基于4G-LTE的海上油田智能化設(shè)備巡檢系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

徐亮

摘要：將4G-LTE無(wú)線覆蓋、智能化數(shù)據(jù)采集終端等無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于海上油氣田現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備巡檢、監(jiān)控等進(jìn)行智能化管理和融合，是一項(xiàng)具有創(chuàng)新意義的工作，該課題的開(kāi)展，對(duì)4G-LTE無(wú)線覆蓋技術(shù)以及智能化設(shè)備巡檢系統(tǒng)在智能化數(shù)字化海上油田的推廣應(yīng)用以及未來(lái)海上油田信息化建設(shè)將起到很好的示范效果。

關(guān)鍵詞：海上油氣田;4G-LTE;智能化巡檢;信息化建設(shè)

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）05-0132-03

0引言

在石油化工企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)海上平臺(tái)的油、氣田的生產(chǎn)設(shè)備，以及油、氣、輸送管道的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，相當(dāng)重要。傳統(tǒng)的油、氣田監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)需要值班人員周期性巡檢，手動(dòng)記錄或者采用點(diǎn)檢儀記錄后轉(zhuǎn)存儲(chǔ)于本地。存在巡檢工作量大、耗費(fèi)人工、漏檢、誤檢、數(shù)據(jù)處理繁瑣、歷史數(shù)據(jù)檢索困難、實(shí)時(shí)性差等諸多難題。

采用4G-LTE專網(wǎng)綜合信息管理、智能巡檢，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)日常巡檢的路線與巡檢計(jì)劃的下載，巡檢任務(wù)生成，巡檢結(jié)果記錄，巡檢結(jié)果上傳等等，并且能夠基于4G-LTE專網(wǎng)的特點(diǎn)完成對(duì)設(shè)備信息及現(xiàn)場(chǎng)巡檢可視化操作，包括對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備點(diǎn)檢異常的拍照、錄音等。完成數(shù)據(jù)的采集后，通過(guò)4G-LTE無(wú)線專網(wǎng)快速準(zhǔn)確的傳送到生產(chǎn)運(yùn)管中心，便于集中管理和統(tǒng)一監(jiān)控。

1海上油氣田智能化設(shè)備巡檢系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

智能化巡檢系統(tǒng)目前在國(guó)內(nèi)的電力行業(yè)、森林維護(hù)管理行業(yè)、智能化工廠以及陸地石油化工行業(yè)等都有相應(yīng)的應(yīng)用，雖然在國(guó)內(nèi)各行業(yè)以及石油化工行業(yè)應(yīng)用還不是那么普及，但是隨著國(guó)內(nèi)智能化、信息化、物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，智能化巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用快速深入各行各業(yè)。而國(guó)內(nèi)的海上油氣田在智能化巡檢這一塊的建設(shè)和發(fā)展目前尚處于空白狀態(tài)，與數(shù)字海洋、智慧海洋建設(shè)的方針不符，由此展開(kāi)論述。

與海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)傳統(tǒng)巡檢方式對(duì)比：

（1）降低成本，提高效率：降低人員周期性巡檢，手動(dòng)記錄等的人工成本，并且減少有線連接方式下的鋪設(shè)線纜成本和人工成本，提高了工作效率，同時(shí)也極大的節(jié)省了維護(hù)成本。

（2）規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)：有效的遠(yuǎn)程監(jiān)控各點(diǎn)位的巡檢，并且能夠根據(jù)規(guī)劃的巡檢任務(wù)逐一完成，對(duì)于人工巡檢疏漏的巡檢點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)的提醒，能夠根據(jù)巡檢人員回傳的信息（圖片、數(shù)據(jù)等），實(shí)時(shí)分析設(shè)備的情況，并及時(shí)反饋給巡檢人員，能夠高效的處理問(wèn)題，尤其是無(wú)人平臺(tái)規(guī)避了漏檢帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)以及現(xiàn)場(chǎng)處理問(wèn)題的效率，消除隱患，同時(shí)也能夠?qū)崟r(shí)定位巡檢人員所在位置，能有效的規(guī)避人員安全風(fēng)險(xiǎn)。

2海上油氣田4G-LTE無(wú)線專網(wǎng)建設(shè)研究

2.1LTE技術(shù)及系統(tǒng)組成

LTE（Long Term Evolution）是第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)核心技術(shù)為OFDM/FDMA技術(shù)。LTE系統(tǒng)與第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有著本質(zhì)的不同，LTE系統(tǒng)接入網(wǎng)絡(luò)更加扁平化，趨近于典型的lP寬帶網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)RNC節(jié)點(diǎn)被簡(jiǎn)化，其無(wú)線資源管理功能也全部位于eNB（Evolved Node B，演進(jìn)型基站）中，LTE系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，即接入網(wǎng)部分和核心網(wǎng)部分，接入網(wǎng)又稱為E-UTRAN（Evolved Universal Terrestrial RadioAccess Network，演進(jìn)型全球地面無(wú)線接入網(wǎng)），由eNB構(gòu)成，eNB之間通過(guò)x2接口交互信息。核心網(wǎng)，又稱EPC（Evolved Packet Core，演進(jìn)型分組核心網(wǎng)），包括MME（Mobflity Management Entity，移動(dòng)性管理實(shí)體）和S-GW（Serving Gateway）（圖1）。

