Våt drøm om smart, trådløst nettverk under vann blir virkelighet

Å styrke datainnsamling under vann er viktig for best mulig beslutningsstøtte innen forvaltning, næringsliv og industri.

Samtidig peker en rekke nasjonale strategier for behovet for gode data som optimaliserer kunnskapsbaserte og bærekraftige beslutninger innen både havbruk, olje og gass og digitaliseringen av samfunnet.

– Ressursene må utnyttes uten å gå for mye på bekostning av miljø og klima, vi må fremskaffe den kunnskapen som trengs for å ivareta bærekraftsmålene.

– Vi jobber for hvordan operatører innen næringer som havvind, olje/gass og havbruk kan optimalisere sin virksomhet slik at sikkerheten styrkes, produksjonen effektiviseres og miljøavtrykket reduseres, sier sjefsforsker og prosjektleder i NORCE, Marie Bueie Holstad.

SFI Smart Ocean er et nytt Senter for forskningsdrevet innovasjon (SFI). NORCE er en av flere forskningspartnere i SFI-en, som ledes av Universitetet i Bergen.

Overvåkning av miljø, infrastruktur og prosesser

For å lykkes med avanserte målinger, analyser og overvåkning av miljø, infrastruktur og prosesser under vann, trengs ikke bare et trådløst nettverk der sensorer snakker sammen.

Dataene skal også kvalitetssikres, analyseres og sendes sikkert av gårde for å fortelle og varsle om tingenes tilstand. God softwarearkitektur blir viktig.

NORCE har en sentral rolle innen utvikling av løsninger for datainnsamling, nettverksarkitektur og analyse av data, og samarbeider tett med bl.a. UiB, Forsvarets forskningsinstitutt, Høgskulen på Vestlandet og industripartnere i senteret.

Designet er inspirert av IoT-løsninger i 4G og 5G-nettverket, men begrenset ytelse ved trådløs undervannskommunikasjon krever innovative løsninger og tilpasninger.

Mye blir derfor annerledes når kabler sløyfes og den trådløse kommunikasjonen overtar under vann i SFI Smart Ocean.

IoT med smarte sensorer under vann

Per i dag er det i all hovedsak stort og tungt kablet utstyr som benyttes til datainnsamling under vann, eller en bruker droner eller ROV-er i forbindelse med kortere tokt. Dette vil ofte gi et mer begrenset overblikk og en dårligere kartlegging.

Dessuten er det mye lettere å overføre signaler i luften. I vannet er det dårligere datakapasitet og tregere signalgang. Og: vi tenker ikke så mye på det til daglig, men det er mye ruting av signaler, for eksempel når du ringer til noen med mobilen din.

Du tenker nok heller ikke på hvordan ditt signal havner akkurat hos den du ringer, alt går automatisk.

– Enkelt sagt skal SFI Smart Ocean utvikle begynnelsen på slik teknologi for bruk under vann, selv om kapasiteten vil være lavere. Tingenes internett, IoT, er allerede godt etablert på land. Nå skal det samme gjøres under vann med smarte sensorer vi utvikler.

– Og det blir med noen av de samme former for kommunikasjonsprinsipper som i mobilnettet, sier Bueie Holstad.

Forskerne skal rigge nettverket slik at man får best mulig kvalitet på dataene, ved å sette mange smarte sensorer sammen på en spesiell måte, i et unikt trådløst system.

– I SFI Smart Ocean ønsker vi å optimalisere datainnsamlingen ved bruk av trådløse undervannsnettverk, sier Holstad.

I tillegg skal det utvikles spennende, ny måleteknologi der det i dag ikke finnes gode nok teknologier, og også her er NORCE tungt involvert.

Løsningen skal kunne gi brukerne et sikrere grunnlag for å fatte de beste slutningene basert på representativ tilstandsinformasjon for hav og strukturer - uten at en nødvendigvis har tilgang til alle rådata.

