基于5G通信技術(shù)的油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)研究

［摘 要］當(dāng)前，油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)功能模塊多設(shè)定為獨(dú)立形式，巡檢的效率較低，導(dǎo)致最終得出的巡檢誤檢率不斷提高。為此，文章設(shè)計(jì)了一種基于5G通信技術(shù)的油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)根據(jù)巡檢需求，首先構(gòu)建油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)，然后基于系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)巡檢傳感設(shè)備接入硬件和傳感數(shù)據(jù)處理裝置硬件。該設(shè)計(jì)在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面采用多階方式，構(gòu)建多階油氣生產(chǎn)5G通信智能巡檢功能模塊，并且基于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)合理分布、識(shí)別并清理冗余數(shù)據(jù)等需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，完成軟件設(shè)計(jì)。最后，文章在選定的5個(gè)測(cè)試區(qū)域進(jìn)行2個(gè)階段的測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)的巡檢準(zhǔn)確率均達(dá)到98%以上，這說(shuō)明在5G通信技術(shù)的輔助下，最終設(shè)計(jì)的油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)更加靈活、多變，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［關(guān)鍵詞］5G通信技術(shù)；油氣生產(chǎn)區(qū)；智能巡檢；巡檢系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2024.12.034

［中圖分類號(hào)］TP391；TE974 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］1673-0194（2024）12-0-04

0 " " 引 言

油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)是油氣區(qū)域安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)保證。傳統(tǒng)的油氣生產(chǎn)巡檢方式多是單向巡檢核驗(yàn)，覆蓋感應(yīng)的范圍受限制，且整體巡檢效率下降，導(dǎo)致最終得出的巡檢效果無(wú)法達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)［1］。不僅如此，單向巡檢核驗(yàn)系統(tǒng)執(zhí)行力和控制性較弱，這也是導(dǎo)致后期巡檢任務(wù)難以處理的關(guān)鍵因素之一，安全隱患增多。為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了基于5G通信技術(shù)的油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)。所謂5G通信技術(shù)，是一種自身具有高速率、低時(shí)延、大連接等特性的新一代寬帶移動(dòng)通信技術(shù)，在一定程度上為油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)構(gòu)建提供了新的可能性［2］。本文結(jié)合油氣生產(chǎn)場(chǎng)景，詳細(xì)設(shè)計(jì)基于5G通信技術(shù)的油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)，并且基于該系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件和軟件［3］，以期通過(guò)該系統(tǒng)增強(qiáng)油氣生產(chǎn)的安全性并提高生產(chǎn)效率，為油氣領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展作出貢獻(xiàn)［4］。

1 " " 基于5G通信技術(shù)的油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)構(gòu)建

為了提高油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)的巡檢準(zhǔn)確率，本文深入研究了5G通信技術(shù)的特性，并基于其高帶寬、低延遲、高可靠性的特點(diǎn)，構(gòu)建了油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要涉及巡檢傳感設(shè)備、5G通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)等。在硬件設(shè)計(jì)方面，本文注重傳感設(shè)備的接入和數(shù)據(jù)處理裝置的優(yōu)化。傳感設(shè)備接入部分進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化的接口設(shè)計(jì)，使得不同類型的傳感設(shè)備能夠輕松接入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集。傳感數(shù)據(jù)處理裝置則采用了高性能的處理器和算法，能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析。在軟件設(shè)計(jì)方面，本文設(shè)計(jì)了巡檢結(jié)果存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和巡檢功能模塊。巡檢結(jié)果存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)采用了分布式存儲(chǔ)技術(shù)，確保數(shù)據(jù)的安全性和可擴(kuò)展性。巡檢功能模塊則實(shí)現(xiàn)了巡檢計(jì)劃的制訂、巡檢任務(wù)的分配、巡檢數(shù)據(jù)的展示等功能，為巡檢人員提供了便捷的操作界面和強(qiáng)大的功能支持。

2 " " 基于5G通信技術(shù)的油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 " 巡檢傳感設(shè)備接入

