基于Ka高通量衛(wèi)星的海上油田寬帶網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和展望

文|卜華文 徐亮 常昕 中海油信息科技有限公司上海分公司

一、引言

中國(guó)海域的海上眾多油田位于深海，距離陸地兩三百千米以上，因受限于海陸距離遠(yuǎn)，與陸地沒有建設(shè)海底光纜，尤其是移動(dòng)勘探鉆井平臺(tái)，常年在不同的海域進(jìn)行探勘鉆井作業(yè)，即使是在離海岸較近的距離，也不適合建設(shè)海底光纜。海上油田與陸地不具有建立微波大容量通信的條件，目前成熟的通信手段，如散射通信、資源有限的C頻段和Ku頻段衛(wèi)星通信，帶寬資源小，通信速率有限，僅能滿足日常生產(chǎn)辦公所需的窄帶通信。視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議等應(yīng)用無法做到即開即用，使用效果不盡如人意，尤其是數(shù)字化、智能化的應(yīng)用受帶寬限制，不能快速發(fā)展。油田一線作業(yè)環(huán)境艱苦，運(yùn)營(yíng)商手機(jī)信號(hào)沒有在平臺(tái)進(jìn)行覆蓋，沒有移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，學(xué)習(xí)、生活等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求一直沒有辦法滿足。隨著社會(huì)的快速發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、信息化的快速發(fā)展，海上油田現(xiàn)有的通信方式制約了勘探開發(fā)數(shù)字化、智能化的發(fā)展，窄帶通信方式與一線員工日益增長(zhǎng)的寬帶互聯(lián)網(wǎng)生活、學(xué)習(xí)、工作、日常溝通等實(shí)際用網(wǎng)需求的矛盾日益增加，因此寬帶通信在海上油田的部署是未來發(fā)展的趨勢(shì)，可以極大的提高生產(chǎn)效率，同時(shí)對(duì)一線員工的身心健康有益。

為了能夠快速實(shí)現(xiàn)上述的數(shù)字化、智能化的大帶寬以及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，能源企業(yè)或者油田企業(yè)在遠(yuǎn)距離海上油田開展了基于Ka高通量衛(wèi)星的海上油田寬帶網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，針對(duì)海上固定油田、移動(dòng)勘探鉆井平臺(tái)、移動(dòng)船舶各自的特點(diǎn)和實(shí)際應(yīng)用需求，結(jié)合Ka高通量衛(wèi)星小型化系統(tǒng)，分別建設(shè)了Ka高通量衛(wèi)星固定站和動(dòng)中通移動(dòng)站，進(jìn)行深度應(yīng)用的研究和探索，形成以海上固定油田為核心，移動(dòng)勘探鉆井平臺(tái)、移動(dòng)船舶為支撐的片區(qū)海域內(nèi)的、有特色的、勘探開發(fā)一體化智能應(yīng)用、臨時(shí)和應(yīng)急救援應(yīng)用等的大帶寬通信能力，滿足海上油田數(shù)字化、智能化發(fā)展，以及員工的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，滿足未來海上新能源開發(fā)、海洋漁業(yè)、海洋交通運(yùn)輸業(yè)等多行業(yè)的融合應(yīng)用需求。

二、海上油田傳統(tǒng)通信方式及寬帶網(wǎng)絡(luò)需求分析

1.海上油田傳統(tǒng)通信方式

中國(guó)海域的油田數(shù)量眾多，因海上油田與海岸的距離不同，因此針對(duì)不同油田距陸地距離有不同的通信方式：一是，距離陸地150km以上，海上油田僅有衛(wèi)星通信方式，使用傳統(tǒng)的C頻段、Ku頻段衛(wèi)星資源，為窄帶通信。二是，距離陸地150km以內(nèi)，在島嶼、岸基有條件建設(shè)微波通信、散射通信的海上油田，有微波+衛(wèi)星通信和散射+衛(wèi)星通信方式，微波、散射作為主用通信鏈路，通信鏈路帶寬較大，根據(jù)海上油田和陸地距離的不同，通信帶寬有幾十兆到上百兆不等，衛(wèi)星通信作為備用通信鏈路；沒有條件建設(shè)微波、散射通信的海上油田，雖然距離陸地較近，但仍然僅有衛(wèi)星通信一種方式。三是，移動(dòng)勘探鉆井平臺(tái)常年在不同的海域進(jìn)行油田勘探、鉆井作業(yè)等，為了方便其可移動(dòng)作業(yè)，一般不建設(shè)微波、散射等固定位置通信鏈路，僅部署衛(wèi)星通信一種通信方式。