為了滿足上述需求，LTE系統(tǒng)在MIMO和OFDM/OFDMA等技術(shù)的基礎(chǔ)上，主要在以下關(guān)鍵技術(shù)做出了提升和增強(qiáng)。

2.1.1載波聚合

LTE系統(tǒng)支持多種不同的載波帶寬，包括1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz以及20MHZo為了滿足MT-Advanced系統(tǒng)達(dá)到上行500Mbit/s、下行1Gbit/s的需求，3GPP提出了LTE擴(kuò)展傳輸帶寬至100MHz的設(shè)計(jì)目標(biāo)，所以3GPP組織提出載波聚合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)帶寬的擴(kuò)展。由于受限的頻譜資源，連續(xù)的能夠滿足需求的頻譜很少，所以載波聚合又包括連續(xù)載波聚合和非連續(xù)載波聚合的情況（表1）。

2.1.2多天線增強(qiáng)

在LTE系統(tǒng)中，多天線技術(shù)得到進(jìn)一步的增強(qiáng)，信道容量的改善是通過(guò)擴(kuò)展空間傳輸維度的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如上行最高支持4個(gè)發(fā)射天線4個(gè)接收天線，下行最高支持8個(gè)發(fā)射天線8個(gè)接收天線，是滿足LTE峰值譜效率和平均譜效率提升需求的重要途徑之一。

2.1.3中繼技術(shù)

與前幾代移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，LTE支持高數(shù)據(jù)速率要求，可能需要使用傳輸能力較大的高頻載波，為此LTE引入了中繼技術(shù)，即Relay技術(shù)。Relay技術(shù)是在原有站點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)增加一些新的中繼節(jié)點(diǎn)，增加基站和天線的分布密度。這些新增中繼節(jié)點(diǎn)和原有基站都通過(guò)無(wú)線連接，下行數(shù)據(jù)先由原有基站發(fā)送給中繼節(jié)點(diǎn)，然后中繼節(jié)點(diǎn)再發(fā)送給用戶設(shè)備，上行則反之。進(jìn)而縮短了原有基站和用戶設(shè)備問(wèn)的傳輸距離，中繼技術(shù)延伸了傳輸距離，改善了傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)的頻譜利用率。

2.1.4協(xié)作多點(diǎn)傳輸技術(shù)

協(xié)作多點(diǎn)傳輸CoMP技術(shù)，英文縮寫(xiě)為Coordinated Multipoints，是LTE系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，主要是消除小區(qū)間干擾，提高系統(tǒng)性能。該技術(shù)是指地理位置上分離，但是相鄰的多個(gè)站點(diǎn)或者天線聯(lián)合操作，為用戶提供協(xié)作服務(wù)，用以抑制相鄰小區(qū)對(duì)用戶的干擾，改善了小區(qū)邊緣的性能和整個(gè)系統(tǒng)的性能，提高了用戶的服務(wù)質(zhì)量。

2.2海上油氣田生產(chǎn)平臺(tái)LTE專網(wǎng)設(shè)計(jì)

因?yàn)楹Ｉ嫌蜌馍a(chǎn)平臺(tái)主要是以鋼結(jié)構(gòu)為主，無(wú)線信號(hào)在大氣中以電磁波的方式傳播，無(wú)線信號(hào)無(wú)法穿透鋼板。平臺(tái)有封閉式結(jié)構(gòu)的生活區(qū)，有敞開(kāi)式的鉆井區(qū)，有車(chē)間式的生產(chǎn)區(qū)，組成結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

針對(duì)海上生產(chǎn)平臺(tái)的這些特點(diǎn)，無(wú)線覆蓋方采用室外無(wú)線覆蓋和室內(nèi)分布覆蓋共存的方式。

2.2.1頻率選擇

4G-LTE專網(wǎng)的覆蓋頻率有1.8G、2.4G、2.6G等頻點(diǎn)，1.8G在室內(nèi)分布系統(tǒng)中應(yīng)用較為成熟，普遍，產(chǎn)品類型豐富、無(wú)需定制，既能滿足室外無(wú)線覆蓋又滿足室內(nèi)分布覆蓋，因此本次研究考慮1.8G一體化基站進(jìn)行平臺(tái)的無(wú)線寬帶專網(wǎng)覆蓋。

