基于5G尊享專網(wǎng)的野外智能節(jié)點油氣勘探系統(tǒng)研究

桂 林 呂艷艷 宋志翔

1.中國移動通信集團(tuán)江蘇有限公司南京分公司；2.中國石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院

0 引言

地震勘探是用于尋找石油、天然氣、煤炭等礦產(chǎn)資源的主要手段，高品質(zhì)地震數(shù)據(jù)獲取是地震勘探乃至整個油氣工業(yè)的核心目標(biāo)。野外地震數(shù)據(jù)采集是油氣地震勘探工程中的關(guān)鍵工序。傳統(tǒng)野外勘探任務(wù)采用有纜設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，資源消耗較大。同時，有纜設(shè)備相對笨重，布放設(shè)備時人力資源消耗大，采集道數(shù)多，排列故障對施工效率影響很大。

隨著技術(shù)的演進(jìn)，新推出的節(jié)點設(shè)備可實現(xiàn)無纜部署，相比有纜設(shè)備，無線節(jié)點采集設(shè)備的優(yōu)勢明顯，無線接入方式省去了大量測線電纜，更輕便可靠、部署簡單、易于操作，每人可攜帶100個，可減小用工量約45%，提高施工效率約40%，兼具高裝載和高回收周轉(zhuǎn)率?，F(xiàn)有無線節(jié)點采集設(shè)備主要使用WiFi技術(shù)，由于WiFi技術(shù)覆蓋范圍小，且頻率資源為公用頻段，干擾不可控，只能滿足小范圍、少量節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。而傳統(tǒng)4G技術(shù)上行數(shù)十兆速率也無法滿足石油勘探領(lǐng)域數(shù)字地震儀的數(shù)據(jù)傳輸要求。

5G具備Gbps級傳輸能力及廣闊的覆蓋范圍，可以極大改善無線傳輸瓶頸。本項目從設(shè)備部署、傳輸效率、質(zhì)量控制、工作成本幾個維度進(jìn)行了有纜設(shè)備、節(jié)點設(shè)備和5G智能節(jié)點儀的方案部署效果對比，詳細(xì)內(nèi)容見表1所示。

表1 有纜設(shè)備、節(jié)點設(shè)備和5G智能節(jié)點儀部署分析表

本項目野外智能節(jié)點油氣勘探系統(tǒng)應(yīng)用了先進(jìn)的5G尊享專網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)，具有低功耗、實時質(zhì)控、大帶寬海量帶道等優(yōu)勢，使地震采集生產(chǎn)方式由勞動密集型轉(zhuǎn)向技術(shù)密集型。

1 需求分析

按常規(guī)應(yīng)用計算，按1 ms采樣率計，每個采集站每秒產(chǎn)生的純數(shù)據(jù)量是3 KB，即24 Kbps。1000個采集站的速率需求是24 Mbps，1萬道采集站的速率需求是240 Mbps，10萬道采集站的速率需求是2.4Gbps+。同時，野外環(huán)境要求網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍達(dá)到千米級。

5G可達(dá)到高于10 Gbps的速率，將5G技術(shù)引進(jìn)到節(jié)點設(shè)備中來，可以解決當(dāng)前節(jié)點設(shè)備的技術(shù)難題，系統(tǒng)可實現(xiàn)10萬帶道能力及同步采集和實時質(zhì)量監(jiān)控。根據(jù)目前3GPP 5G演進(jìn)計劃，2022年后R17版本將凍結(jié)，基于此標(biāo)準(zhǔn)可實現(xiàn)每平方千米百萬級鏈接，預(yù)計8~10年后包括數(shù)字地震儀領(lǐng)域都將演進(jìn)至下一代通信技術(shù)。依托5G網(wǎng)絡(luò)特性，結(jié)合邊緣計算等技術(shù)，可以有效切合野外勘探智能化轉(zhuǎn)型對無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，保障核心數(shù)據(jù)的安全管理要求，有效推動相關(guān)業(yè)務(wù)發(fā)展。

2 項目關(guān)鍵技術(shù)

