新疆油田陰極保護(hù)電位數(shù)據(jù)通信方式研究

文松青 尤立華 劉遠(yuǎn)東 王銀強(qiáng) 欒翔

新疆油田油氣儲(chǔ)運(yùn)公司

新疆油田油氣管道多分布于荒漠戈壁，具有交通運(yùn)輸不便、通信基礎(chǔ)差等特點(diǎn)。該油田的管道陰極保護(hù)數(shù)據(jù)仍以人工測(cè)量為主，首先經(jīng)人工實(shí)地測(cè)量獲得陰極保護(hù)數(shù)據(jù)，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，最后匯總并傳輸至主管部門。顯而易見，這種通信方式時(shí)效性差，過程繁瑣，無法滿足智能化油田建設(shè)的需要。

隨著科技的進(jìn)步，陰極保護(hù)電位自動(dòng)采集儀應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)了陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化，已逐步推廣到各大油田?，F(xiàn)階段，油氣管道陰極保護(hù)數(shù)據(jù)通信主要采用GSM/GPRS模塊或者基于物聯(lián)網(wǎng)的NB-IoT模塊。這兩種通信方式都嚴(yán)重依賴通信基站，鑒于新疆油田油氣管道部分分布于沙漠腹地，移動(dòng)基站少、通信基礎(chǔ)差，這兩種方式并不完全適用于該地區(qū)陰極保護(hù)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳通信。因此，分析陰極保護(hù)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)現(xiàn)狀，對(duì)比市場(chǎng)主流無線通信方式，研究開發(fā)適用于該油田的陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳通信方式，既是基于實(shí)際的客觀需要，又具有工程指導(dǎo)意義。

1 現(xiàn)有系統(tǒng)通信方式

基于GSM/GPRS模塊通信技術(shù)的核心是采用一樁一卡的運(yùn)行模式，其主要特征是單點(diǎn)采集，單點(diǎn)傳輸，低復(fù)雜度，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。陰極保護(hù)采集儀采集陰極保護(hù)數(shù)據(jù)，通過集成在陰極保護(hù)采集儀內(nèi)的GSM/GPRS模塊將數(shù)據(jù)打包傳輸至通信基站，在通信基站接入路由器傳輸至后端數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和完整性管理平臺(tái)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件處理后供主管部門調(diào)閱。

基于物聯(lián)網(wǎng)的NB-IoT通信技術(shù)，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與圖1大同小異。不同的是，NB-IoT可以實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)數(shù)據(jù)的單點(diǎn)采集、集散傳輸功能，減少了所需通信模塊的數(shù)量。

圖1 基于GSM/GPRS模塊通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of communication system based on GSM/GPRS model

上述兩種數(shù)據(jù)通信方式復(fù)雜度較低，但高度依賴移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)成本高。對(duì)于分布于沙漠腹地，通信基礎(chǔ)差、交通不便的地區(qū)，采用這兩種通信方式，易造成數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，甚至丟失。其中，GSM/GPRS通信方式為單工通信，功耗過高，嚴(yán)重縮短了陰極保護(hù)采集儀內(nèi)電池使用壽命，增加了維護(hù)成本。

2 無線傳輸方式的比較

由于該油田油氣管道大多分布于荒漠戈壁，不具備有線通信的條件，所以數(shù)據(jù)通信方式只能采用無線傳輸。表1為五種無線通信方式的對(duì)比。

（1）ZigBee無線通信技術(shù)。ZigBee是一種短距離無線通信技術(shù)，具有短距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗的特點(diǎn)[1-2]。工作頻率2.4 GHz（全球），最大傳輸距離2.5 km，功耗約500 mW。ZigBee通信技術(shù)由于通信距離較短，隨著組網(wǎng)規(guī)模增大，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)臃腫不堪。

表1 五種無線通信方式的比較Tab.1 Comparison of five wireless communication modes

（2）GSM/GPRS無線通信技術(shù)。GPRS/GSM通信技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備易于架設(shè)，數(shù)據(jù)傳輸速率較快；但對(duì)通信基站依賴性強(qiáng)，在基站通信繁忙或網(wǎng)絡(luò)信號(hào)差的地區(qū)，易發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)，甚至丟失，且GSM/GPRS通信模塊功耗過大。

