基于泄露電纜的海上鉆井平臺(tái)手機(jī)通信系統(tǒng)的研究

段麗華

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基于泄露電纜的海上鉆井平臺(tái)手機(jī)通信系統(tǒng)的研究

段麗華

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院 電氣工程系，遼寧 葫蘆島 125005）

本文利用泄漏電纜對(duì)傳輸信號(hào)邊傳輸邊泄露的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套基于泄漏電纜的通信系統(tǒng)，應(yīng)用于海上鉆井平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)用手機(jī)代替對(duì)講機(jī)通信，在發(fā)揮對(duì)講機(jī)通信優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，彌補(bǔ)了對(duì)講機(jī)通信的不足，同時(shí)，應(yīng)用一根泄漏電纜，來(lái)實(shí)現(xiàn)集語(yǔ)音通信、數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控于一體，達(dá)到對(duì)整個(gè)鉆井平臺(tái)進(jìn)行可靠、有效的通信與監(jiān)控的目的，相比對(duì)講機(jī)通信系統(tǒng)而言，本系統(tǒng)功能更加完善，可靠性更勝一籌，具有很大的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展空間。

泄漏電纜 通信 鉆井平臺(tái)

0 引言

海上鉆井平臺(tái)主要用于鉆探井的海上結(jié)構(gòu)物，它主要分移動(dòng)式平臺(tái)、固定式平臺(tái)兩大類，具體包括自升式平臺(tái)、坐底式平臺(tái)、鉆井船、張力腿式平臺(tái)、半潛式平臺(tái)、牽索塔式平臺(tái)、混凝土重力式平臺(tái)、導(dǎo)管架式平臺(tái)、深水順應(yīng)塔式平臺(tái)等。無(wú)論是哪種平臺(tái)，都基本是在遠(yuǎn)離海岸線的茫茫大海中，那么在平臺(tái)上，尤其是一些面積大的平臺(tái)或者如FPSO及周圍一些小平臺(tái)上，總控室和工人之間，工人和工人之間的通信就成了一個(gè)至關(guān)重要的問題。

目前，大多數(shù)平臺(tái)上采用對(duì)講機(jī)通信，它的優(yōu)點(diǎn)是：1）無(wú)需借助任何的通訊運(yùn)營(yíng)商，不會(huì)產(chǎn)生話費(fèi)；2）可以一對(duì)多，即1號(hào)對(duì)講機(jī)可以同時(shí)向2號(hào)，3號(hào)，4號(hào)……等等N個(gè)對(duì)講機(jī)同時(shí)發(fā)布命令；3）這也是手機(jī)信號(hào)變?nèi)趸蛘邲]有時(shí)的選擇。它的缺點(diǎn)是：1）通話距離有限，超出通訊距離通話質(zhì)量就會(huì)有所下降，不像手機(jī)那樣肆無(wú)忌憚的到處走動(dòng)；2）受環(huán)境影響嚴(yán)重，在嘈雜的環(huán)境中沒能夠保持通暢無(wú)阻的通訊聯(lián)系；3）少有或者沒有視頻和短信、微信功能；4）只能單工通信。而海上鉆井平臺(tái)因?yàn)榭臻g有限，為了滿足生產(chǎn)、生活的需要，不得不將其有限的大空間再分成多個(gè)小空間，造成空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，艙室緊湊、過道窄小，層間低矮不一，樓梯坡度大，出入口矮小等問題，這使得對(duì)講機(jī)的通話質(zhì)量變得更加不理想，無(wú)法滿足正常生產(chǎn)生活需求。那么，如何才能揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮對(duì)講機(jī)的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)克服它的缺點(diǎn)，增加它的功能呢？這就是今天我們要討論的話題，即應(yīng)用泄露電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆井平臺(tái)上的手機(jī)通信系統(tǒng)的研究。

1 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案

1.1 泄漏電纜及通信系統(tǒng)的組成

如圖1所示，泄漏電纜是一種專門用于泄漏通信的高頻電纜，它的外導(dǎo)體不是全屏蔽的，而是設(shè)有泄漏槽或疏編織孔的。因此，當(dāng)其工作時(shí)，信號(hào)中的一部分就會(huì)通過這個(gè)特設(shè)的泄漏槽或編織孔泄漏到以本電纜為中心的外部區(qū)域，本電纜附近的接收機(jī)（包括移動(dòng)接收機(jī)手機(jī)）就會(huì)收到相應(yīng)的信號(hào)；同時(shí)，外部設(shè)備發(fā)出的信號(hào)（包括手機(jī)發(fā)出的移動(dòng)信號(hào)）也可以通過特設(shè)的泄漏槽或編織孔進(jìn)入到泄漏電纜的內(nèi)部。換而言之，泄露電纜具有傳輸線和收、發(fā)天線的雙重功能，再加上必要的輔助設(shè)備，就可以組成一個(gè)完整的泄漏通信系統(tǒng)了。這個(gè)系統(tǒng)可以滿足以泄漏電纜為中心，沿泄漏電纜附近的一定區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)通信。且一根泄漏電纜可以同時(shí)傳輸80 MHz、150 MHz、400 MHz、900 MHz等多個(gè)頻段，也就是說(shuō)，只要敷設(shè)一根泄漏電纜，就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、視頻、寬帶接入等多種通信[3]，可見，“泄漏電纜通信系統(tǒng)”可在一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生均勻的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)，幾乎不存在通信盲區(qū)，不易受到干擾信號(hào)的影響，能實(shí)現(xiàn)信號(hào)穩(wěn)定可靠的收發(fā)通信，因而非常適合在鉆井平臺(tái)上使用。

