. Die Einheit ist auch in der Lage, andere ozeanische Eigenschaften zu messen, wie z. B. lokale Temperatur, Tiefen- / Gezeitenvariationen, Einheitenneigung / -roll und Batterielebensdauer. PIES-Einheiten speichern verarbeitete und rohe Daten auf einer internen Speicherkarte: Diese Daten können akustisch wiederhergestellt werden (z. B. von einem vorbeifahrenden Unterwasserfahrzeug oder von der Oberfläche), während der Transponder eingesetzt wird, oder seriell wiederhergestellt werden, sobald die Einheit aus der Ferne freigegeben und zurückgebracht wird die Oberfläche.

Autonomes Monitoring - Ein Autonomer Monitoring-Transponder (AMT) verfügt über die gesamte Funktionalität eines Compatt 6 mit autonomer Protokollierung und Textnachrichten und kann so konfiguriert werden, dass Sensor- und Baseline-Daten in benutzerdefinierten Intervallen autonom protokolliert werden. Die Daten werden auf einer SD-Karte protokolliert, die akustisch abgerufen wird, während der Transponder nach der Wiederherstellung des Transponders noch seriell oder seriell ist, wodurch das System für Operationen wie die langfristige Überwachung der Sedimentation und der Bewegung von Plattenplatten nützlich ist.

Fetch - Sonardynes drahtloses autonomes Sensor-Logging-Knotensystem Fetch bietet die gleiche Funktionalität wie ein AMT-Transponder, ist jedoch in einer Glaskugel untergebracht, um eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit für langfristige Einsätze zu bieten. Die Konstruktion des Gehäuses und des eingebauten Ständers ermöglicht es, dass das Instrument "frei fallend" entfaltet werden kann, um aufrecht zu landen, wodurch sowohl die Einsatzzeit als auch die Kosten reduziert werden. Die Hauptanwendungsbereiche für AMT / Fetch-Einheiten sind die Deformation des Meeresbodens und die Überwachung der Umwelt sowie die Verfolgung von tektonischen Plattenverschiebungen, Unterwassererdbeben und, wenn sie mit einer Boje für die Oberflächenkommunikation verbunden sind, die Erkennung von Tsunamis.

Unterwasser-Analyse- und Aufzeichnungstransponder (SMART) - SMART wurde entwickelt, um komplexe Anlagenüberwachungsanwendungen abzudecken. Das System ist Teil der Sonardyne-Produktreihe Sixth Generation (6G) und kombiniert Low-Power-Elektronik, Langzeitdatenerfassung, Unterwasserdatenverarbeitung und akustische Telemetrie zu einem einzigen, einfach zu installierenden Instrument. SMART verfügt über die Flexibilität, mit einer Vielzahl von internen und externen Sensoren und anderen Datenquellen zu kommunizieren, indem standardisierte oder maßgeschneiderte Datenanalysealgorithmen verwendet werden, um den Bedienern wichtige Daten zu liefern, wenn sie benötigt werden.

Die fortschrittlichen Fähigkeiten von SMART ermöglichen den Einsatz der Technologie als primäres oder unterstützendes Unterwasser-Überwachungssystem für eine Vielzahl von Aufgaben, wie z. B. die Überwachung von Unterwasserstrukturen einschließlich Bohrlochköpfen und Steigleitungen. Das System kann auch für die Festmacher- und Pipelineüberwachung sowohl für die Inbetriebnahme als auch für die Langzeitüberwachung konfiguriert werden. Dank seiner Fähigkeit, mit den meisten Datenquellen zu kommunizieren, kann SMART praktisch überall eingesetzt werden, wo Informationen über die Leistung oder den Zustand von Unterwasser-Anlagen abgerufen werden müssen.

SMART umfasst digitale und analoge Eingänge, die für die Verbindung mit mehreren Datenquellen konfiguriert werden können. Interne Sensoren, die für die Bewegungsmessung verfügbar sind, umfassen Beschleunigungsmesser, Winkelgeschwindigkeitssensoren und Neigungsmesser sowie Standard- und hochpräzise Druck- und Temperatursensoren. Externe Sensoren, die angeschlossen werden können, umfassen Drucksensoren, Dehnungsmessstreifen und akustische Doppler-Stromprofiler. Für speziellere Anwendungen können benutzerdefinierte Schnittstellen erstellt werden, die mit Instrumenten wie Korrosionsmonitoren oder Schwingungsmessgeräten verbunden werden können.

