4G網(wǎng)絡(luò)在油田數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用前景

王繼峰

大慶油田工程有限公司

4G網(wǎng)絡(luò)是一種多功能的集成性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠高效地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在油田數(shù)據(jù)傳輸中應(yīng)用4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以有效提高油田生產(chǎn)的監(jiān)管效率，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、分析、處理、傳輸以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，極大程度地提高了油田生產(chǎn)的智能化水平[1]。因此，4G網(wǎng)絡(luò)在油田數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用對(duì)于油田生產(chǎn)工作的開(kāi)展具有重要的意義。

1 4G網(wǎng)絡(luò)在油田中的應(yīng)用

1.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、主要設(shè)備及組網(wǎng)方式

4G網(wǎng)絡(luò)從結(jié)構(gòu)上可以分為三個(gè)部分，即提供路由選擇和接入功能的物理網(wǎng)絡(luò)層、實(shí)現(xiàn)管理地址變換和映射功能的中間環(huán)境層，以及提供應(yīng)用服務(wù)的應(yīng)用層。4G網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式有OFMD組網(wǎng)、基于IP的核心網(wǎng)組網(wǎng)、多輸入輸出技術(shù)組網(wǎng)、軟件無(wú)線電組網(wǎng)[2]。將4G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于油田數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)配備傳感器、RTU等數(shù)據(jù)采集設(shè)備、LTE無(wú)線帶寬系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)終端等數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，以及相應(yīng)的系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備。

1.2 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化井口數(shù)據(jù)采集

4G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在油田中的應(yīng)用主要靠前端、傳輸以及后端三個(gè)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)。前端進(jìn)行井口數(shù)據(jù)及監(jiān)控視頻的采集；傳輸部分通過(guò)運(yùn)用4G無(wú)線技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的WLAN、 WIMAX、 MCWILL、LORA等網(wǎng)絡(luò)方式，實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)、快速地傳輸數(shù)據(jù)；后端主要用來(lái)進(jìn)行油氣田生產(chǎn)的智能監(jiān)測(cè)[3]。

在油田的開(kāi)采施工現(xiàn)場(chǎng)安裝RTU傳感器，將傳感器與4G網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)限傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相連，構(gòu)成了完整的4G網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化井口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在進(jìn)行實(shí)際的井口數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，傳感器首先進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集，然后將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，最后經(jīng)無(wú)線傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)輸送至井口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)井口數(shù)控實(shí)時(shí)展示[2]。

1.3 實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸

4G網(wǎng)絡(luò)的LET無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)的智能化傳輸。該系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，基于全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，采用自適應(yīng)重傳、自適應(yīng)編碼調(diào)制等核心技術(shù)，具有頻譜適應(yīng)性強(qiáng)、用戶海量、安全性、實(shí)時(shí)性、速率傳輸快、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)[4]。4G網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線寬帶通信系統(tǒng)可以為后臺(tái)主站與遠(yuǎn)端監(jiān)控模塊提供安全的數(shù)據(jù)傳輸通道，并對(duì)遠(yuǎn)端通信模塊、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行管理和配置。

2 公網(wǎng)4G與專網(wǎng)4G的區(qū)別

從資源情況（比如偏遠(yuǎn)地區(qū)沒(méi)有公網(wǎng)或不全覆蓋）上看，專網(wǎng)4G比公網(wǎng)4G更自主靈活；從數(shù)據(jù)流向上看，公網(wǎng)4G需要將數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)到核心，然后下傳到制定的DMZ隔離區(qū)，再通過(guò)企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)傳到目的地，數(shù)據(jù)傳輸會(huì)有延遲；從網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性上看，專網(wǎng)4G的可靠程度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)在任意時(shí)刻進(jìn)行接網(wǎng)通信，而公網(wǎng)4G的可靠性程度相對(duì)較低，公網(wǎng)在使用的過(guò)程中可能會(huì)受到公眾使用的影響，出現(xiàn)諸如通信不穩(wěn)定、負(fù)載穩(wěn)定性差、數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象，在進(jìn)行接網(wǎng)通信時(shí)系統(tǒng)只能保證一定程度的通信；從網(wǎng)絡(luò)通信的可控性上看，專網(wǎng)4G能夠?qū)崿F(xiàn)可管可控需求，在通信過(guò)程中可以預(yù)留資源，進(jìn)行靈活管理，從而保障通信服務(wù)質(zhì)量，而公網(wǎng)4 G不能夠?qū)νㄐ藕艚羞M(jìn)行有效排序，關(guān)閉、搶占等控制功能相對(duì)較弱；從網(wǎng)絡(luò)通信的公平性上看，專網(wǎng)4G在進(jìn)行對(duì)用戶的通信服務(wù)時(shí)，能夠?qū)τ脩暨M(jìn)行關(guān)系梳理，用戶通信具有優(yōu)先等級(jí)之分，而公網(wǎng)4G的通信用戶間完全平等，沒(méi)有等級(jí)之分；從網(wǎng)絡(luò)通信的安全性上看，專網(wǎng)4G在進(jìn)行通信時(shí)需經(jīng)過(guò)不同層次的加密處理，在通信雙方間進(jìn)行雙向認(rèn)證，具有較高的安全性，而公網(wǎng)4G安全性相對(duì)較低，存在一定程度的通信風(fēng)險(xiǎn)；從網(wǎng)絡(luò)通信的經(jīng)濟(jì)性上看，專網(wǎng)4G通信構(gòu)架可由企業(yè)自行投資建設(shè)，企業(yè)具有絕對(duì)的使用權(quán)及控制權(quán)，經(jīng)濟(jì)可控性較大，而公網(wǎng)4G的使用方式通常為租賃，網(wǎng)絡(luò)使用以及建設(shè)會(huì)受到其他外界因素的影響，這個(gè)過(guò)程中會(huì)無(wú)形加大經(jīng)濟(jì)投入，相較專網(wǎng)而言經(jīng)濟(jì)性低。

