WiFi基站在油田中的應(yīng)用

陳家林，胡 靜，郝毫毫

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205）

1997年IEEE推出了802.11無線局域網(wǎng)2 Mb/s標(biāo)準(zhǔn)后無線局域網(wǎng)并未得到普及，而1999年802.11b技術(shù)的出現(xiàn)使得無線局域網(wǎng)的速率可以到達(dá)11 Mb/s，由于技術(shù)成熟以及移動終端的普及使無線局域網(wǎng)的市場不斷擴(kuò)大，隨之而來的新的標(biāo)準(zhǔn)如802.11g、802.11a又將無線局域網(wǎng)的速率提到了一個(gè)新的高度，使之完全可以滿足復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境部署以及高帶寬媒體應(yīng)用的需求。現(xiàn)在IEEE 802.11這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)已被統(tǒng)稱作WiFi[1]。

青海油田南八仙礦區(qū)100多口油井、氣井、水井油氣井分布在半徑5 km范圍內(nèi)，其中油井40多口，油田方面要求建立穩(wěn)定、可靠、實(shí)時(shí)、安全的網(wǎng)絡(luò)，以便于將井場視頻、地面功圖、井下壓力等數(shù)據(jù)傳回礦區(qū)辦公區(qū)，供管理人員和技術(shù)人員及時(shí)掌握油氣井動態(tài)，確保油氣井安全高效運(yùn)行[2]。辦公區(qū)內(nèi)采用有線局域網(wǎng)能夠解決多人同時(shí)查看和分析井況，辦公區(qū)到井場則采用無線網(wǎng)絡(luò)，該礦區(qū)是典型的雅丹地貌，山頂一般有3層樓高，較高的山有7層樓高，且油井多數(shù)分布在兩山之間的低洼處，這種地理?xiàng)l件十分不利于無線通信[3]。在備選方案中有 GPRS、CDMA、EVDO等，但都由于帶寬小，不能滿足多井視頻同時(shí)傳輸。采用WiFi設(shè)備構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，最主要的優(yōu)勢在于帶寬高、延遲小、傳輸距離適合油田礦區(qū)，新型WiFi基站在一定條件下還可以實(shí)現(xiàn)非視距傳輸，經(jīng)過實(shí)際測試，WiFi網(wǎng)絡(luò)能夠很好地適應(yīng)南八仙礦區(qū)惡劣的地理環(huán)境。

1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)中，服務(wù)器與機(jī)房PC通過電纜有線連接，使得在服務(wù)器端可以隨時(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)。服務(wù)器通過中繼鏈路與基站實(shí)現(xiàn)無線銜接，同時(shí)有帶WiFi的PC與基站實(shí)現(xiàn)無線銜接，以便控制基站前端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，前端設(shè)備井下壓力計(jì)、球機(jī)攝像機(jī)和無線示功儀通過各井場的WiFi客戶端P2與基站進(jìn)行無線連接。辦公區(qū)內(nèi)管理人員可以通過該系統(tǒng)實(shí)時(shí)高效地查看井場信息。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig．1 System structure diagram

基站是傳統(tǒng)的移動通信系統(tǒng)中，用來連接固定設(shè)備與無線移動設(shè)備，并通過空中的無線傳輸與移動臺相連的設(shè)備[4]?，F(xiàn)有的WiFi網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要被用于實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備之間的無線連接，在計(jì)算機(jī)、打印機(jī)等設(shè)備互聯(lián)中應(yīng)用得特別廣泛，隨著技術(shù)發(fā)展，覆蓋范圍大，接入點(diǎn)數(shù)量多，通道帶寬高的WiFi基站進(jìn)入了實(shí)用階段，特別適合像油田礦區(qū)、工廠、學(xué)校、市政等固定設(shè)備實(shí)現(xiàn)無線互聯(lián)應(yīng)用。以基站形式建設(shè)遠(yuǎn)程WiFi網(wǎng)絡(luò)主要涉及到3類設(shè)備：基站、客戶端設(shè)備和中繼設(shè)備。

基站安裝位置要滿足以下條件：1）安裝比較方便，便于維護(hù)；2）為克服地球曲率，基站要有一定的高度，使信號能覆蓋足夠廣的范圍。經(jīng)過實(shí)地勘測基站架設(shè)在距離辦公區(qū)服務(wù)器機(jī)房200 m旁的鐵塔上。由于地質(zhì)構(gòu)造原因，機(jī)房每隔若干年需要重建，鋪設(shè)網(wǎng)線連接基站和服務(wù)器顯然不合適，因此，以兩臺WBS－2400N2設(shè)備建立中繼鏈路實(shí)現(xiàn)基站與機(jī)房無線銜接，機(jī)房搬家后只需要調(diào)整塔上和地面的WBS－2400N2天線方向即可。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)實(shí)際方案Fig．2 Actual plan of system

波迅 （Wavion）WBS－2400CNF基站工作在免許可頻段，數(shù)據(jù)帶寬達(dá)25 Mb/s。該基站以6根天線組成的智能天線陣列以及6套射頻發(fā)射裝置，以空間自適應(yīng)波束賦形技術(shù)（BeamForming）為手段，自動尋找信號到達(dá)客戶端設(shè)備的最佳方向，可以工作在視距或者非視距環(huán)境下，并提供更大的覆蓋范圍以及更穩(wěn)定的無線relax連接。工作在非視距時(shí)，Wavion獨(dú)有的領(lǐng)先技術(shù)空分多址 （SDMA）技術(shù)可以使802．11a 的帶寬容量成倍增加[5]。

