5G通信技術(shù)在天然氣田的推廣應(yīng)用

左應(yīng)祥，韓光譜，何軍，代志軍，劉晉成，文其志

(1.中國石油西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 400021；2.重慶郵電大學(xué)電子與通信工程學(xué)院電子信息專業(yè)，重慶 400000；3.中國石油西南油氣田分公司川港公司，四川 成都 611430)

0 引言

近些年來，天然氣生產(chǎn)領(lǐng)域積極發(fā)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋模式，進(jìn)一步提升氣田網(wǎng)絡(luò)信息化、智能化水平，大力發(fā)展現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備狀態(tài)收集和監(jiān)測，5G通信技術(shù)將支持天然氣生產(chǎn)領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施的智能化。在天然氣生產(chǎn)場站，充分利用先進(jìn)的5G通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行、智能化管理，減少員工在高風(fēng)險環(huán)境下的工作時間，提高員工的工作安全性。

1 天然氣田5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

“智慧氣田”是兩化融合在石油天然氣上游企業(yè)建設(shè)應(yīng)用的工作愿景和發(fā)展目標(biāo)。5G能夠提供100倍4G的用戶體驗(yàn)速率，高達(dá)20 Gbit/s的峰值速率，實(shí)現(xiàn)高密度連接，通過氣田5G網(wǎng)絡(luò)的搭建，如圖1所示。推進(jìn)工業(yè)化和信息化深度融合，促進(jìn)油氣田主營業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型升級。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在天然氣田生產(chǎn)場站新建5G基站的各項(xiàng)配置選擇，以規(guī)劃新建5G基站位置作為參考[1]。在氣田的接入網(wǎng)，天然氣田的5G網(wǎng)絡(luò)部署采用CU+DU+RRU邏輯架構(gòu)，其中CU和DU共同組成gNB基站，采用分集中式與布式單元并行的先進(jìn)組網(wǎng)方式。

在氣田的傳送網(wǎng)，將接入切片分組網(wǎng)設(shè)備與基帶處理單元相結(jié)合，并針對氣田智能機(jī)器人、高清視頻監(jiān)控與傳輸、無人機(jī)云上輔助，進(jìn)行若干個網(wǎng)絡(luò)分片，來分別承載這三類核心業(yè)務(wù)。

在氣田的核心網(wǎng)，通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)、多接入邊緣計(jì)算(multi-access edge computing，MEC)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化等關(guān)鍵技術(shù)，將邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)及用戶平面功能部署在邊緣網(wǎng)絡(luò)機(jī)房，實(shí)現(xiàn)具有本地計(jì)算并能減少網(wǎng)絡(luò)資源負(fù)擔(dān)的能力，在氣田內(nèi)識別的各種數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)本地分流和遠(yuǎn)端流量的并行操作，提供更智能化、靈活化的移動性管理能力。

2 氣田三大應(yīng)用

除去網(wǎng)絡(luò)峰值速率外，5G通信技術(shù)的關(guān)鍵性能還包括實(shí)際體驗(yàn)速率、連接數(shù)密度、端到端時延、流量密度等[2]，在天然氣田生產(chǎn)場站，通過5G網(wǎng)絡(luò)的搭建，可加速推進(jìn)氣田生產(chǎn)的傳統(tǒng)化向網(wǎng)絡(luò)信息化、智能化轉(zhuǎn)變。利用5G通信技術(shù)以及部署在氣田周圍的各類傳感器、智慧機(jī)器人、高清視頻以及無人機(jī)云上輔助等，對天然氣田安全生產(chǎn)進(jìn)行更為明確化、精準(zhǔn)化的監(jiān)控和預(yù)測，以實(shí)現(xiàn)對氣田生產(chǎn)場站大門、加熱爐、泵室、罐區(qū)等的自動化作業(yè)和遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控，提升氣田生產(chǎn)有序管理水平，降低風(fēng)險成本。

2.1 5G智慧巡檢機(jī)器人

采用人工智能算法開展氣田巡檢機(jī)器人的研究工作，將攻破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，將氣田內(nèi)突發(fā)故障響應(yīng)時間大幅縮短，實(shí)現(xiàn)5G智慧巡檢機(jī)器人的全天無人值守，提升我國在5G通信技術(shù)下的氣田管理與維護(hù)的技術(shù)水平。文章將搭建的基于5G網(wǎng)絡(luò)的氣田智慧巡檢機(jī)器人，通過遠(yuǎn)程訪問智能的監(jiān)控預(yù)測平臺，有助于氣田管理人員直接通過巡檢機(jī)器人觀測到氣田大部分生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，降低人員調(diào)度成本，提升氣田監(jiān)測有效性，同時將智慧巡檢機(jī)器人與氣田傳感器監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，能更加直觀有效地為氣田運(yùn)維人員提供精確定位的信息，提升任務(wù)調(diào)度效率，達(dá)到對突發(fā)故障監(jiān)測、告警和有序調(diào)度新高度。

