基于智慧油氣5G應(yīng)用建設(shè)的探討

蔡權(quán)

（勝利油田信息化管理中心，山東 東營 257091）

0 引言

社會(huì)對無線連接的需求，主要來自越來越多的移動(dòng)媒體服務(wù)和應(yīng)用，這種需求推動(dòng)了移動(dòng)流量的指數(shù)式增長。據(jù)推測從2010年到2020年，移動(dòng)流量上升了1000倍，這一數(shù)字后來被修正為250倍。由此顯現(xiàn)，機(jī)器類通信將變得越來越重要，而到目前為止人類仍然是通信服務(wù)的主要對象。預(yù)測顯示通信設(shè)備的數(shù)量在2020年將達(dá)到250億。

機(jī)器類和人機(jī)無線通信在眾多經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域和行業(yè)的應(yīng)用不斷增多，對無線網(wǎng)絡(luò)提出了大量而廣泛的需求，具體表現(xiàn)在成本、復(fù)雜性、功耗、傳輸速率、移動(dòng)性、時(shí)延和可靠性等方面。例如感知物聯(lián)網(wǎng)要求無線時(shí)延降低到1ms。IMT-2020針對2020年后的通信愿景，提出了相關(guān)的應(yīng)用情境，包括：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶、超高可靠與低時(shí)延通信和海量機(jī)器類通信。

1 智慧油氣5G應(yīng)用建設(shè)方案

1.1 高帶寬類業(yè)務(wù)

高帶寬對應(yīng)5G eMBB場景，在智慧油氣的應(yīng)用以視頻監(jiān)控、機(jī)器人/無人機(jī)巡檢等為代表，該類業(yè)務(wù)對傳輸帶寬要求高，實(shí)時(shí)性及安全隔離性要求次之。該類業(yè)務(wù)與5G網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合點(diǎn)在于：以5G網(wǎng)絡(luò)為傳輸通道，借助5G無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)靈活接入及大帶寬傳輸[1-3]。該類業(yè)務(wù)通常需配置相應(yīng)的視頻終端，主要為高清攝像頭及配套的機(jī)器人、無人機(jī)、頭盔等。

（1）高清視頻監(jiān)控。通過架設(shè)4K/8K超高清攝像頭，對油田場站、辦公、車間、工廠等室內(nèi)外區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控視頻通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)回傳到監(jiān)控中心。主要實(shí)現(xiàn)基于高清攝像頭通過5G無線網(wǎng)絡(luò)接入，支撐高清/超高清視頻回傳。建設(shè)方案涉及：①4K/8K攝像頭通過5G無線網(wǎng)絡(luò)與外界通信，支撐監(jiān)控視頻回傳；②在接入方式上，攝像頭通過有線或WIFI采用以太網(wǎng)方式連接5G CPE。而在效益方面，超高清視頻最大的優(yōu)勢是高分辨率，是繼視頻數(shù)字化、高清化之后的新一輪重大技術(shù)革新。超高清畫面的信息可以實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的智能分析，5G網(wǎng)絡(luò)正式商用后，監(jiān)控設(shè)備將進(jìn)一步走進(jìn)8K分辨率時(shí)代，這意味著更高清的畫面，更豐富的視頻細(xì)節(jié)，視頻監(jiān)控分析價(jià)值更高。

（2）機(jī)器人巡檢。巡檢機(jī)器人對通信帶寬、移動(dòng)性要求較高。目前，巡邏機(jī)器人通信方式主要有線、近距離無線等通信方式，工作范圍、數(shù)據(jù)回傳、實(shí)時(shí)控制操作都受到一定的限制。未來，利用5G網(wǎng)絡(luò)的高速率、低時(shí)延、大帶寬等特性，通過5G網(wǎng)絡(luò)回傳相關(guān)檢測數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能分析，判斷缺陷、故障等，甚至可進(jìn)行簡單帶電操作。本文機(jī)器人巡檢業(yè)務(wù)指的是通過機(jī)器人搭載高清攝像頭和紅外等傳感器，檢查采集現(xiàn)場圖像、溫度、污穢、六氟化硫泄露等信息。智能機(jī)器人通過5G無線網(wǎng)絡(luò)接入，支撐智能機(jī)器人巡檢視頻回傳；在接入方式上，通過智能機(jī)器人搭載5G CPE實(shí)現(xiàn)視頻回傳，從而實(shí)現(xiàn)無人智能巡檢。