2.2.2典型海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)建網(wǎng)設(shè)計(jì)

海上生產(chǎn)平臺(tái)4G-LTE無(wú)線信號(hào)覆蓋區(qū)域由3個(gè)部分組成，包括生活區(qū)，生產(chǎn)區(qū)，鉆井區(qū)。生活區(qū)與鉆井區(qū)位于平臺(tái)上部，生產(chǎn)區(qū)位于平臺(tái)下部，部分中心平臺(tái)還通過(guò)棧橋連接井口平臺(tái)（圖2）。

生活區(qū)一般為3層或者4層的生活樓，層高約4米，長(zhǎng)約27米，寬約12米。生活區(qū)外墻為厚鋼板結(jié)構(gòu)，室內(nèi)房間之間為薄鋼板結(jié)構(gòu)，有吊頂。

鉆井平臺(tái)一般共4層，層高約4米，長(zhǎng)約80米，寬約35米。鉆井區(qū)多數(shù)為開(kāi)闊區(qū)，布放少量的電氣及機(jī)械設(shè)備與少量的集裝箱，還有1副近100米高的井架。

生產(chǎn)區(qū)一般分為8.5米甲板、18.5米甲板、25米甲板、29.5米甲板，全高約21米，長(zhǎng)約100米，寬約35米。生產(chǎn)區(qū)房間較多，房間外墻為厚鋼板結(jié)構(gòu)，房間之間是薄鋼板結(jié)構(gòu)，室外機(jī)器設(shè)備擺放較密集。

2.2.3基站架設(shè)

生活區(qū)基站1安裝在生活樓頂，通過(guò)全向天線覆蓋生活區(qū)頂部、生產(chǎn)區(qū)上層區(qū)域，包括：生活樓頂部、直升機(jī)甲板、候機(jī)室、兩部吊車(chē)駕駛艙、生產(chǎn)區(qū)上層甲板?；镜碾娫春途W(wǎng)絡(luò)可通過(guò)網(wǎng)線和電源線直接沿橋架接入到報(bào)房。

生產(chǎn)區(qū)基站2安裝在生產(chǎn)區(qū)中層甲板，通過(guò)全向天線覆蓋生產(chǎn)區(qū)中層甲板、下層甲板、井口平臺(tái)生產(chǎn)區(qū)中下層甲板區(qū)域?；镜碾娫春途W(wǎng)絡(luò)可通過(guò)網(wǎng)線和電源線直接沿橋架就近接入或者接入到報(bào)房。

鉆井區(qū)基站3安裝在井架上，通過(guò)全向天線覆蓋井口平臺(tái)鉆井區(qū)、生產(chǎn)區(qū)上層甲板、兩部吊車(chē)駕駛艙等區(qū)域，由于井架到就近的接人房間距離較長(zhǎng)，需通過(guò)光纜作為傳輸鏈路。

3海上油氣田智能化巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1整體架構(gòu)

智能化巡檢系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)分為三部分：終端設(shè)備、接人層設(shè)備、系統(tǒng)設(shè)備，結(jié)合海油生產(chǎn)平臺(tái)實(shí)際結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，系統(tǒng)設(shè)備布置在平臺(tái)機(jī)房（平臺(tái)無(wú)線電房、生產(chǎn)中控室），包括核心網(wǎng)服務(wù)器、定位服務(wù)器、巡檢服務(wù)器、調(diào)度服務(wù)器、網(wǎng)管服務(wù)器和操作臺(tái)等，可以根據(jù)平臺(tái)崗位特點(diǎn)，如果平臺(tái)配置無(wú)線電房并且有無(wú)線電子員，可以將該系統(tǒng)設(shè)備部署在無(wú)線電房或者部署在平臺(tái)中控室;如果平臺(tái)沒(méi)有無(wú)線電房，該系統(tǒng)設(shè)備直接部署在中控室。接入層基站等設(shè)備分別部署在平臺(tái)生活區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、鉆井區(qū)，進(jìn)行全平臺(tái)室內(nèi)外4C-LTE無(wú)線專網(wǎng)覆蓋。終端設(shè)備分為固定的視頻監(jiān)控設(shè)備，可移動(dòng)的集群對(duì)講設(shè)備、巡檢終端設(shè)備，方便巡檢人員隨身攜帶（圖3）。

3.2智能化巡檢系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

在海上生產(chǎn)平臺(tái)的生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)油、氣田的生產(chǎn)設(shè)備，以及油、氣輸送管道的各種參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，相當(dāng)重要。傳統(tǒng)的油、氣田監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)需要值班人員周期性巡檢，手動(dòng)記錄或者采用點(diǎn)檢儀記錄后本地存儲(chǔ)。人工成本高，也會(huì)留下許多人為因素，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