3 4G網(wǎng)絡(luò)在油田數(shù)據(jù)傳輸中的優(yōu)勢(shì)

4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、傳輸，并在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)界面生成可視數(shù)據(jù)表，便于油田生產(chǎn)管理人員及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)狀況，對(duì)于實(shí)現(xiàn)油田的數(shù)字化管理、確保油田生產(chǎn)工作安全有效的開(kāi)展具有重要的應(yīng)用意義[3]。4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的傳輸性能可以與光纜的傳輸性能相媲美，比3G網(wǎng)絡(luò)提高了10倍以上，大幅度提升了數(shù)據(jù)的傳輸效率。

4G網(wǎng)絡(luò)與WLAN相比其使用范圍更廣。WLAN是一種局域網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)單位、校園、家庭環(huán)境等小范圍的網(wǎng)頁(yè)使用，而4G網(wǎng)絡(luò)是電話網(wǎng)絡(luò)與廣域網(wǎng)絡(luò)，除使用范圍更廣泛外，還具有撥打電話的功能。WIMAX是無(wú)線城域網(wǎng)，其使用時(shí)帶寬可達(dá)到70 Mbit/s，傳輸距離可達(dá)50 km，但在應(yīng)用時(shí)只能向所處地區(qū)的無(wú)線電管理局進(jìn)行申請(qǐng)，相對(duì)受制于人[5-6]。MCWILL又稱為多載波無(wú)線信息本地環(huán)路，其具有較好的兼容性且支持的終端類型豐富，其作為SCDMA的衍生產(chǎn)品，目前定位于固定無(wú)線寬帶技術(shù)，新近推出的R5版本產(chǎn)品在技術(shù)性能上類似于WIMAX對(duì)應(yīng)產(chǎn)品。而其早期產(chǎn)品由于政策管制的不明朗和替代性技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，基本定位于企業(yè)專網(wǎng)市場(chǎng)和農(nóng)村市場(chǎng)，市場(chǎng)反應(yīng)不大。MCWILL前期被廣泛關(guān)注，預(yù)測(cè)會(huì)成為中國(guó)寬帶接入市場(chǎng)的主流技術(shù)，但能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模部署需要得到電信管理部門(mén)和電信運(yùn)營(yíng)商的認(rèn)可。電信管理部門(mén)站在產(chǎn)業(yè)利益角度，而電信運(yùn)營(yíng)商則會(huì)更多考慮企業(yè)自身經(jīng)營(yíng)效果，他們會(huì)關(guān)注對(duì)產(chǎn)品的應(yīng)用模式及市場(chǎng)價(jià)值的認(rèn)知、可以接受的部署成本以及對(duì)終端產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)度的判斷。國(guó)際上認(rèn)為在規(guī)模部署階段MCWILL將無(wú)法獲得市場(chǎng)青睞。在短時(shí)間內(nèi)迅速提升產(chǎn)品成熟度、相應(yīng)業(yè)務(wù)模式符合用戶需求，并將價(jià)格降至運(yùn)營(yíng)商愿意接受的程度都將影響MCWILL的建設(shè)成本。