油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)以巡檢傳感設(shè)備采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等功能，因此，在系統(tǒng)使用該傳感數(shù)據(jù)時(shí)，需要將數(shù)據(jù)接入系統(tǒng)，形成一個(gè)循環(huán)性的循環(huán)體系［5］。本文以巡檢傳感設(shè)備成功接入為目標(biāo)，在巡檢硬件中增設(shè)卷積引擎模塊和兩個(gè)互聯(lián)模塊，然后接入一個(gè)Demux-AXI裝置，并且在系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集中設(shè)定一個(gè)寄存器，實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)區(qū)巡檢傳感設(shè)備與系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)。設(shè)計(jì)的巡檢裝置控制指標(biāo)和參數(shù)如表1所示。

結(jié)合表1，在系統(tǒng)中接入巡檢傳感設(shè)備。隨后，接入一個(gè)輔助性的加速器，同時(shí)關(guān)聯(lián)一個(gè)AXI主設(shè)備和巡檢監(jiān)測(cè)設(shè)備，由卷積引擎模塊來(lái)進(jìn)行引導(dǎo)，結(jié)合實(shí)際的巡檢需求，增設(shè)數(shù)據(jù)采集、處理類型的傳感裝置，完成基礎(chǔ)硬件環(huán)境的設(shè)置［6］。

2.2 " 傳感數(shù)據(jù)處理裝置

設(shè)計(jì)傳感數(shù)據(jù)處理裝置是確保系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該裝置的架構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，傳感數(shù)據(jù)處理裝置主要涉及的硬件有供電電源、主控模塊、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）模塊和5G的通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service，GPRS）模塊等［7］。其中，油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)的內(nèi)部局域網(wǎng)通信采用USB 3.0通信接口，5G通信網(wǎng)采用5G通信技術(shù)的新無(wú)線（New Radio，NR）通信協(xié)議傳輸傳感數(shù)據(jù)，模塊選擇摩托羅拉生產(chǎn)的G24模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理單元與傳感器、存儲(chǔ)設(shè)備和其他外部組件之間的關(guān)聯(lián)［8］；供電電源采用鋰電池組供電，該電池組結(jié)合油氣生產(chǎn)區(qū)，采用磁盤(pán)陣列（Redundant Arrays of Independent Disks，RAID）技術(shù)，利用傳感裝置進(jìn)行主控電源的設(shè)定。這部分需要注意的是，主控電源需要與內(nèi)部設(shè)定的小型電路形成關(guān)聯(lián)。除此之外，還需要增設(shè)冗余電源，以應(yīng)對(duì)突發(fā)電源故障的情況；GPS模塊包括GPS天線和數(shù)據(jù)接收裝置；主控模塊采用TI公司的浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）控制器TMS320F283芯片作為核心控制單元；數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)模塊是接入固態(tài)硬盤(pán)（Solid State Disk，SSD）進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，以此滿足對(duì)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求。

3 " " 基于5G通信技術(shù)的油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 " 多階油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢功能模塊設(shè)計(jì)

初始的油氣生產(chǎn)區(qū)巡檢功能模塊多為單向形式，雖然可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的巡檢處理目標(biāo)，但是缺乏針對(duì)性與穩(wěn)定性，難以全面控制，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的巡檢標(biāo)準(zhǔn)。為解決這一問(wèn)題，此次結(jié)合5G通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了多階油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢功能模塊。具體的巡檢功能模塊如圖3所示。

在基于5G通信技術(shù)的多階油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢功能模塊基礎(chǔ)上，本文針對(duì)實(shí)際的巡檢需求，細(xì)化了對(duì)應(yīng)的巡檢模塊內(nèi)容。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集模塊利用5G高速網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)高精度傳感器，采集溫度、壓力、流量、氣體濃度等關(guān)鍵參數(shù)，為后續(xù)分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；智能預(yù)警與診斷模塊是基于采集到的數(shù)據(jù)和相關(guān)信息，利用人工智能算法進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。當(dāng)檢測(cè)到異常參數(shù)或潛在故障時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)預(yù)警機(jī)制，此時(shí)需要計(jì)算出自動(dòng)預(yù)警延時(shí)，具體公式如下：

（1）

式（1）中，D表示自動(dòng)預(yù)警延時(shí)，k表示診斷頻次，?表示感應(yīng)范圍，y表示感應(yīng)次數(shù)，d表示單元觸發(fā)頻率，w表示獨(dú)立觸發(fā)區(qū)域，a表示重疊區(qū)域。結(jié)合當(dāng)前測(cè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)自動(dòng)預(yù)警延時(shí)的計(jì)算。將該數(shù)值設(shè)定為自動(dòng)觸發(fā)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，為預(yù)防性維護(hù)提供依據(jù)。