建設(shè)方案涉及：①機(jī)器人通過5G無線網(wǎng)絡(luò)與外界通信，支撐巡邏視頻回傳；②在接入方式上，機(jī)器人通過有線或WIFI采用以太網(wǎng)方式連接5G CPE。效益方面，目前，巡檢機(jī)器人通信方式主要有線、近距離無線等，其工作范圍、數(shù)據(jù)回傳、實(shí)時(shí)控制操作都受到一定的限制[4]。使用5G可擺脫此限制，實(shí)現(xiàn)對巡檢高清視頻的采集、實(shí)時(shí)回傳和展示。隨著應(yīng)用的深入，后續(xù)可在巡檢視頻的基礎(chǔ)上，對視頻進(jìn)一步分析，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等方式，實(shí)現(xiàn)對采集的視頻的實(shí)時(shí)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)油氣設(shè)施運(yùn)行存在的問題及時(shí)報(bào)警提示，及時(shí)響應(yīng)，從而為大量的視頻信息提供有針對性的分析服務(wù)。

（3）無人機(jī)智能巡檢。利用無人機(jī)搭載高清攝像頭，檢查采集輸油管線、儲(chǔ)油罐等的物理特性（如彎曲形變、物理損壞等），將采集到的高清視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳視頻數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心，并且可借助于后臺(tái)人工智能分析，實(shí)時(shí)判斷故障點(diǎn)，甚至進(jìn)行簡單的清除障礙操作。主要實(shí)現(xiàn)基于無人機(jī)通過5G無線網(wǎng)絡(luò)接入，支撐無人機(jī)巡檢視頻回傳，在接入方式上，無人機(jī)可搭載5G CPE，或者通過控制臺(tái)接入5G CPE，本期建議通過控制臺(tái)接入5G CPE的方式實(shí)現(xiàn)視頻回傳。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)連接示圖如下圖1所示。效益方面，實(shí)現(xiàn)對巡檢高清視頻的采集、實(shí)時(shí)回傳和展示。隨著應(yīng)用的深入，后續(xù)可在巡檢視頻的基礎(chǔ)上，對視頻進(jìn)一步分析，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等方式，實(shí)現(xiàn)對采集的視頻的實(shí)時(shí)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)油氣設(shè)施存在的問題及時(shí)報(bào)警提示，及時(shí)響應(yīng)，從而為大量的視頻信息提供有針對性的分析服務(wù)[5]。

圖1 無人機(jī)智能巡檢網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

（4）基于AR/VR智能運(yùn)檢。運(yùn)維檢修作為油氣企業(yè)核心業(yè)務(wù)單元之一，在保障油氣設(shè)備安全健康、支撐油氣設(shè)施安全運(yùn)行等方面發(fā)揮了重大作用。本期主要實(shí)現(xiàn)基于AR頭盔、VR攝像機(jī)通過5G無線網(wǎng)絡(luò)接入，支撐巡檢、專家指導(dǎo)等場景的應(yīng)用。接入方式上，在示范區(qū)域固定場所部署5G CPE，AR、VR通過WiFi方式接入到CPE實(shí)現(xiàn)通信。建設(shè)方案涉及：1)VR攝像機(jī)、AR頭盔及頭顯通過5G無線網(wǎng)絡(luò)接入，支撐VR/AR視頻傳輸；2)在接入方式上，攝像機(jī)及頭顯通過WIFI接入5G CPE。收益方面，AR/VR用于培訓(xùn)和檢修，通過AR/VR等技術(shù)，可以為員工培訓(xùn)提供虛擬或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的沉浸式體驗(yàn)，提升培訓(xùn)效果。在設(shè)備檢修時(shí)，AR/VR可以為檢修工程師提供設(shè)備的模擬虛擬實(shí)物的拆解檢修步驟，包括拆機(jī)、裝機(jī)、更換零部件等的沉浸式技術(shù)指導(dǎo)，還可以與遠(yuǎn)方專家進(jìn)行實(shí)時(shí)連線，幫助現(xiàn)場工程師診斷故障、聯(lián)合制定檢修方案等[6]。目前AR/VR的通信主要采用有線或WIFI等方式，存在或范圍受限、布線麻煩、WIFI通信不可靠、頭戴設(shè)備笨重等問題，使用體驗(yàn)亟需提升。