通過5G機(jī)器人站內(nèi)巡檢及輔助排險，可大幅降低人員調(diào)動成本，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)氣田遠(yuǎn)程監(jiān)管與操控，在氣田生產(chǎn)過程中，5G智慧巡檢機(jī)器人助力氣田生產(chǎn)及突發(fā)搶險過程中的任務(wù)有序調(diào)度，通過對氣田周圍實(shí)時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時做出決策，從而保障氣田生產(chǎn)安全。

氣田采用的AGV 5G智慧機(jī)器人，將四個業(yè)務(wù)通過搭建的5G網(wǎng)絡(luò)回傳到主控中心，包括B&R導(dǎo)航PLC(核心控制)、IFM單機(jī)電控PLC(維護(hù)級應(yīng)用)、HMI單機(jī)故障屏(維護(hù)級應(yīng)用)以及AGV遠(yuǎn)程喚醒(輔助控制應(yīng)用)[3]。5G智慧巡檢機(jī)器人利用基站、衛(wèi)星定位和機(jī)械控制等技術(shù)，能夠按照主控中心任務(wù)下達(dá)后的巡檢路線，自動作業(yè)，其精度可達(dá)厘米級，適用于氣田內(nèi)部大部分作業(yè)場景。

5G智慧巡檢機(jī)器人搭載的機(jī)載全景攝像頭可實(shí)時調(diào)看氣田當(dāng)前生產(chǎn)信息和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集情況，通過數(shù)據(jù)分析，提供及時預(yù)警和停止當(dāng)前作業(yè)等操作，利用5G通信技術(shù)三大特性之一的超低時延與高可靠性，智慧巡檢機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)延遲可下探到單項(xiàng)空口時延在1ms，可靠性接近100%，為實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了可靠保障[4]，按照5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合時延敏感網(wǎng)絡(luò)的預(yù)期為一到兩毫秒的端到端延時，信號雙向傳輸時間間隔可控制在50 ms以內(nèi)。結(jié)合SDN軟件定義網(wǎng)絡(luò)，為5G智慧巡檢機(jī)器人作業(yè)提供高精度服務(wù)質(zhì)量，在任務(wù)調(diào)度過程中，保障主控中心為機(jī)器人下達(dá)的各項(xiàng)任務(wù)能夠有效進(jìn)行。

通過5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬以及低時延特性，結(jié)合智慧巡檢機(jī)器人搭載的各類傳感器，能成功監(jiān)測多種突發(fā)情況，可在靠近險情發(fā)生點(diǎn)，將當(dāng)前拍攝的高清視頻回傳至主控中心，結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析，及時判斷險情發(fā)生原因，管理人員及時進(jìn)行排險作業(yè)；同時利用機(jī)器人搭載的機(jī)械臂，可在人員無法靠近的情況下對氣田閥門進(jìn)行關(guān)閉操作，或?qū)⒒鹪磽錅?。智慧巡檢機(jī)器人的輔助排險能夠極大的減少排險過程中的人員調(diào)度，有效提升安全救險效率。

2.2 5G高清視頻監(jiān)控

無人值守的5G氣田生產(chǎn)場的高清視頻監(jiān)控及回傳系統(tǒng)，如圖2所示。包括變電站現(xiàn)場視頻攝像頭、視頻處理服務(wù)器、紅外成像儀、溫度傳感器、避雷器在線監(jiān)測、氣體微水密度在線監(jiān)測、空氣質(zhì)量傳感器、保護(hù)信息遠(yuǎn)傳及輔助設(shè)備遠(yuǎn)方開啟，及數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和WEB服務(wù)器組成，系統(tǒng)各部分之間通過MIS網(wǎng)連接在—起，各系統(tǒng)通過智能巡檢軟件，將視頻與各類傳感器等相關(guān)電路組成一體化的氣田監(jiān)控系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)有益的效果是使值班員在監(jiān)控設(shè)備外觀的同時，該設(shè)備的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)、保護(hù)信息及設(shè)備正常運(yùn)行狀態(tài)下的圖片可同時自動跟蹤顯示。

