無線異構(gòu)網(wǎng)在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

南方石油勘探開發(fā)有限責(zé)任公司 鄧若虹，薛廣民

北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司 趙世睿

大慶油田信息技術(shù)公司北京分公司 王慶偉

1 引言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷應(yīng)用，國(guó)內(nèi)石油公司加快了油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。中國(guó)石油油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)（A11）系統(tǒng)是《中國(guó)石油“十二五”信息技術(shù)總體規(guī)劃》的重要建設(shè)項(xiàng)目，通過建立覆蓋油氣井區(qū)、計(jì)量間、集輸站、聯(lián)合站、處理廠規(guī)范、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、生產(chǎn)預(yù)警，支持油氣生產(chǎn)過程管理，進(jìn)一步提高油氣田生產(chǎn)決策的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)分為三部分，即數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控與管理子系統(tǒng)[1]。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)作為油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的重要組成部分，主要是利用數(shù)據(jù)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和視頻圖像的實(shí)時(shí)傳輸，為生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控、生產(chǎn)預(yù)警，生產(chǎn)過程管理等應(yīng)用提供一個(gè)穩(wěn)定、可靠、安全、高效的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)。

在網(wǎng)絡(luò)傳輸方面，主要采用有線和無線方式，根據(jù)地理特征、場(chǎng)站分布、傳輸效率、成本控制、維護(hù)管理等諸多因素，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的前端數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)通常采用無線傳輸技術(shù)，所部署無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

（1）場(chǎng)站分布不均衡，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)距離遠(yuǎn)近不一，要求無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持長(zhǎng)距離傳輸，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積廣；

（2）現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)項(xiàng)繁雜、數(shù)據(jù)流量大，要求無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸效率高，冗余處理能力強(qiáng)；

（3）氣候條件多變、自然環(huán)境惡劣，要求無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定、自愈能力強(qiáng)、維護(hù)率低；

（4）安裝、調(diào)試、維護(hù)數(shù)量龐大，要求無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格適中、可控成本。

本文主要以福山油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)為實(shí)例，介紹一種無線網(wǎng)橋+LTE230無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方案。

2 數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)選型

2.1 無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)對(duì)比分析

在油氣生產(chǎn)中常用的無線數(shù)據(jù)傳輸方式有數(shù)傳電臺(tái)、GPRS/3G、LTE1800、LTE230，McWill和無線網(wǎng)橋等。它們?cè)诠ぷ黝l段、傳輸速率、覆蓋范圍、擴(kuò)容性及建設(shè)運(yùn)行成本等方面各有優(yōu)劣勢(shì)。近兩年來，隨著4G無線傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中LTE1800和LTE230等4G新技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。各油田物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的建設(shè)可從實(shí)際出發(fā)，選擇一種或多種無線傳輸方式的組合，以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需求。下面主要簡(jiǎn)介無線網(wǎng)橋及LTE230技術(shù)，并對(duì)目前常用的GPRS/3G 、LTE1800、LTE230及網(wǎng)橋的性能進(jìn)行簡(jiǎn)要對(duì)比分析。

無線網(wǎng)橋除了具備有線網(wǎng)橋的基本特點(diǎn)之外，工作在2.4G或5.8G頻段免申請(qǐng)無線執(zhí)照，因而更方便部署。無線網(wǎng)橋傳輸標(biāo)準(zhǔn)常采用802.11a 、802.11b、802.11g、802.11n標(biāo)準(zhǔn)，802.11n是無線網(wǎng)橋新一代的高帶寬傳輸標(biāo)準(zhǔn)，具備300Mbps高速率以及MIMO天線技術(shù)，使得無線網(wǎng)橋性能提升到一個(gè)新的高度。無線網(wǎng)橋可以廣泛應(yīng)用在不同數(shù)據(jù)傳輸點(diǎn)間的互聯(lián)，有四種工作方式：無線覆蓋、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)，中繼連接。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，無線網(wǎng)橋通常是安裝于室外，主要用于連接兩個(gè)（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)PTP連接）或者多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)PTMP連接，類似于無線AP的方式）。無線網(wǎng)橋傳輸具有帶寬高，抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

