Ocean Digital: tornar os dados submarinos mais facilmente acessíveis

Por Tom Mulligan • 12 março 2018

A especialista em infra-estrutura submarina e especialista em comunicações digitais do Reino Unido, a Sonardyne International, tem sido um dos principais players do setor de energia offshore há muitos anos. Seu portfólio de tecnologia foi aplicado ao posicionamento de alta precisão de estruturas e equipamentos, à navegação de veículos não tripulados, sistemas de comunicação acústica e óptica digital, monitoramento de ativos e registro de dados e para imagens subaquáticas de alta resolução. Com milhões de dólares sendo gastos diariamente, as empresas do setor de petróleo e gás são os clientes mais exigentes, pois esperam altos níveis de confiabilidade e robustez, operações altamente eficientes e suporte de fornecedores nos ambientes mais severos. Foi nesse nível de expectativa que impulsionou a pesquisa e o desenvolvimento de novas tecnologias de comunicação da Sonardyne para uso no ambiente submarino.

A segurança marítima também é um mercado-chave para a empresa, com variações de tecnologia e aplicação em um tema similar às do setor de petróleo e gás, demonstrando a adaptabilidade de sua tecnologia a uma maior variedade de diferentes áreas de aplicação, incluindo ciência oceânica, exploração , aquicultura e outros mercados similares.

Plataformas tecnológicas - Acústica

A Sonardyne desenvolveu uma plataforma de comunicações digitais de banda larga líder do setor, sobre a qual a maioria dos sistemas acústicos da empresa são baseados, que agora está em sua sexta geração (6G). O produto "pin-up" para esta tecnologia é o Transponder de Informática e Telemetering (Compatt 6), um instrumento altamente adaptável e configurável que é usado em uma ampla gama de aplicações. É composto por um transdutor acústico com diferentes opções de banda de freqüência e largura de feixe, processadores avançados, baterias, um mecanismo de liberação opcional e um conjunto de sensores de qualidade científica. No total, existem mais de 3.000 configurações possíveis do Compatt 6. Aqui estão algumas das formas em que são utilizadas:

Posicionamento - Implementado com outros transponders no fundo do mar, o Compatt 6 é usado como referência para o posicionamento Long LineLine (LBL), um conceito similar em operação ao posicionamento global acima da água, ou seja, GNSS. LBL usa intervalos medidos por cálculos acústicos de "tempo de vôo" para determinar com alta precisão a posição de um veículo ou estrutura usando trilateração. O Compatt 6 também pode ser usado em aplicações de posicionamento dinâmico de vasos (DP) usando um transceptor de Base-Line Ultra-Short (USBL) implantado a partir de uma embarcação, os intervalos acústicos medidos a partir das referências do fundo do mar sendo usados ​​para ajudar a estação de retenção de plataforma de óleo / óleo acima de um óleo bem ou estrutura submarina. Finalmente, como um transponder móvel, o Compatt T6 pode ser anexado a um veículo ou estrutura para interrogar acústicamente uma rede de LBL Compatt 6s para calcular sua posição, ou pode ser rastreado a partir da superfície usando USBL.

PIES - A unidade de Echo Sounder Inverted de Pressão (PIES) é uma variante de Compatt 6 que obtém velocidade média de som de uma coluna de água, medindo a pressão e o tempo necessário para um sinal acústico transmitido para refletir a superfície do mar. A unidade também é capaz de medir outras propriedades oceânicas, como a temperatura local, as variações de profundidade / maré, o passo / rolo da unidade e a duração da bateria da unidade. As unidades PIES armazenam dados processados ​​e brutos em um cartão de memória interno: esses dados podem ser recuperados acústicamente (por exemplo, de um veículo submarino passando ou da superfície) enquanto o transponder é implantado ou recuperado em série uma vez que a unidade é removida e trazida de volta para a superfície.

Monitoramento Autônomo - Um Transponder de Monitoramento Autônomo (AMT) possui toda a funcionalidade de um Compatt 6 com a adição de registro autônomo e mensagens de texto e pode ser configurado para registrar logon autônomo e dados de linha de base em intervalos definidos pelo usuário. Os dados são registrados em um cartão SD que é recuperado acústicamente, enquanto o transponder ainda é implantado ou em série uma vez que o transponder foi recuperado, tornando o sistema útil para operações como o monitoramento de longo prazo da resolução do fundo do mar e do movimento da placa tectônica.