（3）NB-IoT低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)。NB-IoT是工作于授權(quán)頻譜下的蜂窩通信技術(shù)[3]，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。NB-IoT具有廣覆蓋、低功耗、低成本和大連接等特點(diǎn)[4]。

（4）LoRa低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)。LoRa是工作于全球免費(fèi)頻段的無線擴(kuò)頻通信技術(shù)[5-6]，具有遠(yuǎn)距離、低功耗（電池壽命長(zhǎng)）、多節(jié)點(diǎn)、低成本的特性。最大發(fā)射功率為30 dBm（1W），接收電流5 mA，射頻電流150 mA，接收靈敏度低至-148 dBm[7-8]，在空曠環(huán)境中傳輸距離可達(dá)20 km[9]。

（5）北斗短報(bào)文通信。中國(guó)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是全球四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)之一[10]，最大的特色是北斗短報(bào)文通信，現(xiàn)已逐步推廣應(yīng)用到各行各業(yè)中。北斗短報(bào)文最大的優(yōu)勢(shì)是全方位覆蓋、無盲區(qū)，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性與安全性，適用于其他通信手段無法覆蓋的地區(qū)[11-12]；但其通信容量小，運(yùn)行費(fèi)用高，不適合大數(shù)據(jù)量的傳輸。

綜合上述分析，ZigBee、GSM/GPRS和NB-IoT因其自身的特點(diǎn)，都不能很好地適應(yīng)新疆油田陰極保護(hù)采集儀間的數(shù)據(jù)通信。LoRa通信技術(shù)作為一種無線鏈狀通信技術(shù)，能夠滿足油氣管道陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集中線狀、小流量通信拓?fù)涞囊?，并且可以自由組網(wǎng)形成不同的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外，Lo-Ra具有較低成本、較高電池壽命和適用于不需要頻繁通信的應(yīng)用程序或設(shè)備的特點(diǎn)，很好地契合了油氣管道陰極保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。因此，最終確定陰極保護(hù)采集儀間的數(shù)據(jù)通信采用LoRa通信技術(shù)；北斗短報(bào)文以其無覆蓋盲區(qū)的優(yōu)勢(shì)，可以作為沙漠腹地等通信基礎(chǔ)較差地區(qū)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳手段。

3 油田陰極保護(hù)數(shù)據(jù)通信方案

3.1 LoRa通信+移動(dòng)基站系統(tǒng)

如前文所述，基于LoRa通信技術(shù)的陰極保護(hù)采集儀間數(shù)據(jù)通信是最適合新疆油田油氣管網(wǎng)的。在通信基礎(chǔ)較好的地方，可以利用現(xiàn)有移動(dòng)基站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。陰極保護(hù)采集儀利用LoRa通信自組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)建立完整、可靠的鏈狀通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)數(shù)據(jù)在陰極保護(hù)采集儀間的互聯(lián)互傳；部分集成有GSM/GPRS通信模塊的陰極保護(hù)采集儀將數(shù)據(jù)打包傳輸至通信基站，在通信基站接入路由器傳輸至后端數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和完整性管理平臺(tái)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件處理后供主管部門調(diào)閱。

圖2 LoRa通信+移動(dòng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of LoRa and mobile base station system

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕帢O保護(hù)數(shù)據(jù)在陰極保護(hù)采集儀間冗余傳輸，形成神經(jīng)網(wǎng)鏈狀通信拓?fù)洹Ｍㄐ啪W(wǎng)絡(luò)即使同時(shí)出現(xiàn)若干個(gè)故障單元都不會(huì)對(duì)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響，具有可靠性高、誤碼率低、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。對(duì)于50 km的油氣管道（該油田油氣管道站間距約為50 km），若采用通信距離為4.5 km的LoRa模塊，可在20～30 s內(nèi)完成陰極保護(hù)采集儀間的數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)傳送至GSM/GPRS通信模塊，完成陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳?？傮w來說，本通信方案的時(shí)效性是較好的。

由于LoRa工作于全球免費(fèi)頻段，本通信方案的投資費(fèi)用主要為L(zhǎng)oRa通信模塊和少量GSM/GPRS通信模塊的材料費(fèi)和安裝建設(shè)費(fèi)用，另有少量GSM/GPRS通信模塊的流量費(fèi)。GSM/GPRS通信模塊的減少以及LoRa的低功耗，大大降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)優(yōu)于GSM/GPRS通信方案。