LTE230系統(tǒng)是針對(duì)行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無線通信需求，基于OFDM、自適應(yīng)編碼調(diào)制、自適應(yīng)重傳等4G核心技術(shù)，使用各行業(yè)在230MHz頻段已有離散頻譜資源，創(chuàng)新研發(fā)、為行業(yè)客戶深度定制的無線寬帶通信系統(tǒng)。LTE230具有覆蓋廣、容量大、頻譜效率高、頻譜適應(yīng)性強(qiáng)、安全性高、可靠性好、部署擴(kuò)展平滑等特點(diǎn)。針對(duì)行業(yè)數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)終端分布范圍廣且分散的特點(diǎn)，采用廣覆蓋基站可大幅度減少同等面積的部署成本。LTE230系統(tǒng)工作在230MHz頻段，國(guó)家無線電管理委員會(huì)發(fā)布的《關(guān)于印發(fā)民用超短波遙測(cè)、遙控、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)頻段規(guī)劃的通知》[2]（國(guó)無管[1991]5號(hào)）中規(guī)定，能源行業(yè)擁有專用的授權(quán)頻點(diǎn)，由于在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中有頻率使用政策上的天然優(yōu)勢(shì)，結(jié)合4G LTE先進(jìn)技術(shù)及廣覆蓋優(yōu)勢(shì)，LTE230具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

通過對(duì)目前常用的GPRS/3G 、LTE1800、LTE230和網(wǎng)橋傳輸方式的綜合對(duì)比（如表1所示），可總結(jié)如下：

（1）無線傳輸?shù)母采w范圍很大程度上取決于無線電波的工作頻段，低頻段無線電波較高頻段無線信號(hào)的空間傳播衰落慢，傳播距離遠(yuǎn)；低頻段能夠更好的繞過遮擋障礙。

（2）復(fù)雜地形的適應(yīng)性決定了無線傳輸系統(tǒng)能否全面滿足目標(biāo)覆蓋區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸要求。對(duì)于傳輸?shù)攸c(diǎn)分散的情況，要實(shí)現(xiàn)全覆蓋數(shù)據(jù)傳輸要求，高頻無線系統(tǒng)的基站建設(shè)數(shù)量就要加大，建設(shè)成本會(huì)因此而增加。

（3）公網(wǎng)的初期建設(shè)成本低，但是專線租用費(fèi)或終端數(shù)據(jù)流量資費(fèi)都較高；專網(wǎng)方式初期建設(shè)成本高，但運(yùn)行成本低，在覆蓋區(qū)域內(nèi)新增傳輸數(shù)據(jù)點(diǎn)，只需增加終端設(shè)備費(fèi)用，因此專網(wǎng)更具有優(yōu)勢(shì)。

（4）在業(yè)務(wù)承載能力方面，無線網(wǎng)橋及LTE1800工作頻率較高，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳輸能力，可傳輸實(shí)時(shí)生產(chǎn)和視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；網(wǎng)橋還可以傳輸高清視頻信號(hào)。而LTE230使用低頻，傳輸速率受到限制，只能承載數(shù)據(jù)傳輸或者圖片數(shù)據(jù)的傳輸，不能傳輸視頻數(shù)據(jù)。

2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)選型

福山油田位于海南省西北部澄邁縣境內(nèi)，澄邁多屬平原臺(tái)地，地勢(shì)南高北低。由于福山油田地形地貌有一定起伏變化，加之當(dāng)?shù)貥涓咔颐?，?duì)無線信號(hào)的傳播造成了遮擋，部分區(qū)域由于地形遮擋形成了信號(hào)空洞?？諝鉂穸却?，無線信號(hào)的衰減比較嚴(yán)重，從站點(diǎn)選擇上，很難找到理想的直視傳播路徑。

福山油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)在無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行了無線信號(hào)傳播實(shí)地勘測(cè)和仿真。所測(cè)結(jié)果表明：以生產(chǎn)監(jiān)控中心基站為基點(diǎn)，LTE230無線信號(hào)東向覆蓋約為7～8公里，其他方向覆蓋約為10～15公里，無線網(wǎng)橋信號(hào)覆蓋范圍約為3～5公里。