在智能預(yù)警與診斷模塊軟件設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程控制與調(diào)節(jié)模塊。該模塊通過(guò)5G通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。該軟件設(shè)計(jì)定義了基于5G通信技術(shù)的油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)中的通信物理層和MAC（介質(zhì)訪問(wèn)控制）層規(guī)范。NR的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括支持大數(shù)據(jù)傳輸、高密度連接，以及對(duì)不同類型的移動(dòng)設(shè)備和應(yīng)用的靈活適配。NR將采用更高的頻譜帶寬，并使用新的多址和調(diào)制技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更低的延遲率。NR的物理層規(guī)范定義了無(wú)線信號(hào)的傳輸方式、頻段劃分以及多天線技術(shù)等方面。它支持更高的頻譜利用率和更強(qiáng)的抗干擾能力，從而實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定、更快速的數(shù)據(jù)傳輸。NR的MAC層規(guī)范定義了無(wú)線設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)、資源管理、調(diào)度等功能。它允許多個(gè)用戶同時(shí)共享無(wú)線資源，并通過(guò)動(dòng)態(tài)分配和調(diào)度實(shí)現(xiàn)帶寬優(yōu)化和能效優(yōu)化?；?G通信技術(shù)，巡檢人員可以在集控中心對(duì)油氣生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)，從而提高生產(chǎn)效率并增強(qiáng)生產(chǎn)安全性。

定位與追蹤模塊結(jié)合5G通信技術(shù)，集成GPS或北斗定位系統(tǒng)，精準(zhǔn)定位巡檢人員和設(shè)備，實(shí)時(shí)巡檢軌跡追蹤，確保巡檢工作的有效執(zhí)行?？梢暬缑媾c友好交互模塊設(shè)計(jì)更加直觀、友好的可視化界面。其通過(guò)圖形化展示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、預(yù)警信息和設(shè)備狀態(tài)等信息，以便巡檢人員操作和管理，從而提高工作效率。

3.2 " 系統(tǒng)巡檢結(jié)果存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的巡檢結(jié)果存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的覆蓋范圍較大，且針對(duì)不同油氣生產(chǎn)區(qū)的巡檢數(shù)據(jù)，需要分類存儲(chǔ)，以便巡檢傳感數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用。首先，明確數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)需求，確定數(shù)據(jù)的分類標(biāo)準(zhǔn)、預(yù)估數(shù)據(jù)量和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式；然后，確保數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)合理分布，識(shí)別并清理冗余數(shù)據(jù)。此時(shí)，計(jì)算出數(shù)據(jù)的分類處理效率，具體如式（2）所示：

（2）

式（2）中，P表示數(shù)據(jù)的分類處理效率，?表示數(shù)據(jù)冗余量，表示堆疊范圍，α表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換比，m表示訪問(wèn)分類頻次，χ表示存儲(chǔ)可控差。結(jié)合當(dāng)前測(cè)定，預(yù)期調(diào)整數(shù)據(jù)的分類處理效率。結(jié)合5G通信技術(shù)，設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)的執(zhí)行流程，如圖4所示。

在完成數(shù)據(jù)的分類和處理后，結(jié)合傳感節(jié)點(diǎn)獲取的巡檢數(shù)據(jù)和信息，計(jì)算巡檢數(shù)據(jù)單元存儲(chǔ)量，具體如式（3）所示：

（3）

式（3）中，F(xiàn)表示巡檢數(shù)據(jù)單元存儲(chǔ)量，n表示基礎(chǔ)巡檢范圍，r表示實(shí)際巡檢范圍，i表示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換量，l表示重復(fù)巡檢頻次。結(jié)合當(dāng)前測(cè)定，在后期的巡檢結(jié)果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，依據(jù)得出的巡檢數(shù)據(jù)單元存儲(chǔ)量將數(shù)據(jù)按照順序存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以此滿足巡檢需求。