圖2 高清視頻監(jiān)控及回傳系統(tǒng)

搭建的5G通信網(wǎng)絡(luò)接入氣田生產(chǎn)場站內(nèi)高清視頻監(jiān)控，達(dá)到預(yù)期中氣田作業(yè)時產(chǎn)生的信息采集、數(shù)據(jù)分析、靈活控制和可視化服務(wù)的全新方式，以獲得安全生產(chǎn)和生產(chǎn)效益最佳化。

根據(jù)實(shí)時視頻監(jiān)控，對站場大門、閥組間、加熱爐、泵房、罐區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控，同時將氣田生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的如：數(shù)據(jù)安全、實(shí)時氣體密度、PM2.5等實(shí)時數(shù)據(jù)，傳入中心服務(wù)器，結(jié)合氣田模型進(jìn)行分析，準(zhǔn)確地控制氣田各種傳感器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并通過廣域網(wǎng)、后臺屏幕等方式，顯示當(dāng)前5G高清監(jiān)控系統(tǒng)所獲取的可視化安全數(shù)據(jù)、報警信息、控制狀態(tài)等，從而實(shí)現(xiàn)氣田生產(chǎn)的實(shí)時監(jiān)測。

5G智慧視頻監(jiān)控及回傳系統(tǒng)功能主要分為監(jiān)控采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、圖像處理模塊、信息傳輸?shù)裙δ苣K。如圖3所示。其中，視頻采集可利用5G通信網(wǎng)絡(luò)的空口進(jìn)行高速回傳，實(shí)時傳輸信息加工后的結(jié)果；監(jiān)控采集的圖像信息以邊緣服務(wù)器為核心搭建的對視頻或者圖片中的監(jiān)測對象進(jìn)行識別，生成的結(jié)果結(jié)合氣田種的各類傳感器，可以直接反饋給監(jiān)控終端，同時傳入系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲模塊；FTP存儲服務(wù)器和SMTP服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)與氣田5G系統(tǒng)的對接及對應(yīng)的流媒體數(shù)據(jù)存儲。

圖3 智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示例圖

對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行管理，一方面監(jiān)控終端可以同時查看及回看歷史監(jiān)控畫面，另外可以對視頻監(jiān)控中的目標(biāo)監(jiān)測對象進(jìn)行標(biāo)注，并傳入相關(guān)模型，實(shí)現(xiàn)對攝像頭信息采集進(jìn)行智能控制。

2.3 5G云上監(jiān)測

將5G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與云上網(wǎng)絡(luò)輔助的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)控制氣田生產(chǎn)，構(gòu)建氣田生產(chǎn)場站的虛擬數(shù)字孿生空間，打造全新云上模擬控制體驗(yàn)。

2.3.1 AR技術(shù)

AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)利用5G通信網(wǎng)絡(luò)的高帶寬低時延兩大特性，可進(jìn)行氣田能源生產(chǎn)作業(yè)過程中的輔助控制，實(shí)時顯示浸入式安全信息、導(dǎo)航操作等智能操控。AR可視化輔助平臺采用天然氣田信息標(biāo)注加上全景畫面的拼接，達(dá)到氣田數(shù)據(jù)的直觀化呈現(xiàn)，利用現(xiàn)有資源和管理流程進(jìn)行應(yīng)用拓展，有助于管理人員針對氣田安全、技術(shù)操作流程進(jìn)行多方適應(yīng)協(xié)同，更加直觀的圖像與把控，利于形成技術(shù)安全的動態(tài)管理體系。

AR實(shí)時視頻技術(shù)所需帶寬較高，其中4K分辨率360°視頻最少需要1 000 Mbps的帶寬支持，基于5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬和低時延特性，可以體驗(yàn)到完美的AR視頻體驗(yàn)。結(jié)合天然氣田內(nèi)的5G智慧高清監(jiān)控系統(tǒng)以及機(jī)器人站內(nèi)巡檢所采集的數(shù)據(jù)，傳入后臺后對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成高質(zhì)量的AR實(shí)時視頻數(shù)據(jù)，更新模型后再推送至AR設(shè)備。