2.1 系統(tǒng)功能概述

本項目依托5G大帶寬、海量連接特性，通過部署專用端到端5G尊享專網(wǎng)支持地震勘探作業(yè)現(xiàn)場的海量節(jié)點數(shù)據(jù)回傳。由于野外勘探任務(wù)作業(yè)區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，作業(yè)地區(qū)需滾動調(diào)整，需開發(fā)小型化、輕量化、可移動，部署靈活、安全級別高的獨立5G勘探系統(tǒng)。

基于實際應(yīng)用場景需求的5G智能地震節(jié)點系統(tǒng)，采用了北斗導(dǎo)航、5G通信等國產(chǎn)自主可控技術(shù)，融合新一代信息通信技術(shù)，攻克了物探數(shù)據(jù)采集中的無線通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸與存儲標(biāo)準(zhǔn)、高精度時間同步與空間定位、高速大容量數(shù)據(jù)通信、低功耗等技術(shù)難關(guān)，實現(xiàn)了節(jié)點儀的自主同步與定位、實時無線數(shù)據(jù)采集-傳輸-存儲與質(zhì)控、節(jié)點狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控與采集控制等功能，支持盲采、實時、準(zhǔn)實時多種采集模式。

2.2 野外5G組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

為滿足野外組網(wǎng)勘探業(yè)務(wù)需求，本次采用5G尊享專網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計，如圖1所示，5G尊享專網(wǎng)采用定制的核心網(wǎng)、專用頻段專用基站的方式，通過中央站承載5G核心網(wǎng)并將可移動無線5G基站拉遠(yuǎn)部署至節(jié)點區(qū)域，實現(xiàn)勘探區(qū)域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通信。

圖1 野外組網(wǎng)定制化設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：新建小型化核心網(wǎng)，包含UPF功能，節(jié)點采集數(shù)據(jù)通過5G空口回傳，實現(xiàn)本地處理能力。

無線網(wǎng)絡(luò)：承載車輛上架設(shè)4.9 Ghz的5G基站，在需求較大覆蓋范圍場景中，支持拉遠(yuǎn)基站的擴(kuò)容，以實現(xiàn)更大的單次覆蓋面積。

2.3 5G組網(wǎng)策略

（1）地震勘探節(jié)點儀數(shù)據(jù)采集建模

地震節(jié)點儀野外布放分為常規(guī)布局和高密度布局兩種模式，兩炮間隔時間約為2-5分鐘，按常規(guī)應(yīng)用計算，按1 ms采樣率計，每個采集站每秒產(chǎn)生的純數(shù)據(jù)量是3 KB，即24 Kbps。不同模式下節(jié)點儀采集數(shù)據(jù)量估算如下。

①常規(guī)布局?jǐn)?shù)據(jù)量估算

x方向10-25米間隔，y方向100-250米間隔，按最大算1平方公里內(nèi)1000個節(jié)點。

單節(jié)點數(shù)據(jù)量：24 Kbps×10 s=240 Kb。

單平方公里數(shù)據(jù)量（1000節(jié)點）：240 Kb×1000=240 Mb。

一炮面積約35平方公里，數(shù)據(jù)量：240 Mb×35=8.4 Gb=1.05 GB。

②高密度布局?jǐn)?shù)據(jù)量估算

x方向10米間隔，y方向20-150米間隔；按最大算1平方公里內(nèi)5000個節(jié)點。

單節(jié)點數(shù)據(jù)量：24Kbps×10s=240Kb。

單平方公里數(shù)據(jù)量（5000節(jié)點）：240Kb×5000 =1.2Gb。

一炮面積約35平方公里，數(shù)據(jù)量：1.2Gb×35=42Gb=5.25GB。

此外，每平方公里內(nèi)會有一兩個移動點，數(shù)據(jù)傳輸2-5Mbps，不是全時傳輸。

（2）5G頻率應(yīng)用策略研究

中國移動已獲得2.6GHz和4.9GHz頻段共260M帶寬5G頻譜，與中國廣電達(dá)成框架協(xié)議合作，共用700MHZ頻段實現(xiàn)5G廣覆蓋。4.9GHz是中國移動行業(yè)應(yīng)用頻譜，與公網(wǎng)隔離，干擾可控，可以提供高可靠網(wǎng)絡(luò)，且?guī)Y(jié)構(gòu)配置靈活，可根據(jù)業(yè)務(wù)需求定制網(wǎng)絡(luò)性能?？紤]到未來不固定位置的室外流動作業(yè)需求，項目采用4.9G基站，避開公網(wǎng)2.6G頻點干擾。