I et slikt nettverk skal sensorer raskt kunne plasseres med dykkere eller undervannsdroner og stå over lengre tid, påpeker forskningsleder Ingvar Henne, som leder gruppen autonome systemer og tingenes internett (IoT) i NORCE:

– Vi har utviklet stadig mer komplekse sensorer og nettverk i en årrekke. Begrensningene under vann på rekkevidde og overføringskapasitet er ikke til hinder for at observasjoner kan være avanserte.

En utplassert enhet kan selv drive signalbehandling, det er smartere enn å overføre rådata.

– Videoer kan man i praksis ikke overføre trådløst under vann, men innholdet i en video kan analyseres i sensoren og man kan få varsling om hendelser basert på videoanalyse, påpeker Henne:

– Skal du ha enheter på bunn, eller i vannsøylen - og som er batteridrevet - så må vi ha gode algoritmer for overføring av data. Dette vil dominere strømforbruket, selve innsamlingen vil kreve lite effekt, fortsetter Henne.

Det andre momentet han trekker fram er arkitekturen, styringen av såkalt «data forwarding» i nettverk.

– Da må alle enheter lytte, og de må ha en aktiv mottaker, ta imot data for videresending. De kan ikke gå i «deep sleep»-modus mellom måleintervallene. Vi har sett på denne problemstillingen, og funnet at ikke alle sensorer må rekke fram til en hub. Noen skal bare sende data videre til en annen sensor, sier Henne.

Det er store muligheter for den type tankegang som legges til grunn, påpeker han. Ekspertene i NORCE og SFI Smart Ocean som helhet vektlegger 3 fokusområder for trådløsnettverket. Disse er:

1. Målestrategi
   
2. Overføringsnettverk
   
3. Dataanalyse/tilgjengelighet

Databehandling begynner å bli ganske så avansert i små kompakte enheter. Lagring er heller ikke noe stort problem, forteller Henne. Og: man kan uten problemer hente ut data fortløpende eller ved behov. Innsamlede data vil bli gjort tilgjengelig i databaser for deling med andre.

Den våte drømmen om undervannskommunikasjon blant NORCE-forskerne, og GCE Ocean Technology, (sistnevnte var initiativtaker for SFI-en) var at man skulle tenke på samme måte som i mobilnettverket på land.

Samt at man i områder med aktivitet, petroleumsindustri, vindkraft, oppdrett - der man har behov for observasjoner - kunne plassere sensorer uten å bygge ut mer infrastruktur, altså ingen flere basestasjoner.

Til å begynne med kommer arbeidet med det trådløse undervannsnettverket til å handle mye om infrastrukturmålinger og dessuten miljømålinger.

Det kan for eksempel dreie seg om å se, eller lytte etter sprekkdannelser/lekkasjer på installasjoner i sjøen, som beina på vindturbiner eller rørledninger. For miljømålinger kan det være målinger av PH-verdier, som henger direkte sammen med CO2-innholdet i vannet.

Slike ting er viktig for klimaforskning, vannkvaliteten her og nå, og for industrielle aktører.

– Andre viktige måleområder for trådløse undervannsnettverk av sensorer, er strømningsforhold. Informasjon om vannstrømmer kan være veldig viktig for eksempel for fiskeoppdrettere med tanke på å unngå oppblomstring av lakselus i merder.

– Våre analyser kan, basert på innsamlede data fra sensorene, vurdere risiko for lus i anlegget, eller algeoppblomstring. Samtidig vil trådløs datainnsamling være viktige verktøy for olje- og gassindustrien, for eksempel når det gjelder deteksjon av oljefilm, og hvor den kommer fra, sier Ingvar Henne i NORCE.

Kommunikasjonen under vann foregår akustisk. Har du høyfrekvente signaler så kan du få mer data over på kort tid, men ikke så langt av sted, siden lydbølgene dempes mer i vannet.

