基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的視頻和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

曹進(jìn)仁

中國(guó)石油化工股份有限公司華東分公司采油廠，江蘇 泰州 225300

0 引言

隨著油田自動(dòng)化信息系統(tǒng)建設(shè)，油田內(nèi)部從以前粗放式管理向信息化管理過(guò)渡，逐步加強(qiáng)了從采油過(guò)程到輸油過(guò)程的集中管理。油田企業(yè)由于其生產(chǎn)區(qū)域范圍大，生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，不利于采用傳統(tǒng)的有線方式來(lái)構(gòu)架生產(chǎn)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)橛芯€方式構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)不但會(huì)由于所監(jiān)視區(qū)域大而需要鋪設(shè)大量網(wǎng)線，從而提高成本，而且一旦遇到障礙物或者周圍環(huán)境惡劣時(shí)，將更不利于有線網(wǎng)絡(luò)的施工工作；同時(shí)，有線網(wǎng)絡(luò)還存在可擴(kuò)充性、靈活性差等缺點(diǎn)，一旦要增加或者減少被監(jiān)測(cè)點(diǎn)，將會(huì)帶來(lái)新的施工周期。在這種情況下，采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，利用無(wú)線網(wǎng)橋技術(shù)，可以將多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)與中央控制中心連接起來(lái)，且搭建迅速，可以在最短的時(shí)間內(nèi)迅速建立起無(wú)線網(wǎng)絡(luò)鏈路。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)專門針對(duì)油田所在地區(qū)的地理特點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境采用無(wú)線網(wǎng)橋?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主體，使系統(tǒng)滿足遠(yuǎn)程視頻和數(shù)據(jù)監(jiān)控的需求。可 24 小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控井場(chǎng)生產(chǎn)的安全情況 , 降低了安全監(jiān)控人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，為監(jiān)控中心的調(diào)度指揮提供強(qiáng)有力的保障，監(jiān)控中心的調(diào)度人員通過(guò)監(jiān)視遠(yuǎn)端傳送上來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)圖像及工況數(shù)據(jù)能直觀、準(zhǔn)確、及時(shí)地了解各井場(chǎng)的實(shí)際情況。同時(shí)該系統(tǒng)借助油田現(xiàn)有的辦公網(wǎng)絡(luò)資源，能為各級(jí)管理部門的應(yīng)用需求提供開放的數(shù)據(jù)平臺(tái)，使生產(chǎn)和管理人員及時(shí)控制和掌握生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，對(duì)取得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、優(yōu)化，從而為保證生產(chǎn)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)、降低生產(chǎn)成本提供重要依據(jù)。

本系統(tǒng)主要有3部分組成：前端圖像、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（含供電系統(tǒng)）、無(wú)線傳輸系統(tǒng)、后端監(jiān)控管理指揮系統(tǒng)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）

無(wú)線局域網(wǎng)利用射頻（RF）技術(shù)，取代由雙絞線連接的有線網(wǎng)絡(luò)，從而具備高度的靈活性和彈性。本系統(tǒng)無(wú)線局域網(wǎng)采用IEEE802.11g協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；該協(xié)議工作在5.8GHz的頻段，采用DSSS（直接序列擴(kuò)頻）再配合CCK（補(bǔ)碼鍵控）的調(diào)頻方式，傳輸速率最高可以達(dá)到54Mbit/s，成為事實(shí)意義上的高速無(wú)線局域網(wǎng)，能保證用于局域網(wǎng)范圍內(nèi)視頻傳輸所需的帶寬要求。 同時(shí)配合高增益天線，可以使網(wǎng)絡(luò)的有效傳輸距離達(dá)到10km以上，能滿足大范圍無(wú)線監(jiān)控的要求。

2.2 視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)的選擇

由于未經(jīng)壓縮的視頻數(shù)據(jù)量十分龐大，而傳輸信道帶寬常常很有限，所以壓縮標(biāo)準(zhǔn)的正確選擇對(duì)視頻的網(wǎng)絡(luò)傳輸至關(guān)重要。目前對(duì)視頻流進(jìn)行數(shù)字壓縮的標(biāo)準(zhǔn)很多，主要有：MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4以及H.263。