（3）地震節(jié)點儀分布及數(shù)據(jù)傳輸需求模型

節(jié)點儀數(shù)據(jù)傳輸需求分析如圖2所示。設(shè)置r=1.6km（4.9G頻段），5G單基站覆蓋接入節(jié)點儀數(shù)量：正方形內(nèi)常規(guī)布局下，節(jié)點儀數(shù)量最大約8000支；正方形內(nèi)高密度布局下，節(jié)點數(shù)量最大約40000支。

圖2 節(jié)點儀數(shù)據(jù)傳輸需求分析

根據(jù)前述分析，在空曠地區(qū)，覆蓋半徑在數(shù)千米，覆蓋范圍內(nèi)節(jié)點儀最高可達(dá)數(shù)萬?？紤]目前5G單基站7200用戶接入能力，通過部署拉遠(yuǎn)站、分批次接入及滾動作業(yè)方式，可在數(shù)秒內(nèi)完成5G網(wǎng)絡(luò)（基站）覆蓋范圍的數(shù)千節(jié)點儀的數(shù)據(jù)上傳。

2.4 通信設(shè)備定制化研發(fā)

通過尊享專用5G核心網(wǎng)將可移動無線基站部署至節(jié)點作業(yè)區(qū)域，實現(xiàn)勘探區(qū)域數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通信，系統(tǒng)支持拉遠(yuǎn)基站的擴(kuò)容，本方案主要包括基站、核心網(wǎng)、網(wǎng)管軟件定制化研發(fā)。5G尊享專網(wǎng)示意圖如圖3所示。

圖3 5G尊享專網(wǎng)示意圖

（1）小型化核心網(wǎng)定制化設(shè)計

為了保證整體組網(wǎng)的簡潔、安全，本項目定制一套專用5GC，部署i5GC控制面（AMF、SMF、UDM），i5GC用戶面（UPF）以及管理維護(hù)系統(tǒng)（EM）。本產(chǎn)品體積減小80%，適合野外采集車輛部署，且能滿足節(jié)點采集的相關(guān)技術(shù)性能要求。5GC功能模塊對比如圖4所示。

圖4 5GC功能模塊對比

i5GC采用通用X86架式服務(wù)器作為基礎(chǔ)設(shè)施硬件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于標(biāo)準(zhǔn)ETSI NFV架構(gòu)設(shè)計，主要功能組件作為VNF部署在虛擬基礎(chǔ)設(shè)施之上。

（2）5G基站定制化研發(fā)

本方案5G基站為BBU-AAU架構(gòu)，基帶單元映射為單獨的一個物理設(shè)備BBU，AAU集成了射頻單元與天線單元。BBU支持車載堆疊，定制化AAU支持掛載在車載天線架設(shè)平臺。

（3）網(wǎng)管軟件定制化設(shè)計與研發(fā)

核心網(wǎng)網(wǎng)管基于云計算、虛擬化、微服務(wù)、容器化和B/S架構(gòu)，定制核心網(wǎng)網(wǎng)管產(chǎn)品ElasticNet UME（CN）（UME：Unified Management Expert）。ElasticNet UME（CN）對標(biāo)ETSI NFVI規(guī)范中的EM管理實體（以下簡稱EMS），針對行業(yè)專網(wǎng)運(yùn)維管理需求，專用5GC EMS簡化了大網(wǎng)EMS網(wǎng)管的配置，組件輕量化，降低網(wǎng)管部署資源。EMS同步部署在通信車內(nèi)，管理業(yè)務(wù)的專用5GC網(wǎng)元，包括AMF、SMF、UDM、UPF等專網(wǎng)網(wǎng)元（含容災(zāi)機(jī)房5GC網(wǎng)元）。5G網(wǎng)管軟件如圖5所示。