具體的通信系統(tǒng)如圖2所示[1]：總控室里有主機(jī)、語(yǔ)音/數(shù)據(jù)基站、數(shù)據(jù)解調(diào)器和視頻監(jiān)視器等構(gòu)成。主機(jī)提供了包括主板（濾波器和放大器）、主機(jī)的供電單元、分配器、隔離單元等四個(gè)部分的至語(yǔ)音基站、數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器以及視頻監(jiān)視器的接口。主機(jī)可支持語(yǔ)音/數(shù)據(jù)信道，語(yǔ)音/數(shù)據(jù)基站由接收器、發(fā)射器和控制器三個(gè)部分組成，可以根據(jù)具體需要設(shè)置成全雙工、半雙工或單工操作方式，濾波器和放大器用于路由無(wú)線電信號(hào)到接收器與發(fā)射器的合路與分路。

圖1 泄漏電纜

1.2 平臺(tái)室外通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在平臺(tái)船艙室外，泄漏電纜被分割成一段一段的，段與段之間均由雙向無(wú)線中繼器相互聯(lián)系在一起，這樣系統(tǒng)安裝更為靈活方便，用戶需要采集哪里的信息就將泄纜安裝到哪里，不用就可以拆除。拆除其中的某一段不會(huì)影響其他段的性能，只要還在中繼器的傳輸范圍內(nèi)就可以順利的將本段兩側(cè)的兩段泄纜信號(hào)相聯(lián)系、傳輸。這非常的適用于如FPSO等的平臺(tái)之間的通信，也在很大程度上降低了系統(tǒng)的成本。本系統(tǒng)中，平臺(tái)會(huì)根據(jù)自己的實(shí)際情況，在需要的地方安裝可視監(jiān)控設(shè)備、環(huán)境監(jiān)控等裝置，在實(shí)現(xiàn)和對(duì)講機(jī)一樣通信的同時(shí)，又能采集到其他重要的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，完善了通信功能。

這里的無(wú)線中繼器應(yīng)用雙向中繼器，它設(shè)于泄漏電纜段與段之間的間隙中間，用來(lái)放大補(bǔ)償信號(hào)沿泄漏電纜傳輸時(shí)因向外泄露而造成的損失。另外，為了終止泄漏電纜中電流的流動(dòng)，電纜未端還需要安裝終端裝置，使整個(gè)系統(tǒng)阻抗達(dá)到平衡狀態(tài)。

圖3 平臺(tái)室外通信系統(tǒng)框圖

1.3 平臺(tái)室內(nèi)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因?yàn)樾孤峨娎|輻射半徑有限，所以要是像普通通信系統(tǒng)一樣只安裝室外，那么室內(nèi)幾乎沒有信號(hào)，變成盲區(qū)，所以平臺(tái)的室內(nèi)也需裝有通信系統(tǒng)。

泄漏電纜敷設(shè)方式分橫向敷設(shè)和縱向敷設(shè)兩種[5]，各有特點(diǎn)，各平臺(tái)可以根據(jù)各自建筑的特點(diǎn)鋪設(shè)。無(wú)論哪種敷設(shè)，都要保證泄露電纜的輻射方向指向室內(nèi)。當(dāng)遇到拐彎處（如圖4所示），或?qū)娱g高度低矮，樓梯坡度較大時(shí)，可以適當(dāng)?shù)恼{(diào)整中繼器的安裝位置和方向，或通過添加一小段泄漏電纜的方式來(lái)使得信號(hào)順利有效的傳輸。再依據(jù)建筑物的特點(diǎn)和高度決定敷設(shè)數(shù)量，同時(shí)也可以在需要的地方安裝如煙霧報(bào)警等監(jiān)控設(shè)備，在滿足基本通信的同時(shí)，提高了室內(nèi)的安全性，具體系統(tǒng)以圖4為例。

1.4 基于泄漏電纜的通信傳輸系統(tǒng)

利用泄漏電纜窄帶無(wú)線電通道傳輸語(yǔ)音信號(hào)，采用Cable Modem技術(shù)實(shí)現(xiàn)寬帶接入；采取TCP/IP通信協(xié)議，每部具有監(jiān)控或者檢測(cè)功能的設(shè)備以及手機(jī)都有一個(gè)IP地址，實(shí)現(xiàn)雙向語(yǔ)音通訊、數(shù)據(jù)通訊和視頻信號(hào)共線傳輸。