Ein Low-Power-Datenlogger ist ein Schlüsselmerkmal von SMART, mit dem Daten von externen und internen Quellen sicher archiviert werden können. Ein wichtiger Vorteil von SMART ist die Fähigkeit, Rohdaten in der Unterwasserumgebung zu verarbeiten, um wertsteigernde Informationen bereitzustellen, während das fortschrittliche Datenerfassungs- und -verarbeitungssystem, das Herz von SMART, einen hochleistungsfähigen Prozessor enthält, der hochentwickelte benutzerdefinierte Algorithmen ausführen kann und einfache Datenanalysen wie Min / Max / Mittelwert-Statistiken und Schwellenwerte für Alarme und kritische Ereignisberichte durchführen. Durch die Reduzierung von Sensordaten mit hoher Bandbreite auf kleine, kritische Pakete und die effiziente Verwaltung des Stromverbrauchs können lange Bereitstellungszeiten durch das interne Batteriepaket erreicht werden, wodurch das Wissen der Anwender über die Unterwasserumgebung verbessert wird.

Wenn die Oberflächenanalyse der Telemetrie-Daten eine gründlichere Überprüfung der Sensorparameter erfordert, ermöglicht SMART außerdem die akustische Wiederherstellung von Rohdaten aus bestimmten Zeitbereichen. Alternativ kann das System über eine Ethernet-Verbindung mit BlueComm (Sonardynes optische Kommunikationsverbindung mit hoher Bandbreite über Wasser) verbunden werden, wodurch größere Datenmengen von einem ROV oder AUV abgerufen werden können. Alle protokollierten Daten können vom sicheren Speicher heruntergeladen werden, wenn das Gerät wiederhergestellt wird.

SMART zeichnet sich durch Flexibilität und Konfigurierbarkeit aus. Die Verbindung mit verschiedenen Sensoren und Datenquellen ist ein wesentlicher Bestandteil der SMART-Produktlinie. Dies sind jedoch nicht die einzigen Optionen: SMART ist in einer Reihe von Materialien erhältlich, von Aluminium und Aluminiumbronze bis hin zu Super-Duplex-Edelstahl für höchstmögliche Korrosionsbeständigkeit. Andere Optionen umfassen längere "Maxi" -Gehäuse für eine erhöhte Batteriekapazität und verschiedene Verbindungstypen, und bei Bedarf können weitere Funktionen, einschließlich einer akustischen Positionierung, zu dem Überwachungssystem hinzugefügt werden.

Technologieplattformen - Optische Kommunikation

Neben der Entwicklung von akustischen Technologien hat sich Sonardyne in den letzten Jahren auf dem Gebiet der optischen Freiraumkommunikation bewegt und erfolgreich High-Speed-Unterwassermodems auf den Markt gebracht.

BlueComm - BlueComm ist ein drahtloses optisches Kommunikationssystem, das entwickelt wurde, um Unterwasserdaten zu übertragen, Videos zu streamen und fahrzeuglose Fahrzeugsteuerung mit sehr hohen Geschwindigkeiten durchzuführen. Die BlueComm-Modem-Familie besteht derzeit aus drei Varianten: BlueComm 100 ist für Betriebsumgebungen mit niedrigem Wasserstand und hohem Umgebungslicht optimiert und bietet eine gute Balance zwischen Datenrate und Reichweite; BlueComm 200 sendet Daten mit bis zu 12,5 Mbit / s und eignet sich für Tief- oder Nachtbetrieb; während die Dual-Laser-Konfiguration von BlueComm 5000 Datenübertragungsraten von bis zu 1.000 Mbps unterstützt.

BlueComm verwendet das elektromagnetische Spektrum anstelle von akustischen Druckwellen, um große Datenmengen zu übertragen. Typischerweise arbeitet BlueComm im blauen Bereich des Spektrums von 450 nm und kann Datenraten von mehr als 500 Mbit / s erreichen. Diese optische Datenübertragungstechnologie ist sehr effizient und ermöglicht die Übertragung von 1 GB Daten mit der Energie, die in einer einzelnen Lithium-D-Zelle über Entfernungen von mehr als 150 Metern enthalten ist.

