基于無線通信的海上油田監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

秦 超，賈 璕，孫毓斌

（中海油信息科技有限公司天津分公司，天津 300450）

基于無線通信的海上油田監(jiān)視系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（中海油信息科技有限公司天津分公司，天津 300450）

針對(duì)海上傳統(tǒng)應(yīng)急通信系統(tǒng)不能滿足應(yīng)急需求的現(xiàn)狀，提出一種基于無線自組網(wǎng)的海上應(yīng)急無線通信系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)急通信系統(tǒng)在可靠、健壯、靈活等方面的要求，詳細(xì)闡述了該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)思想和方法，包括網(wǎng)絡(luò)分層框架、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，說明了應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的部署方案和有關(guān)注意事項(xiàng)。最后，歸納了基于無線自組網(wǎng)的海上應(yīng)急無線通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)效果。

無線通信；監(jiān)視系統(tǒng)；海上油田

隨著海上油田的信息化建設(shè)，海上平臺(tái)已經(jīng)由衛(wèi)星、微波聯(lián)合組建一個(gè)大寬帶網(wǎng)絡(luò)，為平臺(tái)上的終端用戶提供了互聯(lián)網(wǎng)訪問、VOIP語音電話和其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等多種通信服務(wù)。但為海上平臺(tái)服務(wù)的船舶，由于成本、安裝空間限制或船只改造難度等原因，只有應(yīng)急指揮船安裝動(dòng)中通衛(wèi)星設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了與陸地之間的實(shí)時(shí)雙向通信，可在船只航行過程中全程為用戶提供通信服務(wù)。

當(dāng)海上某平臺(tái)出現(xiàn)應(yīng)急情況時(shí)（溢油、火災(zāi)、井噴），啟動(dòng)應(yīng)急響應(yīng)，應(yīng)急指揮中心第一時(shí)間通知應(yīng)急指揮船趕赴現(xiàn)場(chǎng)，并調(diào)度其他作業(yè)船舶前往應(yīng)急點(diǎn)，進(jìn)行救助作業(yè)（滅火、處理漏油、人員救助等）。應(yīng)急指揮船作為應(yīng)急救援的中心船，事故現(xiàn)場(chǎng)只能夠通過中心船采集音視頻等各種信息，回傳至應(yīng)急指揮中心，其他作業(yè)船舶無回傳通道，只能通過傳統(tǒng)對(duì)講進(jìn)行指揮調(diào)度、溝通協(xié)調(diào)。因此，需要引入新的技術(shù)手段和方法，快速部署應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，為各類用戶及時(shí)提供多樣化的滿足各種需求的通信服務(wù)，對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控，對(duì)緊急突發(fā)事件做出快速響應(yīng)，并能有效協(xié)調(diào)各種救援力量實(shí)施應(yīng)急搶險(xiǎn)工作。

隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，許多新興的技術(shù)手段逐漸成熟并在應(yīng)急通信領(lǐng)域展現(xiàn)出其特性，例如Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)[4]、無線傳感網(wǎng)[5]和無線自組網(wǎng)絡(luò)等形式，尤其是目前得到業(yè)界廣泛研究的無線自組網(wǎng)（Wireless Self-Organizing Network，WSON）。無線自組網(wǎng)是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)結(jié)合，具有無基礎(chǔ)設(shè)施支持、自動(dòng)組網(wǎng)、多跳協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)等特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)抗毀性和靈活性較強(qiáng)，尤其適合建立海上應(yīng)急無線通信網(wǎng)絡(luò)。

1 海上應(yīng)急無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思想

海上應(yīng)急無線通信系統(tǒng)往往需要工作在復(fù)雜環(huán)境中，海上氣象環(huán)境變化多樣，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模有大有效。這種網(wǎng)絡(luò)具有如下顯著特點(diǎn)[1-2]：設(shè)計(jì)多種具有不同能力和特性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如微波傳輸網(wǎng)、蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；包含很多移動(dòng)速度和處理能力不同的通信單元，并且通信單元之間需要協(xié)調(diào)通信；業(yè)務(wù)種類繁多，信息傳輸具有不對(duì)稱的特點(diǎn)，如現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急人員接受的信息通常多余發(fā)送的信息，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急視頻回傳至后方指揮中心等。

針對(duì)上述特點(diǎn)，基于無線自組網(wǎng)的海上應(yīng)急無線通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路為：針對(duì)海上應(yīng)急通信場(chǎng)景的實(shí)際需求，依托鄰近平臺(tái)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)與臨時(shí)部署的無線自組網(wǎng)，充分發(fā)揮無線自組網(wǎng)快速自動(dòng)組網(wǎng)，高靈活性的優(yōu)點(diǎn)，融合周邊平臺(tái)現(xiàn)有通信方式，有效整合微波、無線自組網(wǎng)和衛(wèi)星等多種通信手段的綜合型應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，為處置應(yīng)急突發(fā)事件提供一種可靠、靈活、具有較高生存性的通信支撐平臺(tái)，使得應(yīng)急指揮中心能夠及時(shí)、準(zhǔn)確和順暢的獲取應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)的各種信息，切實(shí)增強(qiáng)應(yīng)急環(huán)境下的通信服務(wù)保障能力。