2.海上油田傳輸業(yè)務(wù)類型

海上油田是集生產(chǎn)、辦公、生活于一體的綜合性采油平臺(tái)，海上油田的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)類型豐富多樣，如：

1）生產(chǎn)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)用儀器儀表設(shè)備的壓力、溫度、流量、靈敏度等參數(shù)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、控制信號(hào)等。

2）管理數(shù)據(jù)，生產(chǎn)辦公使用的ERP系統(tǒng)、MAXIMO系統(tǒng)、海油內(nèi)部的一些管理平臺(tái)系統(tǒng)等。

3）鉆井?dāng)?shù)據(jù)，勘探鉆井期間錄井?dāng)?shù)據(jù)、儀器儀表設(shè)備的參數(shù)、相關(guān)鉆井動(dòng)態(tài)圖表等的數(shù)據(jù)。

4）郵件報(bào)表，人員辦公涉及的文件、報(bào)表等日常交流相關(guān)的郵件信息數(shù)據(jù)。

5）個(gè)人應(yīng)用，個(gè)人工作、學(xué)習(xí)、生活等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

3.寬帶網(wǎng)絡(luò)在海上油田的需求分析

海上油田傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信使用C和Ku頻段資源，由于這兩個(gè)頻段資源少，海油平臺(tái)多，每個(gè)油田所申請(qǐng)的資源有限，并且申請(qǐng)的衛(wèi)星資源主要用于生產(chǎn)辦公使用，沒有單獨(dú)的個(gè)人應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)。近幾年隨著國(guó)家數(shù)字化、信息化、智能化的快速發(fā)展，海上油田生產(chǎn)辦公智能化的應(yīng)用也在提高、油田人員個(gè)人互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求增加，而現(xiàn)有衛(wèi)星資源的有限，增加了很多的矛盾，因此對(duì)寬帶網(wǎng)絡(luò)的需求與日俱增。

（1）個(gè)人應(yīng)用

海上油田沒有運(yùn)營(yíng)商信號(hào)覆蓋，沒有個(gè)人應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)，猶如孤島般的生活，個(gè)人應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)在平臺(tái)的需求強(qiáng)烈，考慮以人為本的民生為出發(fā)點(diǎn)，為了滿足一線人員的生活、學(xué)習(xí)用網(wǎng)，穩(wěn)定一線人員隊(duì)伍，對(duì)海上油田個(gè)人應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)的需求非常迫切。

（2）網(wǎng)絡(luò)治理

原來海上油田的個(gè)人用網(wǎng)通過本就有限的生產(chǎn)辦公網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)，不僅降低工作用網(wǎng)效率，而且信息、網(wǎng)絡(luò)安全得不到保障，隨著國(guó)家對(duì)信息、網(wǎng)絡(luò)安全的整治和重視，也需要將個(gè)人生活用網(wǎng)與生產(chǎn)辦公網(wǎng)進(jìn)行分離管理，通過寬帶互聯(lián)網(wǎng)在海上油田的應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)分離，保障信息、網(wǎng)絡(luò)安全。

（3）科學(xué)、安全生產(chǎn)

隨著勘探一體化的快速發(fā)展，對(duì)科學(xué)開發(fā)、安全生產(chǎn)要求越來越高，而現(xiàn)有的海上油田網(wǎng)絡(luò)資源僅能傳輸數(shù)據(jù)、圖片，對(duì)智能化的勘探開發(fā)、生產(chǎn)產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)沒有有效的通信方式進(jìn)行傳輸，對(duì)科學(xué)開發(fā)、安全生產(chǎn)進(jìn)行了制約，需要通過寬帶互聯(lián)網(wǎng)在海上油田的應(yīng)用來打破這種限制。