Fetch - O sistema autônomo de nó de registro de sensores sem fio da Sonardyne O Fetch fornece a mesma funcionalidade que um transponder AMT, mas é alojado em uma esfera de vidro para proporcionar uma excelente resistência à corrosão para implantações de longo prazo. O design da carcaça e do suporte embutido permite que o instrumento seja "queda livre" implantado na posição vertical, reduzindo assim o tempo e o custo de implantação. As principais aplicações para as unidades AMT / Fetch são a deformação do fundo do mar e o monitoramento ambiental e o rastreamento de deslocamentos de placas tectônicas, terremotos submarinos e, quando associado a uma bóia de comunicação de comunicação de superfície, detectando tsunamis.

Transponder de análise e gravação de monitoramento submarino (SMART) - O SMART foi desenvolvido para cobrir aplicações complexas de monitoramento de ativos. Também faz parte da gama de produtos Sixth Generation (6G) da Sonardyne, o sistema combina eletrônicos de baixa potência, registro de dados de longa duração, processamento de dados subaquáticos e telemetria acústica em um único instrumento facilmente implantado. A SMART tem a flexibilidade de se interagir com uma ampla gama de sensores internos e externos e outras fontes de dados que utilizam algoritmos de análise de dados padrão ou personalizados para fornecer aos operadores dados chave quando são necessários.

A capacidade avançada oferecida pela SMART permite que a tecnologia seja usada como um sistema de monitoramento submarino primário ou de backup para uma variedade de tarefas, como monitoramento de estruturas submarinas, incluindo cabeças bem e risers. O sistema também pode ser configurado para a observação da linha de amarração e do encanamento, tanto para o trabalho de comissionamento quanto para o monitoramento de longo prazo. Na verdade, com a sua capacidade de interface com a maioria das fontes de dados, o SMART pode ser usado praticamente em qualquer lugar em que as informações sobre o desempenho ou a condição dos recursos submarinos precisam ser acessadas.

O SMART inclui entradas digitais e analógicas que podem ser configuradas para se conectar a várias fontes de dados. Os sensores internos disponíveis para medição de movimento incluem acelerômetros, sensores de taxa angular e inclinômetros, bem como sensores de pressão e temperatura padrão e de alta precisão. Os sensores externos que podem ser interligados incluem sensores de pressão, strain gauges e perfiladores de corrente acústicos Doppler. Para aplicações mais personalizadas, interfaces personalizadas podem ser criadas para se conectar a instrumentos como monitores de corrosão ou ferramentas de medição de vibração.

Um registrador de dados de baixa potência é uma característica chave do SMART, permitindo que os dados recebidos de fontes externas e internas sejam arquivados com segurança. Um dos principais benefícios do SMART é a sua capacidade de processar dados brutos no ambiente submarino para fornecer informações de valor agregado, enquanto o sistema avançado de aquisição e processamento de dados, o coração do SMART, contém um processador altamente capaz que pode executar algoritmos sofisticados especificados pelo usuário e realizar análises de dados simples, tais como estatísticas min / max / mean e thresholdings para alarmes e relatórios críticos de eventos. Ao reduzir os dados do sensor de alta largura de banda para pequenos pacotes críticos e gerenciar eficientemente o consumo de energia, podem ser obtidos tempos de implantação longos a partir da bateria interna, aumentando assim o conhecimento dos usuários sobre o ambiente submarino.

Além disso, onde a análise de superfície dos dados telemétricos requer uma revisão mais completa dos parâmetros do sensor, o SMART permite a recuperação acústica de dados brutos de intervalos de tempo especificados. Alternativamente, o sistema pode ser acoplado através de uma conexão Ethernet para o BlueComm (ligação de comunicação óptica através da água de alta largura de banda da Sonardyne), permitindo que grandes quantidades de dados sejam recuperadas de um ROV ou AUV. Todos os dados registrados podem ser baixados do armazenamento seguro quando a unidade é recuperada.

A essência do SMART é flexibilidade e configuração, e a capacidade de se conectar a diferentes sensores e fontes de dados faz parte integrante da linha de produtos SMART. No entanto, estas não são as únicas opções: a SMART está disponível em uma variedade de materiais de alumínio e bronze de alumínio através de aço inoxidável super-duplex para obter a mais alta resistência à corrosão. Outras opções incluem carcaças 'maxi' mais longas para aumentar a capacidade da bateria e diferentes tipos de conector e, se necessário, outras funções, incluindo o posicionamento acústico, podem ser adicionadas ao sistema de monitoramento.