采用4C-LTE專網(wǎng)智能巡檢終端，可以完成以下任務(wù)：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)日常巡檢的路線與巡檢計(jì)劃的下載，巡檢任務(wù)生成，巡檢結(jié)果記錄，巡檢結(jié)果上傳等功能。

（2）能夠于4G專網(wǎng)的應(yīng)用功能完成對(duì)設(shè)備信息及現(xiàn)場(chǎng)巡檢可視化操作，包括對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備點(diǎn)檢異常的拍照、錄音等。

（3）對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)4G專網(wǎng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)陜速準(zhǔn)確的傳送到監(jiān)控中心，便于集中管理和統(tǒng)一監(jiān)控。

對(duì)于海上平臺(tái)生產(chǎn)狀況的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，終端可以通過(guò)兩種方式進(jìn)行：

（1）終端通過(guò)RFID模塊采集標(biāo)簽信息，來(lái)完成巡檢點(diǎn)信息的識(shí)別。

（2）終端通過(guò)無(wú)線方式或有線方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)視頻、圖片、溫度和震動(dòng)的數(shù)據(jù)采集。

設(shè)備巡檢管理包括設(shè)備巡檢計(jì)劃同步，設(shè)備巡檢實(shí)施，巡檢結(jié)果上傳等子功能模塊。

巡檢計(jì)劃同步的目的是將后臺(tái)管理系統(tǒng)制定或修改好的巡檢計(jì)劃下載到終端中。巡檢終端可根據(jù)系統(tǒng)定義的巡檢計(jì)劃自動(dòng)創(chuàng)建巡檢任務(wù)，并按照巡檢任務(wù)開(kāi)始和結(jié)束巡檢，巡檢任務(wù)可根據(jù)業(yè)務(wù)進(jìn)行調(diào)整。

設(shè)備巡檢實(shí)施模塊用于日常的巡檢實(shí)施，進(jìn)入巡檢實(shí)施模塊后，選擇操作人員（可通過(guò)人員卡識(shí)別）并進(jìn)入操作界面。并對(duì)巡檢路線上的巡檢點(diǎn)、巡檢設(shè)備和巡檢內(nèi)容要求進(jìn)行巡檢操作。

巡檢員使用巡檢終端掃描生產(chǎn)區(qū)的配套R(shí)FID信息鈕，終端顯示當(dāng)前巡檢任務(wù)，巡檢員可以根據(jù)提示，按照巡檢內(nèi)容進(jìn)行手工信息錄入，錄入信息可以是儀表數(shù)據(jù)或文字描述等。當(dāng)巡檢內(nèi)容中包含測(cè)溫測(cè)振項(xiàng)目時(shí)，則巡檢終端會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟溫度或振動(dòng)測(cè)量功能，進(jìn)行測(cè)量操作，并自動(dòng)保存測(cè)量結(jié)果。當(dāng)前全部任務(wù)完成后，可進(jìn)行巡檢結(jié)果上傳。

4總結(jié)與展望

基于4G-LTE的油田智能化設(shè)備巡檢系統(tǒng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各類數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，提升平臺(tái)生產(chǎn)整體數(shù)據(jù)自動(dòng)采集率;通過(guò)建立平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象與管理者問(wèn)的互聯(lián)互通，為上層應(yīng)用和其它信息系統(tǒng)應(yīng)用提供穩(wěn)定、可靠的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)支持;通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)管理、安全防范管理及資產(chǎn)可視化管理等應(yīng)用建設(shè)，進(jìn)一步提升平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)操作和安全管控水平，提升平臺(tái)精細(xì)化管理和智能化管理水平。

本課題將4C-LTE無(wú)線覆蓋、智能化數(shù)據(jù)采集終端等無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于油田現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備巡檢、監(jiān)控等進(jìn)行智能化管理和融合，是一項(xiàng)具有創(chuàng)新意義的工作，該課題的開(kāi)展，對(duì)4G-LTE無(wú)線覆蓋技術(shù)以及智能化設(shè)備巡檢系統(tǒng)在智能化數(shù)字化油田建設(shè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用以及新建海上油田無(wú)線信息化建設(shè)將起到很好的示范作用。

5GNt照也已經(jīng)發(fā)放，并且將陸續(xù)投入商用，隨著技術(shù)的快速發(fā)展，基于5G專網(wǎng)的系統(tǒng)和應(yīng)用也會(huì)陸續(xù)展開(kāi)，進(jìn)而海上平臺(tái)的無(wú)線專網(wǎng)覆蓋也更加復(fù)雜，需要考慮設(shè)備、協(xié)議、接口、軟件向上兼容等問(wèn)題。4G-LTE專網(wǎng)和5G專網(wǎng)在海上平臺(tái)共存應(yīng)用場(chǎng)景下的管理也是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。