1.4.1語(yǔ)音通信系統(tǒng)[4]

基站發(fā)送進(jìn)入漏泄電纜的信號(hào)，是頻帶中心為頻率f1的射頻信號(hào)，經(jīng)選通放大，使f1頻帶信號(hào)形成下行信號(hào)，產(chǎn)生漏泄場(chǎng)供沿途所有移動(dòng)設(shè)備（手機(jī)）接收；手機(jī)發(fā)射信號(hào)是頻帶中心頻率為f2的射頻信號(hào)，經(jīng)選通放大，使f2的頻帶信號(hào)形成上行信號(hào)最終至基站，基站收到f2頻帶信號(hào)或解調(diào)送出系統(tǒng)或以f1頻帶轉(zhuǎn)發(fā)送入系統(tǒng)，完成系統(tǒng)手機(jī)間的異頻雙工通信。

圖4 平臺(tái)室內(nèi)通信系統(tǒng)框圖

1.4.2數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[2]

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包拈2部分，ILC (In-Line ControIler)和HEC (Head End Controller)。ILC在地下為數(shù)據(jù)終端和泄漏電纜網(wǎng)絡(luò)提供接口，它把連續(xù)的數(shù)據(jù)流從監(jiān)測(cè)設(shè)備轉(zhuǎn)換成射頻RF信號(hào)，并把它送到泄漏電纜。相反，它又能把射頻RF信號(hào)從泄漏電纜取出并轉(zhuǎn)換成連續(xù)的數(shù)據(jù)流。

HEC剛好與ILC相反。它從遠(yuǎn)端的ILC中收集RF數(shù)據(jù)，并把它轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)流，也從計(jì)算機(jī)提取數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成RF信號(hào)發(fā)送出去。

1.5 泄漏電纜的安裝原則

泄露電纜的安裝布放遵循以下幾點(diǎn)原則：

1）泄漏電纜鋪設(shè)時(shí)不能扭曲、打結(jié)、盤絞，杜絕發(fā)生打圈、死彎、浪涌等現(xiàn)象，鋪設(shè)在室內(nèi)時(shí)要注意保持電纜與墻體之間的距離；

2）要根據(jù)設(shè)計(jì)要求的型號(hào)和規(guī)格鋪設(shè)泄漏電纜并確定其走向和位置，其泄露方向要盡量對(duì)著接受設(shè)備，走線要求排列整齊，拐彎圓滑，外皮完好；

3）泄漏電纜鋪設(shè)沿鋼角線安裝，每隔l m安裝1個(gè)非金屬吊夾；

4）泄漏電纜鋪設(shè)時(shí)要遇阻力需要收回重新放置，杜絕用猛力拉拽；

5）泄漏電纜和電纜頭的組裝要牢固，電氣接觸良好；

6）室外連接部位務(wù)必要經(jīng)過嚴(yán)密的防水；

7）泄漏電纜要求無(wú)明顯外觀損傷以及變形。水平安裝應(yīng)做到鋪設(shè)平直，加固穩(wěn)定，以及受力均勻。

2 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)將泄露電纜應(yīng)用到海上鉆井平臺(tái)上，用手機(jī)通信取代對(duì)講機(jī)通信，通話質(zhì)量良好，受環(huán)境干擾小，能夠通過微信等功能實(shí)現(xiàn)一對(duì)多通信，并且是全雙工通信，除此之外還增加了視頻監(jiān)控，環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能，因?yàn)槭蔷钟蚓W(wǎng)，所以一樣不產(chǎn)生通信費(fèi)用，而在其他功能上又是對(duì)對(duì)講機(jī)功能的完善，因此非常值得推廣和應(yīng)用。

[1] 孫炳海. 基于泄露電纜的通信技術(shù)在煤礦井中的應(yīng)用. 教育部中南地區(qū)高等學(xué)校電子電氣基礎(chǔ)課教學(xué)研究會(huì)第二十屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集, 2010.07.

[2] 王正祥, 郜元昌, 王振, 姚永強(qiáng). 礦山泄漏電纜通信系統(tǒng)的解決方案[J]. 礦山機(jī)械, 2007, 35: 162-164.

[3] 吳佳. 采用泄露電纜實(shí)現(xiàn)小區(qū)覆蓋. 系統(tǒng)與方案. 2010:68-70.

[4] 劉聯(lián)會(huì). 漏泄移動(dòng)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法的研究[J]. . 現(xiàn)代電子技術(shù), 2001, (8): 24-26.

[5] 趙娜. 泄露電纜在室分上的應(yīng)用研究[D]. 燕山大學(xué), 2010: 7-14.

Research on Mobile Phone Communication System of Offshore Drilling Platform Based on Leaked Cable

Duan Lihua

(Faculty of Electrical Engineering, Bohai Shipbuilding Vocational College, Huludao Liaoning 125005, China)

TE46

A

1003-4862（2018）12-0021-04

2018-07-10

段麗華(1982-)，女，講師。研究方向：電力船舶電氣控制。E-mail: duanlihuaok@126.com