4 " " 系統(tǒng)測(cè)試分析

測(cè)試分析的目的是分析與驗(yàn)證基于5G通信技術(shù)的油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用效果。在測(cè)試分析時(shí)，考慮到測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性與可靠性，本文采用比對(duì)方式展開(kāi)分析。本文選定A油氣生產(chǎn)區(qū)作為測(cè)試的主要目標(biāo)，利用專業(yè)的設(shè)備與裝置進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、信息的采集，并且匯總整合數(shù)據(jù)和信息。

4.1 " 測(cè)試準(zhǔn)備

結(jié)合5G通信技術(shù)，設(shè)定和預(yù)設(shè)搭建A油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)的測(cè)試環(huán)境。明確油氣生產(chǎn)區(qū)的覆蓋巡檢范圍，并在巡檢的范圍內(nèi)設(shè)置多個(gè)巡檢監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間互相搭接，形成循環(huán)性的監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)。標(biāo)定出此時(shí)的巡檢點(diǎn)位，劃分出5個(gè)的獨(dú)立巡檢區(qū)域，采用邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行巡檢搭接，并接入輔助性的傳感裝置，具體如圖5所示。

如圖5所示，實(shí)現(xiàn)輔助傳感硬件接入，至此完成油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)硬件設(shè)定。然后，依據(jù)油氣生產(chǎn)區(qū)的巡檢需求，利用部署的節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。同時(shí)，調(diào)整巡檢的指標(biāo)，其中系統(tǒng)控制感應(yīng)范圍波動(dòng)比為3.25，群控次數(shù)控制在10～16次，轉(zhuǎn)換單元為5.5，電壓范圍是0～2.5 V，數(shù)據(jù)輸入模擬值為11.35?；诖?，完成系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境設(shè)置。

4.2 " 測(cè)試過(guò)程和結(jié)果分析

依據(jù)上述設(shè)定的系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境，結(jié)合5G通信技術(shù)，對(duì)選定的A油氣生產(chǎn)區(qū)進(jìn)行智能巡檢系統(tǒng)的測(cè)試與驗(yàn)證。首先，先利用5G通信技術(shù)將巡檢任務(wù)導(dǎo)入系統(tǒng)執(zhí)行程序，然后在5個(gè)區(qū)域中隨機(jī)標(biāo)定出5個(gè)巡檢核心點(diǎn)，執(zhí)行巡檢任務(wù)，并計(jì)算可控巡檢頻率，具體如式（4）所示：

（4）

式（4）中，O表示可控巡檢頻率，τ表示巡檢核心距離，h表示初始巡檢位置，t表示巡檢誤差，?表示重復(fù)巡檢均值。結(jié)合當(dāng)前測(cè)定，調(diào)整系統(tǒng)巡檢頻率，并且針對(duì)油氣的生產(chǎn)情況測(cè)定計(jì)算巡檢的準(zhǔn)確率，以該指標(biāo)衡量系統(tǒng)的性能，具體如式（5）所示：

（5）

式（5）中，S表示巡檢準(zhǔn)確率，ι表示巡檢獨(dú)立區(qū)域，x1和x2分別表示通信位置和實(shí)際多次通信位置。結(jié)合得出的數(shù)據(jù)，分兩個(gè)階段進(jìn)行比對(duì)分析，分析結(jié)果如表2所示。

由表2可知，5個(gè)測(cè)試區(qū)域通過(guò)兩個(gè)階段的測(cè)試，巡檢準(zhǔn)確率均可以達(dá)到98%以上。該測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，在5G通信技術(shù)輔助下，本文設(shè)計(jì)的油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)更加靈活、多變，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，具備應(yīng)用價(jià)值。

5 " " 結(jié)束語(yǔ)

為了提高油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢的準(zhǔn)確率，本文設(shè)計(jì)了一種基于5G通信技術(shù)的油氣生產(chǎn)區(qū)智能巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)以5G通信技術(shù)為核心。最后，本文為了驗(yàn)證該系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值，選定A油氣生產(chǎn)區(qū)的5個(gè)區(qū)域進(jìn)行了測(cè)試。從測(cè)試分析結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的巡檢系統(tǒng)具備更高的巡檢準(zhǔn)確率，說(shuō)明該系統(tǒng)具備較好的巡檢性能，其可以實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)區(qū)的監(jiān)控、實(shí)時(shí)預(yù)警和智能診斷。

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