Plataformas tecnológicas - Comunicações ópticas

Além de desenvolver tecnologias acústicas, a Sonardyne desenvolveu-se nos últimos anos na área de comunicação óptica de espaço livre, trazendo com êxito para o mercado modems subaquáticos de alta velocidade.

Bluecomm - BlueComm é um sistema de comunicação óptica sem fio através da água que foi desenvolvido para transmitir dados subaquáticos, transmitir vídeo e executar controle de veículo sem tensão a velocidades muito altas. A família de modem BlueComm está atualmente composta por três variantes: o BlueComm 100 é otimizado para ambientes operacionais de "luz ambiente alta" de águas rasas e oferece um bom equilíbrio entre taxa de dados e alcance; BlueComm 200 envia dados em até 12,5 Mbps e é adequado para operações profundas ou noturnas; enquanto a configuração dual laser do BlueComm 5000 suporta taxas de transferência de dados de até 1000 Mbps.

O BlueComm usa o espectro eletromagnético ao invés de ondas de pressão acústica para transmitir grandes volumes de dados. Geralmente operando na região azul do espectro de 450nm, o BlueComm pode atingir taxas de dados superiores a 500 Mbps. Esta tecnologia de transmissão de dados óptica é altamente eficiente, permitindo que 1 Gb de dados seja transmitido com a energia contida dentro de uma única célula de tamanho de lítio em distâncias superiores a 150 metros.

As aplicações para Bluecomm são extensas: usadas em conjunto com a acústica da Sonardyne, os dados de baixa largura de banda podem ser transmitidos acústicamente (por exemplo, ligando a ótica de forma remota) e dados de alta largura de banda, como arquivos de dados de imagem de vídeo ou sonar, podem ser transmitidos usando o método óptico. Os dados dos centros de armazenamento de dados do fundo do mar ou veículos de coleta de dados podem ser coletados por AUVs e depois transmitidos para ASVs ou unidades de superfície tripuladas para transmissão a estações terrestres via satélite.

Sistemas inerciais - Para complementar seus sistemas acústicos de ponta e fornecer as melhores soluções de posicionamento possível para veículos submarinos, a Sonardyne desenvolveu seus próprios sistemas inerciais, Lodestar e SPRINT. A Lodestar é um sistema de referência de cabeçalho e atitude combinado (AHRS), que é atualizável para se tornar o sistema de navegação inercial com auxílio acústico SPRINT. A unidade é composta por três giroscópios laser de anel (RLG) e acelerômetros de alto grau, alta confiabilidade, comercialmente disponíveis. Os sensores utilizados são o padrão para a aviação comercial e possuem um histórico comprovado de mais de 15 anos e um tempo médio entre falhas (MTBF) de mais de 400.000 horas.

O Lodestar AHRS suporta serial, Ethernet e telegramas padrão do setor para uma interface mais fácil e saídas avançadas, como taxas de aceleração e rotação também estão disponíveis. A funcionalidade de armazenamento de dados e bateria de backup a bordo garante o funcionamento contínuo e nenhuma perda de dados, mesmo que as comunicações ou a energia externa sejam perdidas.

O SPRINT é um sistema de navegação inercial subaquático auxiliado acústicamente para veículos submarinos que utiliza de forma acurada dados acústicos de posicionamento acústico USBL e LBL e outros sensores, como o Syrinx Doppler Velocity Log (DVL) e os sensores de pressão da Sonardyne. Isso melhora a precisão, a precisão, a confiabilidade e a integridade da posição, reduzindo o tempo de operação e os custos dos navios. O sistema amplia os limites operacionais da transmissão USBL e pode melhorar dramaticamente a eficiência operacional dos sistemas LBL. A nova unidade SPRINT de terceira geração da Sonardyne oferece passagem de energia para ajudar os sensores, reduzindo assim o cabeamento e a complexidade da interface.

A SPRINT compartilha a mesma plataforma de hardware que a Lodestar e é um sistema combinado AHRS e INS: executar os algoritmos AHRS e INS simultaneamente permite que a navegação inercial comece ou reinicie instantaneamente no recebimento de uma atualização de posição, pois o AHRS oferece orientação para o INS start-up, evitando o longo período de "alinhamento" comum a outros sistemas INS. Posteriormente, as orientações separadas do AHRS e do INS são monitoradas de forma autônoma como uma indicação da saúde do sistema.