1.2 低時(shí)延類業(yè)務(wù)

油田一般處于相對荒涼的地帶，自然條件惡劣，交通不便，區(qū)域跨度大。部分處于高寒地區(qū)，冬季長時(shí)間處于零下幾十度的低溫，采油區(qū)域面積廣，且極為分散。

這些相對環(huán)境惡劣的環(huán)境下，采油井油氣產(chǎn)出率與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的管理與監(jiān)控就不能僅僅依靠人工巡視的手段，而需要遠(yuǎn)程智能終端監(jiān)控系統(tǒng)的辦法來應(yīng)對。智能油井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測采油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和井口生產(chǎn)數(shù)據(jù)；可及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障并自動(dòng)報(bào)警；可實(shí)現(xiàn)采油機(jī)的遠(yuǎn)程啟、?？刂啤?/p>

5G的低時(shí)延特性可很好地服務(wù)油氣遠(yuǎn)程控制類業(yè)務(wù)，包括遠(yuǎn)程操作控制、車輛控制等。該類業(yè)務(wù)的5G應(yīng)用模式通常為：油氣控制終端通過5G網(wǎng)絡(luò)接入到油氣控制中心，實(shí)現(xiàn)端到端低時(shí)延高可靠通訊。

以聯(lián)合站設(shè)備5G遠(yuǎn)程控制為例，其建設(shè)方式為：

（1）在聯(lián)合站部署各類采集器，采集信息經(jīng)傳送器（集中器）由5G CPE上傳到控制中心；

（2）控制中心下發(fā)遠(yuǎn)程控制指令，操控PLC/RTU執(zhí)行相應(yīng)操作。

1.3 大連接類業(yè)務(wù)

石油物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)分支。石油物聯(lián)網(wǎng)是利用各種在線的、實(shí)時(shí)測量的感知設(shè)備，諸如安裝在油氣水井、管道、油氣處理、加工、儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備上的各種儀表、射頻識(shí)別標(biāo)簽（RFID）和油氣田勘探開發(fā)生產(chǎn)現(xiàn)場的視頻攝像機(jī)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議連接到企業(yè)網(wǎng)或/和互聯(lián)網(wǎng)相，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。5G的大連接特性可極大助力石油物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

具體實(shí)施可在油田5G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)，選取信息采集業(yè)務(wù)集中器多個(gè)，各配置CPE終端1臺(tái)。終端CPE設(shè)備安裝在現(xiàn)有集中器所處位置，設(shè)備下聯(lián)采用以太網(wǎng)口與集中器對接，上聯(lián)采用設(shè)備天線，接入5G無線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)發(fā)送至油田生產(chǎn)調(diào)度指揮中心[7]。

2 結(jié)語

通過5G+MEC的部署，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備和工業(yè)產(chǎn)品的泛在接入，將網(wǎng)絡(luò)能力、計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、行業(yè)應(yīng)用等實(shí)現(xiàn)在企業(yè)內(nèi)部的落地，滿足用戶“數(shù)據(jù)不出場”、超低時(shí)延的需求，極大地簡化了部署方案，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)全流程信息自感知、全要素事件自決策、全周期場景自迭代，為油氣行業(yè)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化升級(jí)提供了一個(gè)可靠、可預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。同時(shí)，進(jìn)一步降低了企業(yè)經(jīng)營成本、提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)模式升級(jí)奠定了基礎(chǔ)，也大大降低了企業(yè)投入成本，提高了企業(yè)的創(chuàng)新效率，帶動(dòng)了其轉(zhuǎn)型升級(jí)，助力了油氣企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。