LTE230具有復(fù)雜地形的適應(yīng)性強(qiáng)及綜合成本低等優(yōu)勢(shì)；按照油田總的井?dāng)?shù)及單個(gè)井場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸量計(jì)算，LTE230的傳輸能力能滿足實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)及部分圖片數(shù)據(jù)的傳輸需求。采用無線網(wǎng)橋與LTE230蜂窩覆蓋相結(jié)合組成異構(gòu)網(wǎng)，整體上既能全面覆蓋，最大限度降低復(fù)雜地形地貌對(duì)無線傳播造成的不利影響，同時(shí)規(guī)模受控，降低初期建設(shè)成本。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸量估算

福山油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要有兩類，一類是實(shí)時(shí)生產(chǎn)和控制數(shù)據(jù)，如油氣水井、計(jì)量間、站庫(kù)的油壓、套壓、溫度、功圖、電參等實(shí)時(shí)采集的生產(chǎn)；第二類是用于監(jiān)控管理的實(shí)時(shí)視頻圖像或圖片、語(yǔ)音數(shù)據(jù)。

（1）實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸估算

實(shí)際勘察福山油田單個(gè)井場(chǎng)的機(jī)采井、注水井或自噴井?dāng)?shù)量通常不超過10個(gè)，井場(chǎng)及單井實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)量如表2所示。

表2 井場(chǎng)及單井采集數(shù)據(jù)計(jì)算表

計(jì)算參考：164500Bits=160.644kb；假設(shè)采用10秒刷新一次數(shù)據(jù)的頻率，單個(gè)井場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求約為：160.644kb/10s=16kbps，即單個(gè)井場(chǎng)的要求數(shù)據(jù)傳輸速率不得低于16kbps。

（2）實(shí)時(shí)視頻及圖片數(shù)據(jù)估算

福山油田井、站場(chǎng)采用200萬高清視頻監(jiān)控設(shè)備，根據(jù)實(shí)際帶寬可選擇主、輔碼流進(jìn)行視頻傳輸，具體參數(shù)如表3所示：

表3 200萬像素云臺(tái)攝像機(jī)相關(guān)參數(shù)表

高清攝像機(jī)視頻數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求為4096kbps，即4Mbps。攝像機(jī)每張高清圖片壓縮后按照150kB估算，采集周期為1分鐘，則每個(gè)井場(chǎng)進(jìn)行圖片采集的數(shù)據(jù)流量要求為：150k×8/60，即為20kbps。通過分析可以得出，無線網(wǎng)橋+LTE230無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以滿足福山油田的數(shù)據(jù)流量需求。

3 無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案

無線網(wǎng)橋+LTE230雙網(wǎng)異構(gòu)的應(yīng)用方案具體部署如下：整個(gè)無線傳輸網(wǎng)的架構(gòu)以網(wǎng)橋?qū)拵橹?，LTE230窄帶為輔；無線網(wǎng)橋?qū)χ攸c(diǎn)井以“點(diǎn)”覆蓋， LTE230以“面”覆蓋；同時(shí)兼顧中心站點(diǎn)附近或地勢(shì)平坦遮擋物少的井場(chǎng)，采用無線網(wǎng)橋傳輸方式，距中心站點(diǎn)遠(yuǎn)或遮擋物密集的井場(chǎng)，則采用LTE230傳輸方式的原則。無線網(wǎng)橋選用奧維通設(shè)備，LTE230系統(tǒng)選用普天公司設(shè)備，如圖1所示為福山油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。

無線網(wǎng)橋傳輸系統(tǒng)由中心基站、匯聚點(diǎn)和遠(yuǎn)程終端三部分組成，在地勢(shì)較高的井場(chǎng)設(shè)立匯聚點(diǎn)通信鐵塔，塔上部署奧維通54Mbps點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無線中心網(wǎng)橋，用于接收匯聚點(diǎn)周圍可視范圍內(nèi)井場(chǎng)實(shí)時(shí)生產(chǎn)視頻數(shù)據(jù)；匯聚點(diǎn)通信塔與中心基站通信塔各部署奧維通350Mbps點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線網(wǎng)橋設(shè)備，用于基站之間骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸。