圖5 5G網(wǎng)管軟件

專用5GC EMS網(wǎng)管具備管理節(jié)點輕量化、快速開通、自服務(wù)、自動故障定位、遠(yuǎn)程免維等管理特性。EMS提供客戶端接口，支持本地及遠(yuǎn)程運(yùn)維。

2.5 承載裝備定制化研發(fā)

為滿足野外組網(wǎng)勘探業(yè)務(wù)需求，設(shè)計可移動5G基站掛載方案，具備在各種情況下的高可靠和高穩(wěn)定運(yùn)行能力，保障人員、信息、設(shè)備和安全，具有強(qiáng)兼容性，具備技術(shù)發(fā)展和業(yè)務(wù)拓展能力。

（1）一體化通信車

依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行承載裝配的總體設(shè)計、改造等工作，提供人員和設(shè)備作業(yè)所需要的基本條件。根據(jù)提供的設(shè)備技術(shù)參數(shù)，合理設(shè)計機(jī)架及部署方式，預(yù)留操作維護(hù)空間?？紤]工作環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行等要求配備空調(diào)、油機(jī)等保障通信可靠性。具體方案如下：

以依維柯VAN-45-33-H2-單排-側(cè)拉門為基型車，利用車載技術(shù)平臺來實現(xiàn)移動通信。車廂部分根據(jù)需求，設(shè)計安裝2組機(jī)柜，規(guī)劃預(yù)留人員操作維護(hù)空間，為設(shè)備運(yùn)行提供安全、可靠的保障。通信天線架設(shè)平臺設(shè)計為可升降模式，工作時天線可升高至距地10米以上；車輛轉(zhuǎn)場時，天線可完全收回至車廂內(nèi)。車頂天窗與天線采用邏輯電路設(shè)計，天窗未完全打開時，天線升降機(jī)構(gòu)將鎖止。反之天線未完全收回至車內(nèi)時，天窗將不能關(guān)閉。通信車側(cè)視圖及俯視圖如圖6所示。

圖6 通信車側(cè)視圖及俯視圖

（2）拖車

使用拖車方案承載5G拉遠(yuǎn)站，可實現(xiàn)基站擴(kuò)容，實現(xiàn)更大的單次覆蓋面積，保證無線網(wǎng)絡(luò)的實時通信。本次移動拉遠(yuǎn)基站車的改造選用了拖車底盤，車輛內(nèi)部可安裝移動基站主機(jī)設(shè)備、電源系統(tǒng)、配電柜、控制系統(tǒng)等主要設(shè)備，車輛中部裝有電動升降桅桿一根，工作時通信信號天線可升至距地13米，車頂上置有通信信號發(fā)射平臺，與升降桅桿相連。為保證車輛工作時的穩(wěn)定性，底盤下部四角附近安裝有支撐腿，車輛工作時向下打開與地面接觸。

2.6 技術(shù)創(chuàng)新

本項目采用5G尊享專網(wǎng)定制化建設(shè)，基于野外勘探需求，采用4.9GHz專用頻段，可移動端到端獨立專網(wǎng)，通過中央站承載5G核心網(wǎng)并將可移動無線5G基站拉遠(yuǎn)部署至節(jié)點作業(yè)區(qū)域。本項目主要技術(shù)創(chuàng)新如下：

一是定制輕量化核心網(wǎng)。本項目使用核心網(wǎng)下沉技術(shù)，配置一套專用輕量化5GC，更適合野外采集車輛部署，且能滿足節(jié)點采集的相關(guān)技術(shù)性能要求，實現(xiàn)野外探測數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)交換、管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)不出測試區(qū)，保障數(shù)據(jù)安全，還可以大大節(jié)約資源，降低維護(hù)難度和成本。

二是使用4.9GHz專用頻段。4.9GHz幀結(jié)構(gòu)配置靈活，與公網(wǎng)進(jìn)行隔離，避免干擾且可根據(jù)業(yè)務(wù)需求定制網(wǎng)絡(luò)性能。