Os níveis de precisão fornecidos pelo sistema SIN SPRINT-Nav, com auxílio acústico da Sonardyne, estão agora permitindo que os operadores conduzam mapeamento e metrologia laser submarina móvel. Os tempos de coleta de dados de configuração e imagem são muito reduzidos e os resultados pós-processados ​​alcançados nos inúmeros ensaios e projetos experimentais concluídos em 2017 foram relatados como atendendo a todos os requisitos do usuário.

Desafios futuros

Os desafios que ainda devem ser abordados para completar a introdução do sistema automatizado de navegação, posicionamento e comunicação submarino em torno da eficiência das operações e do uso de embarcações menores. Por exemplo, a introdução de vasos de superfície autônomos (ASVs) representará uma mudança de cultura, com casos de segurança do operador que dependem de sistemas de redundância e de retorno para controlar navios em caso de falha ou erro na navegação por satélite. Outros desafios incluem a introdução e a aceitação bem-sucedida de sistemas de prevenção de colisão.

A Sonardyne é capaz de fornecer um conjunto completo de sistemas integrados necessários para a autonomia marinha. Plataformas como o instrumento AvTrak 6, que é otimizado para AUVs, usa os sistemas acústicos da empresa para permitir a transferência de dados e transferência de baixa distância de banda larga de longa distância, enquanto as distâncias mais longas possíveis são alcançadas usando transponders de retransmissão acústica, aumentando consideravelmente as gamas operacionais de embarcações autônomas. A telemetria de dados de posição dos sistemas USBL pode ser enviada para o processador de solução de navegação INS de um veículo submarino como parte das comunicações de rastreamento de rotina e as informações de status AUV podem ser enviadas de volta pelo mesmo processo. Essa mesma telemetria pode ser usada para controlar sistemas no AUV, como aqueles que atualizam a missão, ou para alterar as configurações de sensores on / off ou modems ópticos. Em caso de falha do veículo, o AvTrak 6 também atuará como uma lâmpada de localização de emergência, entrando no modo de espera para salvar sua bateria independente, e ele irá acordar e responder a interrogatórios de qualquer sistema Sonardyne 6G.

Onde a próxima?

A Sonardyne tem sido pioneira na tecnologia de oceanografia digital por mais de quatro décadas, mas a lista de aplicativos para a tecnologia da empresa cresce ano-a-ano, particularmente em relação à automação e às operações remotas.

A tecnologia moderna pode aterrar uma nave espacial em um asteróide ou voar um através dos anéis de Saturno de uma estação de controle na Terra e, portanto, Sonardyne acredita que a operação de um drone subaquático nos oceanos da Terra é facilmente dentro da capacidade humana. A empresa enfatiza que com menos (ou não) pessoas no mar, a provisão de dados utilizáveis ​​para controle, monitoramento baseado em condições e coleta de dados é primordial, mas reconhece que operar em ou sob o oceano apresenta desafios técnicos e ambientais significativos.

A Sonardyne também aponta que as linhas de comunicação não são conexões ponto-a-ponto, mas que dependem de múltiplos sistemas que trabalham em conjunto, operando em diferentes meios e ambientes variáveis ​​e com diferentes largura de banda na internet, ligados via fibra óptica, satélites, curtos - redes wifi ou wifi locais, modems acústicos, modems ópticos, conexões Ethernet e LANs, com uma infinidade de formatos de dados, protocolos e sistemas operacionais que os engenheiros devem de alguma forma unir para fornecer a conectividade perfeita esperada pelos usuários. Assim, o principal desafio na obtenção de integração efetiva de sistemas complexos é a interoperabilidade, com as empresas de comunicações digitais trabalhando juntas para compartilhar informações e acordar em strings de dados padronizados e protocolos. As indústrias da aviação e do setor automotivo demonstraram o sucesso que pode ser alcançado trabalhando desta forma, e a Sonardyne acredita que todas as seções da indústria de tecnologia marítima podem ganhar com uma abordagem de trabalho colaborativo: o oceano digital já está aqui - é até a comunidade marinha global para moldá-lo da forma que beneficie o crescimento das indústrias que irão usá-lo.

(Conforme publicado na edição de março de 2018 do Marine Technology Reporter )