3.2 LoRa通信+北斗短報(bào)文系統(tǒng)

對(duì)于深處沙漠腹地的油氣管網(wǎng)，沒有條件采用移動(dòng)基站進(jìn)行通信。為獲得沙漠腹地油氣管網(wǎng)的陰極保護(hù)狀態(tài)，可以采用北斗短報(bào)文的方式，完成沙漠腹地陰極保護(hù)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。前端至后端通信流程為：①陰極保護(hù)采集儀利用LoRa通信自組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)建立完整、可靠的鏈狀通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)數(shù)據(jù)在陰極保護(hù)采集儀間的互聯(lián)互傳；②部分集成有北斗發(fā)射模塊的陰極保護(hù)采集儀將陰極保護(hù)數(shù)據(jù)加密并發(fā)射傳輸?shù)奖倍沸l(wèi)星；③衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商將收到的短報(bào)文調(diào)制解調(diào)后推送到客戶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；④網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳輸至后端數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和完整性管理平臺(tái)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件處理后供主管部門調(diào)閱。

圖3 LoRa通信+北斗短報(bào)文系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of LoRa and Beidou short message system

陰極保護(hù)采集儀每小時(shí)采集1次陰極保護(hù)數(shù)據(jù)，為降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元功耗，延長(zhǎng)電池使用壽命，采集的數(shù)據(jù)先緩存在陰極保護(hù)采集儀內(nèi)，定時(shí)集中遠(yuǎn)傳。目前，民用北斗通信卡通信頻率為60 s-1，單次報(bào)文長(zhǎng)度為78 bit。采用通信距離為4.5 km的LoRa模塊對(duì)油氣管道實(shí)行交叉度為3的交叉覆蓋。仍以50 km站間距為例，北斗發(fā)射模塊每日需上傳數(shù)據(jù)大小約為2 880 bit。換句話說，單個(gè)北斗發(fā)射終端約需37 min完成上一天的陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳工作。

與移動(dòng)基站的網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ较啾?，北斗通信發(fā)射終端會(huì)對(duì)所傳數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，安全性更高。此系統(tǒng)的投資主要為建設(shè)成本和北斗短報(bào)文通信費(fèi)。建設(shè)成本包括北斗發(fā)射終端和LoRa通信模塊的材料費(fèi)和安裝費(fèi)用。仍以50 km站間距、通信距離4.5 km、交叉度為3的通信拓?fù)錇槔?，其總投資約為40萬元，略高于LoRa通信+移動(dòng)基站系統(tǒng)。與GSM/GPRS通信系統(tǒng)相比，其維護(hù)成本大大降低，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，該通信方案仍遠(yuǎn)優(yōu)于GSM/GPRS通信方案，更為重要的是，它提供了一種無公網(wǎng)地區(qū)的陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳方案。

4 結(jié)論

分析了陰極保護(hù)數(shù)據(jù)采集通信的應(yīng)用現(xiàn)狀，比較了市場(chǎng)主流無線通信方式的差異，結(jié)合新疆油田的具體實(shí)際，提出了針對(duì)少數(shù)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到區(qū)域的陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳方案，最終確立了適用于新疆油田油氣管網(wǎng)的陰極保護(hù)數(shù)據(jù)通信方式，即采用LoRa通信+移動(dòng)基站通信系統(tǒng)和LoRa通信+北斗短報(bào)文通信系統(tǒng)。采用神經(jīng)網(wǎng)鏈狀通信拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，提高了陰極保護(hù)采集儀間數(shù)據(jù)通信的可靠性。利用北斗短報(bào)文通信，解決了無人區(qū)、無公網(wǎng)地區(qū)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳難題。在公網(wǎng)較好的地區(qū)，采用移動(dòng)基站的方式，降低了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。此外，LoRa擴(kuò)頻通信的低功耗，在很大程度上降低了電池的功耗，增強(qiáng)了續(xù)航時(shí)間，降低了維護(hù)成本。上述通信方案能滿足智能化油田建設(shè)的需要，對(duì)工程實(shí)際具有一定的指導(dǎo)意義。