1.2 設(shè)計(jì)方法

為了構(gòu)建靈活、健壯、可擴(kuò)展且通用性強(qiáng)的海上應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，基于網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)分層的思想設(shè)計(jì)了一種通用的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)分層框架[5]，如圖1所示。

圖1 海上應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)分層框架

該框架劃分為數(shù)據(jù)鏈路層、信息收集層、應(yīng)用業(yè)務(wù)層。通信網(wǎng)絡(luò)層由當(dāng)前可用的如衛(wèi)星、微波等有基礎(chǔ)設(shè)施通信網(wǎng)絡(luò)和臨時(shí)部署的如無線自組網(wǎng)等無基礎(chǔ)設(shè)施通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，為以上兩層功能的實(shí)現(xiàn)提供物理網(wǎng)絡(luò)支持；信息收集層負(fù)責(zé)收集和存儲(chǔ)各個(gè)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的必要信息，各終端的GPS、GIS信息及語音、視頻、管理控制信息；應(yīng)用業(yè)務(wù)層提供各種應(yīng)急通信應(yīng)用和服務(wù)，例如語音電話、視頻電話、視頻會(huì)議、視頻監(jiān)控等。

應(yīng)用業(yè)務(wù)層和信息收集層需要數(shù)據(jù)鏈路層接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，應(yīng)用業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)鏈路層需要信息收集層提供的信息確定所在位置、鏈路狀態(tài)和一些管理信息，應(yīng)用業(yè)務(wù)層從信息收集層獲取需要的信息，然后使用數(shù)據(jù)鏈路層提供各種應(yīng)用和服務(wù)。

在分層框架的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看，海上應(yīng)急無線通信系統(tǒng)是一個(gè)多層次分布式信息系統(tǒng)，具體包含4個(gè)層次，從下到上依次是：網(wǎng)絡(luò)設(shè)施層、公共服務(wù)層、特定功能層和應(yīng)用系統(tǒng)層。應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）通信網(wǎng)絡(luò)層涵蓋海上平臺(tái)、船舶可能涉及的各種網(wǎng)絡(luò)，包括在平臺(tái)建設(shè)的LTE專用通信網(wǎng)絡(luò)、微波網(wǎng)絡(luò)及無基礎(chǔ)設(shè)施的無線自組織網(wǎng)絡(luò)。

2）公共服務(wù)層包括視頻監(jiān)控、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）、 地 理信 息 系統(tǒng)（Geographical Information，GIS）服務(wù)和氣象信息，為上面的功能模塊提供公共支撐服務(wù)。其中，視頻監(jiān)控包括鄰近平臺(tái)、應(yīng)急指揮船已安裝的和在普通船舶部署的各類攝像頭，用來從多角度獲取應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)的視頻信息，全面了解應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)情況；GPS用于輔助終端定位，氣象信息用來了解應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)天氣狀況。

3）特定功能層是在公共服務(wù)層的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同應(yīng)用的需求完成特定的功能，主要包括網(wǎng)絡(luò)管理、負(fù)載均衡、服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）支持和系統(tǒng)安全等功能，目的是增強(qiáng)整個(gè)應(yīng)急通信系統(tǒng)的適應(yīng)性和可用性。其中，網(wǎng)絡(luò)管理涉及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置、網(wǎng)絡(luò)性能的調(diào)整、移動(dòng)終端的管理和故障恢復(fù)等；負(fù)載均衡以應(yīng)急指揮船為中心，最大限度利用自組網(wǎng)、衛(wèi)星、LTE等網(wǎng)絡(luò)資源；QoS支持要基于業(yè)務(wù)緊急程度和用戶身份提供區(qū)分優(yōu)先級(jí)的通信服務(wù)保障；網(wǎng)絡(luò)安全確保信息存儲(chǔ)、傳輸和使用的安全，及應(yīng)用系統(tǒng)自身的安全。

4）應(yīng)用系統(tǒng)層負(fù)責(zé)提供各類應(yīng)急通信服務(wù)（如語言、視頻等），包括應(yīng)急指揮系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和視頻會(huì)議系統(tǒng)。應(yīng)急指揮系統(tǒng)以視頻、現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)等形式向指揮人員提供應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)的信息，以便獲得全面的態(tài)勢(shì)圖，作出科學(xué)決策。視頻監(jiān)控系統(tǒng)用于保存應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)各個(gè)終端攝像頭的視頻信息，方便現(xiàn)場(chǎng)和應(yīng)急指揮大廳中各層級(jí)人員的調(diào)取。視頻會(huì)議系統(tǒng)用于連接在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，海上應(yīng)急無線通信系統(tǒng)是一種多層次的立體式的通信網(wǎng)絡(luò)，包括海上的船舶、采油平臺(tái)和空中的直升機(jī)和衛(wèi)星等設(shè)備，是一個(gè)綜合運(yùn)用各種通信手段來構(gòu)建的應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 海上應(yīng)急無線通信系統(tǒng)的部署方案