4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸支持100 Mbit/s以上的寬帶，比傳統(tǒng)的3G數(shù)據(jù)傳輸速度快10倍以上，在整個(gè)油田生產(chǎn)過(guò)程中數(shù)據(jù)的傳輸速度方面發(fā)揮了巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，強(qiáng)化了電子巡井的工作效率，提高了安全隱患的排查率，確保油田生產(chǎn)的安全事故得到及時(shí)有效地處理，降低了事故對(duì)于油田生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益的影響，從而有效地節(jié)約了油田生產(chǎn)的投入成本[7]。4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸與光纜數(shù)據(jù)傳輸相比，在保證相同的數(shù)據(jù)傳輸效率的基礎(chǔ)上，還具有光纜數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)一旦發(fā)生故障應(yīng)急速度快等優(yōu)點(diǎn)。焊接光纜纖芯也需要大量的投入資金，且由于焊接過(guò)程具有較強(qiáng)的專業(yè)性，給油田數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的故障修復(fù)工作帶來(lái)了較大的難度。整體來(lái)看，4G技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用正處于良好發(fā)展階段，4G通信技術(shù)在智能手機(jī)以外行業(yè)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，如應(yīng)用在油田生產(chǎn)方面。面向行業(yè)領(lǐng)域和消費(fèi)領(lǐng)域的資產(chǎn)管理、工業(yè)設(shè)備管理、電力、交通、金融、公共服務(wù)、安全監(jiān)控等大規(guī)模需求，4G網(wǎng)絡(luò)有廣闊的市場(chǎng)空間。隨著各個(gè)行業(yè)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中對(duì)數(shù)據(jù)連接的要求越來(lái)越高，4G占比將不斷上升。并且4G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用有效降低了數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的維護(hù)成本，降低了維修難度，應(yīng)用到油田生產(chǎn)方面將有助于提高油田生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

4 專網(wǎng)4G在油田數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用

甘肅的青海油田總面積約為5 020 km2，油氣儲(chǔ)量超過(guò)10×108t，該油氣田的開(kāi)發(fā)對(duì)促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的作用。為進(jìn)一步提高油田數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和快速性，強(qiáng)化油田生產(chǎn)的信息化水平，進(jìn)行了4G無(wú)線通信技術(shù)專網(wǎng)改造。該通信網(wǎng)絡(luò)采用基于IP核心網(wǎng)的組網(wǎng)方式，運(yùn)用260 M的LTE無(wú)線帶寬通信系統(tǒng)，并進(jìn)行自適應(yīng)重傳以及自適應(yīng)編碼調(diào)制設(shè)計(jì)[8]。該專網(wǎng)4G數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)投入使用后，經(jīng)檢測(cè)其工作頻率在212～221 MHz之間，當(dāng)接入設(shè)備的帶寬為1 MHz時(shí)，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到1.86 Mbit/s，與改造前相比數(shù)據(jù)傳輸速度具有較大的提升，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩耘c可靠性也更高。

在油田的生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)及生產(chǎn)的指揮系統(tǒng)都越發(fā)依賴于4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸[9]，特別是雙通道的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了獨(dú)立配置用于辦公和生產(chǎn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)。雙通道是在芯片級(jí)里設(shè)計(jì)兩個(gè)內(nèi)存控制器，這兩個(gè)內(nèi)存控制器可相互獨(dú)立工作。雙通道內(nèi)存技術(shù)其實(shí)是一種內(nèi)存控制和管理技術(shù)，它依賴于芯片組的內(nèi)存控制器進(jìn)行工作，在理論上能夠使兩條同等規(guī)格內(nèi)存所提供的帶寬增長(zhǎng)1倍，其早就被應(yīng)用于服務(wù)器和工作站系統(tǒng)中。雙通道是指內(nèi)存的讀、寫(xiě)使用不同的通道，可以同時(shí)讀和寫(xiě)，內(nèi)存帶寬翻倍，明顯提升系統(tǒng)的性能[10]。因此，為保證油田數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的工作效率，需采用一定的措施將生產(chǎn)網(wǎng)與辦公網(wǎng)進(jìn)行分化隔離。常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)隔離方式有完全物理隔離、完全邏輯隔離以及設(shè)備間物理隔離、應(yīng)用間邏輯隔離。

5 結(jié)束語(yǔ)

4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在油田數(shù)據(jù)傳輸方面極大地提高了油田數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，有效降低了油田生產(chǎn)的投入成本，其對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的不合理因素進(jìn)行了科學(xué)的監(jiān)管，減小了生產(chǎn)安全事故發(fā)生的概率，為油田生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造了更大的經(jīng)濟(jì)效益。但是4G技術(shù)在使用的過(guò)程中仍存在很多的問(wèn)題，需要引起高度重視，揚(yáng)長(zhǎng)避短，繼續(xù)發(fā)揮4G技術(shù)在油田數(shù)據(jù)傳輸方面的巨大作用。