Die Anwendungen für Bluecomm sind umfangreich: In Verbindung mit Sonardyne acoustics können Daten mit geringer Bandbreite akustisch übertragen werden (z. B. durch ferngesteuertes Einschalten der Optik) und Daten mit hoher Bandbreite, wie z. B. Video- oder Sonar-Imaging-Dateien, übertragen werden optische Methode. Daten von Meeresboden-Datenspeicherzentren oder Datensammelfahrzeugen können von AUVs gesammelt und dann an ASVs oder bemannte Oberflächeneinheiten zur Übertragung an Bodenstationen über Satellit weitergeleitet werden.

Inertialsysteme - Um seine hochmodernen Akustiksysteme zu ergänzen und die bestmöglichen Positionierungslösungen für Unterwasserfahrzeuge zu bieten, hat Sonardyne seine eigenen Inertialsysteme Lodestar und SPRINT entwickelt. Lodestar ist ein kombiniertes Festkörper- und Kursreferenzsystem (AHRS), das zum SPRINT akustisch unterstützten Trägheitsnavigationssystem aufrüstbar ist. Die Einheit besteht aus drei hochwertigen, hochzuverlässigen, im Handel erhältlichen Ringlaserkreiseln (RLG) und Beschleunigungsmessern. Die verwendeten Sensoren sind der Standard für die kommerzielle Luftfahrt und haben eine nachgewiesene Erfolgsbilanz von mehr als 15 Jahren und eine mittlere Ausfallzeit (MTBF) von mehr als 400.000 Stunden.

Lodestar AHRS unterstützt serielle, Ethernet- und Industriestandard-Telegramme für einfachere Schnittstellen und erweiterte Ausgaben wie Beschleunigungs- und Drehraten sind ebenfalls verfügbar. Die integrierte Datenspeicherung und die Backup-Batterie gewährleisten einen kontinuierlichen Betrieb und keinen Datenverlust, selbst wenn die Kommunikation oder externe Stromversorgung unterbrochen wird.

SPRINT ist ein akustisch unterstütztes Unterwasser-Inertialnavigationssystem für Unterwasserfahrzeuge, das die akustischen Unterstützungsdaten der akustischen USBL- und LBL-Positionierung sowie anderer Sensoren wie Sonardynes Syrinx Doppler Velocity Log (DVL) und Drucksensoren optimal nutzt. Dies verbessert die Positionsgenauigkeit, Präzision, Zuverlässigkeit und Integrität und reduziert gleichzeitig die Betriebszeit und die Schiffskosten. Das System erweitert die Betriebsgrenzen der USBL-Übertragung und kann die Betriebseffizienz von LBL-Systemen dramatisch verbessern. Das neue SPRINT-Gerät der dritten Generation von Sonardyne bietet eine Durchleitung von Strom zu unterstützenden Sensoren, wodurch die Verkabelung und die Komplexität der Schnittstellen reduziert werden.

SPRINT besitzt die gleiche Hardwareplattform wie Lodestar und ist ein kombiniertes AHRS- und INS-System: Durch gleichzeitiges Ausführen der AHRS- und INS-Algorithmen kann die Trägheitsnavigation bei Erhalt eines Positionsupdates sofort gestartet oder neu gestartet werden, da das AHRS nahtlos die Ausrichtung des INS bereitstellt Start-up, Vermeidung der langen "Alignment" -Periode für andere INS-Systeme. Danach werden die separaten AHRS- und INS-berechneten Orientierungen autonom als ein Hinweis auf den Systemzustand überwacht.

Die Genauigkeitsgrade, die von Sonardynes akustisch unterstütztes INS-System SPRINT-Nav geboten werden, ermöglichen es nun den Betreibern, mobile Unterwasserlaser-Kartierung und -Messtechnik durchzuführen. Die Datenerfassungszeiten für die Einrichtung und Bildgebung werden erheblich reduziert, und die nachverarbeiteten Ergebnisse der zahlreichen Versuche und Versuchsprojekte, die 2017 abgeschlossen wurden, wurden berichtet, um alle Benutzeranforderungen zu erfüllen.

Zukünftige Herausforderungen

Die Herausforderungen, die noch zu bewältigen sind, um die Einführung der automatisierten Unterwassernavigation, -positionierung und -kommunikation zu vervollständigen, sind die Erzielung effizienter Betriebsprozesse und der Einsatz kleinerer Schiffe. Zum Beispiel wird die Einführung autonomer Überwasserschiffe (ASV) eine Kulturveränderung darstellen, wobei sich die Fälle der Sicherheit der Betreiber auf Redundanz- und Fallback-Systeme zur Kontrolle der Schiffe im Fall eines Versagens oder Fehlers der Satellitennavigation stützen. Zu den weiteren Herausforderungen zählen die Einführung und erfolgreiche Einführung von Kollisionsvermeidungssystemen.