LTE230網(wǎng)絡(luò)主要由核心網(wǎng)、基站及CPE無線終端組成。井場(chǎng)使用普天公司CPE202無線終端設(shè)備；基站設(shè)備(eNodeB)部署在匯聚點(diǎn)通信塔，它匯集周邊8～12公里范圍內(nèi)井場(chǎng)傳送來的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及視頻圖片數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的回傳；核心網(wǎng)（EPC）部署在生產(chǎn)管理中心附近的中心基站，LTE230基站與核心網(wǎng)之間的通信共用奧維通350Mbps點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線網(wǎng)橋骨干網(wǎng)絡(luò)。

生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸：井站采用國(guó)內(nèi)主流無線RTU控制器，控制器支持雙IP鏈路。在有無線網(wǎng)橋和LTE230雙網(wǎng)組合的井場(chǎng)，奧維通終端無線網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)傳送至匯聚點(diǎn)中心網(wǎng)橋。當(dāng)無線網(wǎng)橋出現(xiàn)傳輸故障時(shí)，LTE230無線終端自動(dòng)接管數(shù)據(jù)傳輸，并將數(shù)據(jù)上傳至匯聚點(diǎn)的LTE230基站，經(jīng)匯聚點(diǎn)的350Mbps點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)橋骨干網(wǎng)將井站生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳至油氣生產(chǎn)監(jiān)控中心。在僅安裝LTE230無線終端通信的井場(chǎng)，LTE230無線終端將數(shù)據(jù)上傳至匯聚點(diǎn)LTE230基站，由350Mbps點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)橋設(shè)備將數(shù)據(jù)上傳至油氣生產(chǎn)監(jiān)控中心。

視頻數(shù)據(jù)傳輸：在無線網(wǎng)橋和LTE230雙網(wǎng)組合的井場(chǎng)，實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)通過奧維通終端無線網(wǎng)橋上傳至匯聚點(diǎn)中心網(wǎng)橋，再由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)橋骨干網(wǎng)上傳至生產(chǎn)監(jiān)控中心。在僅有LTE230無線終端通信的井場(chǎng)，視頻圖片直接通過LTE230無線終端上傳至匯聚點(diǎn)LTE230基站，由350Mbps點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)橋骨干網(wǎng)將各井站視頻圖片上傳至油氣生產(chǎn)監(jiān)控中心。

本無線異構(gòu)網(wǎng)采用兩級(jí)網(wǎng)關(guān)的方式，無線網(wǎng)橋的網(wǎng)關(guān)設(shè)置在中心側(cè)， LTE230系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)置在終端側(cè)。在工作狀態(tài)，LTE230系統(tǒng)能夠智能識(shí)別出廣播數(shù)據(jù)無中心網(wǎng)關(guān)響應(yīng)的情況，一旦中心網(wǎng)關(guān)無響應(yīng)，則立即進(jìn)行網(wǎng)關(guān)接管并切換數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，由LTE230系統(tǒng)來傳輸數(shù)據(jù)。

圖1 福山油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

4 結(jié)語(yǔ)

本方案中由LTE230系統(tǒng)和無線網(wǎng)橋技術(shù)組建的無線異構(gòu)網(wǎng)，既利用了230MHz頻段LTE系統(tǒng)的信號(hào)傳播距離遠(yuǎn)，穩(wěn)定性高、繞射能力強(qiáng)和廣覆蓋的特點(diǎn)，同時(shí)發(fā)揮了網(wǎng)橋點(diǎn)到點(diǎn)通信靈活、低成本和高傳輸速率的優(yōu)勢(shì)，雙網(wǎng)異構(gòu)又進(jìn)一步保障了生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。無線網(wǎng)橋+LTE230無線異構(gòu)網(wǎng)在實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、安全、高效，完全可以滿足福山油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和視頻圖像實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

[1] 中國(guó)石油油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范[R]. 2013.

[2] 關(guān)于印發(fā)民用超短波遙測(cè)、遙控、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)頻段規(guī)劃的通知[R]. 國(guó)家無線電管理委員會(huì), 1991.

[3] 新型230MHz無線寬帶通信系統(tǒng)技術(shù)白皮書[R]. 普天信息技術(shù)研究院有限公司, 2010.