H.263是國(guó)際電信聯(lián)盟為64K窄帶信道制定的極低碼率編碼標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)帶寬要求低、圖像質(zhì)量較低。MPEG-1、2、4標(biāo)準(zhǔn)是MPEG組織制定的移動(dòng)圖像編碼標(biāo)準(zhǔn)，其中MPEG-1能達(dá)到VCD圖像效果，在352×288的分辨率下的位速率一般要1.5Mb/s；MPEG-2是MPEG-1的超集，能達(dá)到DVD圖像質(zhì)量，在720×576的分辨率下，位速率需3.5Mb/s以上。

MPEG-4是超低碼率運(yùn)動(dòng)圖像和語(yǔ)言的壓縮標(biāo)準(zhǔn)，它不僅是針對(duì)一定比特率下的視頻、音頻編碼，更加注重多媒體系統(tǒng)的交互性和靈活性。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)傳輸速率要求較低，在4800-64Kbits/sec之間，分辨率為176X144。MPEG-4利用很窄的帶寬，通過(guò)幀重建技術(shù)，壓縮和傳輸數(shù)據(jù)，以求以最少的數(shù)據(jù)獲得最佳的圖像質(zhì)量。與MPEG-1和MPEG-2相比，MPEG-4為多媒體數(shù)據(jù)壓縮提供了一個(gè)更為廣闊的平臺(tái)。它更多定義的是一種格式、一種架構(gòu)，而不是具體的算法。它可以將各種各樣的多媒體技術(shù)充分用進(jìn)來(lái)，包括壓縮本身的一些工具、算法，也包括圖像合成、語(yǔ)音合成等技術(shù)。而且MPEG4標(biāo)準(zhǔn)的占用帶寬可調(diào)，占用帶寬與圖像的清晰度成正比。以目前的技術(shù)，一般視頻傳輸占用帶寬大致在幾百K左右。采用了MPEG-4視頻壓縮技術(shù)，可以從根本上很好地解決了圖像數(shù)字化和帶寬之間的突出矛盾，算法的特點(diǎn)在于它實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量視頻圖像的極高壓縮比。

由于MPEG-4視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)具有壓縮比高、圖像質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)將采用這一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)原始視頻圖像進(jìn)行壓縮，可以大大的減小在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中需傳送的數(shù)據(jù)量；完全可以達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。

3 系統(tǒng)特點(diǎn)

下表對(duì)典型的3種監(jiān)控方案做了比較：

通過(guò)上述比較，針對(duì)油田行業(yè)本身特色，我們認(rèn)為基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)更能適應(yīng)于油田生產(chǎn)需要。

4 系統(tǒng)功能

1）井口數(shù)據(jù)采集；

2）綜合故障報(bào)警；

3）視頻監(jiān)控；

4）自動(dòng)報(bào)表生成。

4.1 井口數(shù)據(jù)采集

1）采集井口工況數(shù)據(jù)并寫入數(shù)據(jù)庫(kù)；

2）井口工況數(shù)據(jù)歷史查詢。

4.2 綜合故障報(bào)警

1）記錄數(shù)據(jù)超限故障、通訊故障、軟件模塊故障、用戶操作等多種信息；

2）使用最新的Flash, AJAX技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的基于Web的實(shí)時(shí)報(bào)警功能；

3）報(bào)警歷史信息查詢；

4）采用多媒體技術(shù)報(bào)警；

5）管理員消警功能。

4.3 視頻監(jiān)控

1）監(jiān)測(cè)井場(chǎng)實(shí)時(shí)畫面；

2）重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位異動(dòng)報(bào)警；

3）提供多種方式查詢。

4.4 自動(dòng)報(bào)表生成

1）采用Excel模板機(jī)制，以模板化的方式，自動(dòng)生成報(bào)表，并可以靈活擴(kuò)充新報(bào)表；

2）根據(jù)生產(chǎn)需要可進(jìn)行二次開發(fā)，為生產(chǎn)過(guò)程的節(jié)能優(yōu)化提供決策支持。

5 應(yīng)用情況

目前該系統(tǒng)已經(jīng)在本單位黃橋地區(qū)的二氧化碳井場(chǎng)得到應(yīng)用。隊(duì)部通過(guò)一臺(tái)監(jiān)視器能夠遠(yuǎn)程查看到分布在各個(gè)井場(chǎng)的實(shí)時(shí)圖像和井口的壓力，流量，溫度等數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患，設(shè)備工況，為加強(qiáng)管理，提高生產(chǎn)效率提供很好的保證手段。

[1]張剛要.視頻信息的網(wǎng)絡(luò)化傳輸及呈現(xiàn)[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(2).

[2]黃劍玲.視頻編碼的幾種MPEG標(biāo)準(zhǔn)比較[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2000(4).