Sonardyne ist in der Lage, eine vollständige Palette integrierter Systeme zu liefern, die für die Autonomie des Meeres benötigt werden. Plattformen wie das AvTrak 6-Instrument, das für AUVs optimiert ist, nutzen die akustischen Systeme des Unternehmens, um Datenübertragungen über lange Strecken in zwei Richtungen mit niedriger Bandbreite zu ermöglichen, während die längsten möglichen Distanzen mit akustischen Relais-Transpondern erreicht werden stark die Reichweite von autonomen Fahrzeugen zu erhöhen. Positionsdaten-Telemetrie von USBL-Systemen kann als Teil der routinemäßigen Tracking-Kommunikation an den INS-Navigationslösungsprozessor eines Unterwasserfahrzeugs gesendet werden, und AUV-Statusinformationen können über denselben Prozess zurückgesendet werden. Dieselbe Telemetrie kann verwendet werden, um Systeme auf dem AUV zu steuern, beispielsweise solche, die die Mission aktualisieren, oder um die Einstellungen von Ein / Aus-Sensoren oder optischen Modems zu ändern. Im Falle eines Fahrzeugausfalls wird der AvTrak 6 auch als Notfallfinder fungieren, indem er in den Standby-Modus wechselt, um seine unabhängige Batterie zu speichern. Er wird aufgeweckt und reagiert auf die Abfragen von jedem Sonardyne 6G-System.

Wohin als nächstes?

Sonardyne ist seit mehr als vier Jahrzehnten wegweisend in der digitalen Ozeanografie-Technologie, doch die Liste der Anwendungen für die Technologie des Unternehmens wächst Jahr für Jahr, insbesondere in den Bereichen Automatisierung und Remote-Betrieb.

Moderne Technologie kann ein Raumschiff auf einem Asteroiden landen oder einen durch die Saturnringe von einer Kontrollstation auf der Erde fliegen, und deshalb glaubt Sonardyne, dass der Betrieb einer Unterwasserdrohne in den Ozeanen der Erde leicht innerhalb der menschlichen Fähigkeiten liegt. Das Unternehmen betont, dass die Bereitstellung nutzbarer Daten für die Kontrolle, die konditionsbasierte Überwachung und die Datenerfassung mit weniger (oder keinen) Menschen auf See von größter Bedeutung ist, erkennt jedoch an, dass der Betrieb auf oder unter dem Meer erhebliche technische und ökologische Herausforderungen birgt.

Sonardyne weist auch darauf hin, dass Kommunikationswege keine Punkt-zu-Punkt-Verbindungen sind, sondern dass sie auf mehreren Systemen zusammenarbeiten, die in unterschiedlichen Medien und veränderlichen Umgebungen und mit unterschiedlichen Bandbreiten über das Internet, verbunden über Glasfaserkabel, Satelliten, kommunizieren -Wellen- oder lokale WiFi-Netzwerke, akustische Modems, optische Modems, Ethernet-Verbindungen und LANs mit einer Vielzahl von Datenformaten, Protokollen und Betriebssystemen, die Ingenieure irgendwie zusammenfügen müssen, um die nahtlose Konnektivität zu bieten, die von Benutzern erwartet wird. Die größte Herausforderung bei der effektiven Integration komplexer Systeme ist daher die Interoperabilität, bei der die Unternehmen der digitalen Kommunikation zusammenarbeiten, um Informationen auszutauschen und standardisierte Datenketten und Protokolle zu vereinbaren. Die Luftfahrt- und die Automobilindustrie haben gezeigt, dass diese Art von Arbeit erfolgreich ist, und Sonardyne glaubt, dass alle Bereiche der maritimen Technologiebranche von einem kooperativen Arbeitsansatz profitieren werden: Der digitale Ozean ist schon da - er ist es die globale Meeresgemeinschaft, um sie so zu gestalten, dass das Wachstum der sie nutzenden Industrien begünstigt wird.

(Wie in der März 2018 Ausgabe von Marine Technology Reporter veröffentlicht )