2 應(yīng)用效果

仙中29井位于基站南方，直線距離約600 m處，距離雖近，但井場處于兩個(gè)土丘之間的低洼處，土丘高約16 m，從井場看不到基站。仙中29井上，裝有MD－RS28永久壓力溫度遙測設(shè)備，高速網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控球機(jī)，RG－5無線示功儀等，通過客戶端設(shè)備 WBS－2400P2鏈接到基站，在服務(wù)器端可以實(shí)時(shí)監(jiān)控井下壓力溫度變化、地面示功圖、井場圖像等。

MD－RS28/WiFi永久壓力溫度遙測設(shè)備用于監(jiān)測井下油層中部壓力變化，具有0．002 5%FS的高分辨率，能夠測量油層極其細(xì)微的壓力溫度變化。如圖3所示，MD－RS28中還集成了交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備，以便于將各種設(shè)備用網(wǎng)絡(luò)連接在一起。

圖3 在服務(wù)器端監(jiān)控到的壓力溫度Fig．3 Pressure and temperature monitoring in server client

無線示功儀將載荷傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器和短距離通信模塊集成在一體，能夠采集功圖、沖次、判斷開停井等，將采集結(jié)果經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心。

高速網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控球機(jī)集視頻采集、實(shí)時(shí)壓縮、網(wǎng)絡(luò)傳輸、設(shè)備存儲等功能為一體，以較低帶寬傳輸高質(zhì)量的音視頻數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)在局域網(wǎng)的實(shí)時(shí)視頻傳輸，具有圖像預(yù)覽、錄像、回放、抓拍、告警等遠(yuǎn)程監(jiān)控管理能力。

示功圖和壓力溫度數(shù)據(jù)所占用帶寬與系統(tǒng)設(shè)置有關(guān)，在設(shè)置為每10 min一幅示功圖，每秒一次壓力溫度采樣時(shí)約為20 b/s，相對于25 Mb/s的網(wǎng)絡(luò)帶寬數(shù)據(jù)量十分小，WiFi完全可以保證高品質(zhì)的傳輸效果。

傳輸視頻信號時(shí)，所需帶寬為 0．1～0．5 Mb/s，耗用較多的網(wǎng)絡(luò)資源，當(dāng)同時(shí)接入的監(jiān)控球機(jī)較多時(shí)會對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆€(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。針對油田實(shí)際問題，監(jiān)控球機(jī)設(shè)計(jì)成只在監(jiān)控室調(diào)用時(shí)，才會傳輸視頻信息，平時(shí)不占用帶寬，還能夠通過設(shè)定最大監(jiān)視點(diǎn)數(shù)來限制同時(shí)接入的球機(jī)數(shù)。監(jiān)控球機(jī)上裝有自動報(bào)警裝置，自動保存報(bào)警前后一段時(shí)間的錄像，報(bào)警時(shí)立即自動接入服務(wù)器，傳輸視頻信息，以便于及時(shí)觀察現(xiàn)場情況。

3 無線電信號覆蓋情況

測試設(shè)備為客戶端設(shè)備 WBS－2400P2，通過RJ45網(wǎng)線連接到便攜機(jī)上，隨車移動，測試時(shí)車輛停在事先選定礦區(qū)的具有代表性最邊沿的四處井場上，來測試基站的無線電信號覆蓋和服務(wù)器通訊文件傳輸情況[6]。WBS-2400P2設(shè)備上有信號強(qiáng)度指示，網(wǎng)絡(luò)連接、通暢特性還可以通過網(wǎng)絡(luò)延遲指標(biāo)體現(xiàn)。測試中還在各測試點(diǎn)測試了通過無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控仙中29井的情況，以評估無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)井間信息傳輸情況，測試井場附近網(wǎng)絡(luò)通暢性指標(biāo)如表1所示。

表1測試井場附近網(wǎng)絡(luò)通暢性指標(biāo)Tab.1 Smooth indicators of network near the test oilfield

測試點(diǎn)四是關(guān)卡外的油井，由于井場地勢低洼，無線信號不是很好，但在井場旁邊的小土坡上，信號強(qiáng)度指示滿格，信號非常好。實(shí)際使用時(shí)可以在小土坡上建立一個(gè)小區(qū)域覆蓋站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信號的可靠傳輸。

在上述各測試點(diǎn)，均能夠通過基站和仙中29井上的遙測設(shè)備建立正常通訊，使用壓力計(jì)監(jiān)測軟件和攝像頭監(jiān)測軟件觀察仙中29井的實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面和井下壓力數(shù)據(jù)，與服務(wù)器端獲得的結(jié)果相同。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)已在青海南八仙礦區(qū)應(yīng)用，且效果較為理想，較好地克服了油田惡劣的地理環(huán)境。系統(tǒng)使用WiFi無線網(wǎng)絡(luò)，信號基本覆蓋了整個(gè)油田，避免了數(shù)據(jù)在公網(wǎng)上的傳輸，本質(zhì)上杜絕了惡意的客戶訪問，保證了網(wǎng)絡(luò)通信的安全；WiFi基站和客戶端數(shù)據(jù)吞吐量25 Mb/s，保證了視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳輸所需要的帶寬，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠焚|(zhì)，增強(qiáng)了監(jiān)控的實(shí)時(shí)性，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋环?wù)器通過中間的各種網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)儀表的“直接對話”，便于開發(fā)和維護(hù)。新的無線儀表可以很容易地添加到運(yùn)行系統(tǒng)中，兼容性良好。WiFi無線網(wǎng)絡(luò)為南八仙礦區(qū)的進(jìn)一步發(fā)展提供了新的思路，同時(shí)也為物聯(lián)網(wǎng)在油氣井中的廣泛使用打下基礎(chǔ)。

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