Lavfrekvente signaler går lenger, men det tar lengre tid å sende data. Hvordan dataene skal sendes mest effektivt, standardiseres, og rutes best mulig under vann, er noe av det forskerne skal finne ut av i SFI Smart Ocean.

Data skal fanges opp og ledes til overflaten der det er videre kontakt med eksempelvis 5G-nettverket på land eller via satellitt.

Brukere vil få den informasjonen de trenger, sensorene vil være smarte ved for eksempel å være i dvale og spare energi, for så å gjøre en måling og varsle.

– Den enkelte sensor skal være koblet til noder, og andre sensorer, slik at signalet kan rutes hjem, og det vil være en tydelig fordeling på hva som er mest effektiv vei for signalene, sier Ingvar Henne.

Når sensoren våkner og «ringer» hjem for å fortelle at noe ikke er ok, så skal man kunne kommunisere både fram og tilbake med den, og den vil tilordnes mer kapasitet i nettet og vil kunne sende tilleggsinformasjon.

Utstyrsleverandører bidrar med nye løsninger

NORCE samarbeider med en rekke utstyrsleverandører som bidrar med nye løsninger, og som dessuten vil ta noen av komponentene fra kablet utstyr og gjøre dem batteridrevne og autonome.

– I tillegg til selve sensor- og nettverksteknologien, skal det også skje mye på softwaresiden, som handler om hvordan dataene skal samles inn. De må nemlig over i et format fra akustiske signal til å kunne puttes inn i lagrings- og håndteringsplattformer, sier Marie Bueie Holstad.

Sensorene vil være plassert på strukturer i vannet, eller for eksempel på en bøye.

– Det fine er at teknologien er åpen, alle skal kunne implementere dette i sine sensorer. Det skal ikke være leverandøravhengig, og alle data skal i prinsippet være åpent tilgjengelig, sålangt det er mulig, sier Holstad.

Det skal ikke være leverandøravhengig, og alle data skal i prinsippet være åpent tilgjengelig, sålangt det er mulig, sier Holstad.

SFI Smart Ocean skal utvikle og demonstrere teknologien gjennom pilotdemonstratorer som testes på fasiliteter tilgjengelig gjennom Ocean Innovation Catapult og Sustainable Energy Catapult.

For eksempel er Havlaboratoriet på Marineholmen i Bergen, Havforskningsinstituttets testanlegg på Austevoll og Unitech’s vindturbin Zephyros mulige testplattformer.

Kobler på unik overflatedrone

Forskere i NORCE har også utviklet en overflatedrone for innsamling av data i grunne farvann, og for å fange opp data fra sensorer på havbunnen.

– Den dronen kan bli en del av et undervannsnettverk, som en flytende hub der man kan dumpe data, for eksempel lese av sensorer en gang per måned, sier Henne.

– Er det små datamengder er det mulig å bruke den akustiske modulen, ved å gå vertikalt i vannsøylen, og posisjonere dronen noenlunde rett over. Men er det større datamengder er det mulig å ha en hub på bunnen med en kraftigere strømforsyning, og samle inn data fra mange sensorer, sier Henne.

Den nye overflatedronen er modulær, med en framdriftsmodul bakerst, en styrings- og kommunikasjonsmodul, og forskerne kan sette på flere moduler: for sonarsystem samt en for undervannskommunikasjon.

– Dette er en kyst og fjorddrone som går i vannet, den er 3-4 meter, og dronen kan settes sammen som et byggesett som kan skreddersys for ulike oppdrag. Det er ganske unikt, sier prosjektleder for droneutviklingen i NORCE, Bård Henriksen.

– Dronen er klargjort for måling av vannkvalitet, temperatur, ph-verdi, etc. Den har dessuten utstyr som fortløpende kan observere alger og forurensning. Og vi ser på en modul som kan ta vannprøver om bord, som et mobilt laboratorium, sier Ingvar Henne.