海上應(yīng)急無線通信系統(tǒng)首先需要建設(shè)一個(gè)無線自組網(wǎng)傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)由多臺(tái)無線自組網(wǎng)電臺(tái)節(jié)點(diǎn)組成，實(shí)現(xiàn)采油平臺(tái)和船舶在海上視距5～20km以上距離內(nèi)，進(jìn)行雙向的無線通信。

擬在應(yīng)急指揮船和平臺(tái)各安裝一臺(tái)無線自組網(wǎng)電臺(tái)，接入船載衛(wèi)星通信系統(tǒng)或平臺(tái)的干線微波。在應(yīng)急指揮船上儲(chǔ)備4～5套無線自組網(wǎng)單兵電臺(tái)，并在應(yīng)急現(xiàn)場(chǎng)，通過應(yīng)急人員背負(fù)并攜帶至臨時(shí)征調(diào)的普通應(yīng)急工作船上。通過無線自組網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)急指揮船與各應(yīng)急工作船、平臺(tái)的互聯(lián)互通，并通過衛(wèi)星和微波鏈路實(shí)現(xiàn)與岸上指揮中心的雙向音視頻通信。

每條應(yīng)急工作船的手持式視頻采集設(shè)備通過單兵便攜無線AP接入單兵無線自組網(wǎng)電臺(tái)。并通過無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接至應(yīng)急指揮船的無線自組網(wǎng)電臺(tái)。應(yīng)急指揮船的無線自組網(wǎng)電臺(tái)通過以太接口直接接入船上的衛(wèi)星動(dòng)中通通信設(shè)備，并通過衛(wèi)星鏈路，接入至陸地端的衛(wèi)星主站并訪問地面網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)普通船的視頻采集和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的雙向接入。每條距離應(yīng)急指揮船在10km以內(nèi)的普通船，可以實(shí)現(xiàn)與應(yīng)急指揮船的單跳直接連接。距離應(yīng)急指揮船在10km以外的普通船，如果無法與應(yīng)急指揮船實(shí)現(xiàn)單跳直接連接，可以通過已經(jīng)與應(yīng)急指揮船連接的其他普通船的自動(dòng)中繼，實(shí)現(xiàn)與應(yīng)急指揮船的雙向連接。

船隊(duì)內(nèi)所有船只的無線自組網(wǎng)電臺(tái)節(jié)點(diǎn)均工作在同一頻點(diǎn)內(nèi)，共享一段最高6MHz（8.9Mbps）的帶寬。數(shù)據(jù)帶寬在節(jié)點(diǎn)之間按需分配。如果船隊(duì)由五條普通船和一條中心船組成，每條普通船可獲得2～8.9Mbps帶寬。

本網(wǎng)絡(luò)為IP無線局域?qū)＞W(wǎng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以為用戶提供兩路有線IP接口、無線WiFi接口和串口，用于用戶的視頻、音頻和數(shù)據(jù)等多種應(yīng)用信息的接入和輸出。并可以通過IP接口與衛(wèi)星通信、微波、LTE或地面網(wǎng)絡(luò)等其他網(wǎng)絡(luò)形式對(duì)接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)融合和現(xiàn)場(chǎng)音視頻數(shù)據(jù)向其他網(wǎng)絡(luò)的傳遞。

3 結(jié)束語

該系統(tǒng)整體架設(shè)完成后，每個(gè)自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)可以與PC或其他數(shù)據(jù)設(shè)備連接，并通過本系統(tǒng)接入至互聯(lián)網(wǎng)或用戶的數(shù)據(jù)專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的訪問或數(shù)據(jù)傳輸。手持視頻采集終端設(shè)備與無線自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通過單兵便攜無線AP進(jìn)行連接，并通過本系統(tǒng)與用戶指揮中心的音視頻調(diào)度平臺(tái)和指揮員之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)雙向互聯(lián)，用于實(shí)時(shí)指揮決策。每個(gè)無線自組網(wǎng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)最高8.9Mbps的傳輸速率，可同時(shí)支持最高2路1 080P或者8路D1圖像的實(shí)時(shí)傳輸。

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D e s i g n a n d R e a l i z a t i o n o f O f f s h o r e O i l f i e l d Mo n i t o r i n g S y s t e m B a s e d o n Wi r e l e s s C o mmu n i c a t i o n

Qin Chao，Jia Xun，Sun Yu-bin

Aiming at the situation that the traditional marine emergency communication system can not meet the emergency demand，this paper proposes a maritime emergency wireless communication system based on wireless ad hoc network.According to the requirements of reliability，robustness and flexibility of emergency communication system，the design idea and method of the network are described in detail，including network hierarchical framework，system structure and network structure.On this basis，the deployment of emergency communications network and the relevant considerations.Finally，the effect of the maritime emergency wireless communication system based on wireless ad hoc network is summarized.

wireless communication；monitoring system；offshore oil fi eld

TP277

A

1003-6490（2017）08-0030-02

2017-06-01

秦超（1987—），男，河北保定人，工程師，主要研究方向?yàn)闊o線傳輸系統(tǒng)。