2.3.2 無人機(jī)巡檢

氣田5G無人機(jī)巡檢系統(tǒng)的搭建，需要具備路線規(guī)劃、圖像識別、視頻實(shí)時傳輸、及數(shù)據(jù)存儲等四大功能模塊。系統(tǒng)利用5G網(wǎng)絡(luò)的超低延遲，支持高清畫面實(shí)時傳輸，作業(yè)任務(wù)與實(shí)際飛行路線同步記錄，氣田突發(fā)狀況預(yù)警等主要功能。

在視頻數(shù)據(jù)采集端，通過5G無人機(jī)的高清攝像頭、各類數(shù)據(jù)采集傳感器，利用 5G網(wǎng)絡(luò)的超低時延特性回傳至后臺服務(wù)器，基于訓(xùn)練好的氣田模型，進(jìn)行實(shí)時、全面的素材分析。在視頻播放端，基于多臺終端完美適配，開辟全新的空中畫面，氣田管理員可全局勘測，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全局資源管控。云上架構(gòu)示意圖，如圖4所示。

圖4 云上架構(gòu)示意圖

5G無人機(jī)巡檢系統(tǒng)在氣田生產(chǎn)預(yù)警中的應(yīng)用可大致分為兩類。

第一類應(yīng)用，5G巡檢無人機(jī)在線路勘察過程中，對氣田突發(fā)狀況的處理，包括地質(zhì)畫面和實(shí)時視頻這類常規(guī)的監(jiān)控，5G巡檢無人機(jī)可以對同一個區(qū)域進(jìn)行多次不同角度的記錄，并對采集到的圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，還原相對準(zhǔn)確的氣田現(xiàn)場狀況，以便氣田管理人員對氣田突發(fā)問題進(jìn)行快速準(zhǔn)確的判斷。

第二類應(yīng)用，5G巡檢無人機(jī)可以自動對多次巡檢結(jié)果進(jìn)行模型評估，作業(yè)過程中可提前預(yù)測一些特征明顯的地質(zhì)災(zāi)害。例如對滑坡體可以提前進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)注，利用巡檢無人機(jī)不同角度采集到的畫面來預(yù)測其可能的位移變化，方便管理人員及時掌握滑坡體信息；對于極端天氣引起的地質(zhì)變化，巡檢無人機(jī)的模型也能預(yù)測以后同類極端天氣可能帶來的地質(zhì)災(zāi)害。

2.3.3 巡檢內(nèi)容

(1)視頻、圖像的便捷采集，快速全面掌握氣田信息，為氣田生產(chǎn)的安全狀態(tài)監(jiān)控提供支持。

(2)搭配檢測裝置對氣田異常抖動勘測，為氣田的危險隱患防范提供保障。

(3)氣田區(qū)域內(nèi)山體地質(zhì)災(zāi)害勘測，對可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的區(qū)域進(jìn)行預(yù)判，并形成實(shí)時影像，為氣田安全生產(chǎn)中的地質(zhì)潛在危險提供保障。

(4)實(shí)時勘測故意破壞氣田管道及盜采現(xiàn)象，為氣田有序生產(chǎn)提供保障。

(5)解決氣田管理人員夜間巡查效率低的痛點(diǎn)，保障管理人員安全，為氣田夜間勘測提供保障。

(6)對部分常見災(zāi)害，如泥石流的運(yùn)動軌跡進(jìn)行建模分析，為氣田預(yù)防提供保障。

(7)將無人機(jī)采集到的視頻影像，通過5G網(wǎng)絡(luò)傳入后臺服務(wù)器，通過建立好的模型自動比對歷史氣田狀態(tài)，為預(yù)警防控提供保障。

3 結(jié)語

5G的價值在于賦能千行百業(yè)，智慧氣田生產(chǎn)領(lǐng)域5G應(yīng)用需求大幅提升。通過以上項(xiàng)目實(shí)施，基于5G通信技術(shù)的三大特性，開展氣井生產(chǎn)狀態(tài)、氣田生產(chǎn)管理動態(tài)等智能分析研究，在氣田實(shí)現(xiàn)機(jī)器人站內(nèi)巡檢、無人值守高清視頻監(jiān)控及回傳和無人機(jī)智能巡檢輔助排險等研究，加強(qiáng)安全生產(chǎn)信息化建設(shè)，創(chuàng)新生產(chǎn)現(xiàn)場運(yùn)行的智能化監(jiān)督機(jī)制，促進(jìn)基層工作向智能化時代邁進(jìn)，實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)行、智能化管理對氣田開發(fā)生產(chǎn)具有重大意義和實(shí)效。