三是可移動專用5G基站，配置專用AAU和BBU設(shè)備，為特殊業(yè)務(wù)需求的行業(yè)提供專網(wǎng)的個性化服務(wù)，實現(xiàn)智能節(jié)點采集數(shù)據(jù)的無線傳輸，通過調(diào)節(jié)基站位置及參數(shù)滿足作業(yè)區(qū)全覆蓋、節(jié)點儀全接入，保障野外采集車輛進(jìn)行作業(yè)時可實時傳輸數(shù)據(jù)及基本通信。

四是搭建大數(shù)據(jù)平臺，實時分析處理采集數(shù)據(jù)，基于實時數(shù)據(jù)回傳能力，可實現(xiàn)節(jié)點采集的QC，根據(jù)采集實際情況，進(jìn)行排障處理，大大提高了現(xiàn)場作業(yè)效率。系統(tǒng)實現(xiàn)了首款基于5G的地震采集施工系統(tǒng)的創(chuàng)新和分布式多核數(shù)據(jù)分割技術(shù)創(chuàng)新。

3 實用性分析

一是實現(xiàn)了大規(guī)模地震節(jié)點儀集中接入，由5G智能節(jié)點儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過野外5G組網(wǎng)，回傳至云端數(shù)據(jù)中心，僅需1-2秒鐘就可以完成數(shù)萬節(jié)點儀的接入、數(shù)據(jù)上傳，大幅提升采集效率。

二是通過部署在現(xiàn)場5G中央站的數(shù)據(jù)分析平臺進(jìn)行實時數(shù)據(jù)分析，再由5G回傳至節(jié)點儀設(shè)備進(jìn)行實時質(zhì)量控制，可以對節(jié)點設(shè)備工作模式、參數(shù)進(jìn)行精密調(diào)整，提升采集精度。

三是基于5G實時上傳的大數(shù)據(jù)分析，可以對油氣勘探系統(tǒng)各部分工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化建議及分析，提升油氣地震勘探作業(yè)及數(shù)據(jù)分析效率。

目前，智能節(jié)點的研發(fā)工作進(jìn)展順利，通過了各項設(shè)計、技術(shù)驗證審查和單個智能節(jié)點的室內(nèi)測試，已完成一套系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)及內(nèi)場測試，正在進(jìn)行外場試點。實測報告及現(xiàn)場如圖7所示。

經(jīng)驗證，基于5G實時傳輸和質(zhì)控的野外智能節(jié)點油氣勘探系統(tǒng)可以實現(xiàn)大規(guī)模地震節(jié)點儀集中接入、數(shù)據(jù)實時回傳和實時預(yù)處理，大幅提升油氣地震勘探作業(yè)及數(shù)據(jù)分析效率。

隨著地震勘探技術(shù)的發(fā)展，大道數(shù)、高覆蓋次數(shù)成為地震行業(yè)技術(shù)設(shè)計的趨勢，超級地震隊高效生產(chǎn)成為行業(yè)主要的生產(chǎn)模式，地震采集生產(chǎn)道數(shù)越來越大，采集生產(chǎn)效率也越來越高（日效可達(dá)幾萬炮），每炮幾萬道的地震排列產(chǎn)生了海量地震數(shù)據(jù)，這些地震數(shù)據(jù)的實時傳輸對有線儀器的數(shù)據(jù)傳輸能力提出了極大挑戰(zhàn)。通過本項目的研究，利用5G專網(wǎng)解決其“最后一公里”的接入，可以大大節(jié)省傳輸布線的成本和復(fù)雜度，極大提高數(shù)據(jù)采集的效率。

圖7 節(jié)點儀設(shè)備及測試場地

4 結(jié)束語

基于5G尊享專網(wǎng)的解決方案可以為傳統(tǒng)行業(yè)的末端海量接入提供快速、高效的接入方式，同時部署定制化的核心網(wǎng)、輕量網(wǎng)管結(jié)合算力下沉，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)不出廠，數(shù)據(jù)傳輸高保密等要求，為傳統(tǒng)行業(yè)的數(shù)字化、信息化轉(zhuǎn)型提供強(qiáng)大助力。本項目就是將傳統(tǒng)行業(yè)與5G專網(wǎng)的完美融合，極大推動了地震勘探技術(shù)的技術(shù)變革。