三、Ka高通量寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在海上油田的應(yīng)用探索

1.個(gè)人互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景

個(gè)人互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基于海上油田生產(chǎn)辦公網(wǎng)、生活用網(wǎng)分離的設(shè)計(jì)思想，即生產(chǎn)辦公網(wǎng)數(shù)據(jù)通過傳統(tǒng)的C、Ku頻段衛(wèi)星通信鏈路傳輸，生活用網(wǎng)通過Ka高通量衛(wèi)星通信鏈路傳輸，以達(dá)到生產(chǎn)辦公網(wǎng)和生活用網(wǎng)雙網(wǎng)完全分離的目的。Ka高通量衛(wèi)星在固定油田和移動(dòng)勘探鉆井平臺(tái)分別使用便攜式固定衛(wèi)星天線和自動(dòng)跟蹤天線建站，系統(tǒng)容量支持150個(gè)寬窄帶業(yè)務(wù)連接，衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器后端連接流控設(shè)備和無線AP，無線AP容量支持250個(gè)手機(jī)、IPAD等移動(dòng)終端用戶、PC用戶連接，測(cè)試過程中最多有90人同時(shí)在線，系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行。通信鏈路陸地端落地在Ka地面信關(guān)站，然后通過防火墻出局訪問互聯(lián)網(wǎng)，通信鏈路系統(tǒng)如圖1所示，Ka衛(wèi)星在海上多個(gè)油田已經(jīng)部署商業(yè)應(yīng)用，應(yīng)用效果很好，下行達(dá)到83Mbit/s，根據(jù)海上油田實(shí)際需求，上行申請(qǐng)的帶寬較小，達(dá)到4Mbit/s，雖然中國(guó)海域的很多海上油田在Ka衛(wèi)星覆蓋的邊緣，但是接收信號(hào)和信道傳輸性能良好。

圖1 Ka高通量衛(wèi)星通信系統(tǒng)拓?fù)鋱D

生產(chǎn)辦公網(wǎng)應(yīng)用在個(gè)人互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用拓?fù)浠A(chǔ)上通過使用IPsec VPN建立隧道的方式進(jìn)入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，用海上油田生產(chǎn)辦公電腦接入Ka網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試Ka網(wǎng)絡(luò)使用IPsec VPN接入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)后的辦公應(yīng)用情況，從測(cè)試的工作使用情況來看，驗(yàn)證了Ka衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)可以滿足海上油田企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)辦公需求，各項(xiàng)系統(tǒng)應(yīng)用均能夠正常訪問。

2.基于Ka高通量衛(wèi)星的運(yùn)營(yíng)商手機(jī)信號(hào)覆蓋應(yīng)用

海上油田距離岸基較遠(yuǎn)，國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商的手機(jī)信號(hào)無法覆蓋，受限于海陸通信的帶寬影響，這么多年來海上油田一直沒有部署手機(jī)信號(hào)覆蓋基站。在Ka高通量衛(wèi)星商用后，中國(guó)海域部分海上油田部署了運(yùn)營(yíng)商基站，通過Ka衛(wèi)星帶寬網(wǎng)絡(luò)回傳陸地，接入運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營(yíng)商手機(jī)信號(hào)在海上油田完成覆蓋，讓一線員工能夠通過手機(jī)撥打電話、接收驗(yàn)證碼等豐富業(yè)余生活，并且基站能夠覆蓋油田周邊幾公里的海域，方便周圍的作業(yè)船舶工作人員使用，如圖2所示。

圖2 海上油田運(yùn)營(yíng)商手機(jī)信號(hào)覆蓋示意圖

3.海上油田應(yīng)急通信應(yīng)用場(chǎng)景

多年來，遠(yuǎn)距離海上油田應(yīng)急通信受海陸通信帶寬影響，陸地一直通過電話、郵件等非可視化方式對(duì)海上油田進(jìn)行應(yīng)急指揮，海上油田應(yīng)急通信一直不能與陸地指揮中心很好的進(jìn)行聯(lián)動(dòng)指揮。Ka高通量衛(wèi)星在海上油田的應(yīng)用，使得海陸應(yīng)急聯(lián)動(dòng)指揮成為可能。海上油田建設(shè)的內(nèi)部融合通信方式有：廣播通信系統(tǒng)、程控通信系統(tǒng)、集群對(duì)講系統(tǒng)、船載對(duì)講系統(tǒng)、機(jī)載對(duì)講系統(tǒng)，油田內(nèi)部視頻會(huì)議系統(tǒng)等。Ka高通量衛(wèi)星在海上油田部署后，海上油田內(nèi)部融合通信系統(tǒng)可以通過Ka寬帶網(wǎng)絡(luò)接入陸地指揮中心，陸地指揮中心可以與海上油田視頻會(huì)商，進(jìn)行應(yīng)急策略、方案商討和實(shí)施等處理，如圖3所示。

圖3 海上油田應(yīng)急救援示意圖

1）如果海上油田出現(xiàn)應(yīng)急情況，陸地指揮中心可以根據(jù)海上油田坐標(biāo)、海圖信息、回傳的視頻圖片畫面等信息，尋找油田周邊工作船只、漁船、運(yùn)輸船只等，通知油田通過船載對(duì)講系統(tǒng)聯(lián)系附近船舶前來救援，陸地指揮中心也可以直接聯(lián)系附近船舶、聯(lián)系飛機(jī)前去海上油田位置進(jìn)行救援。

2）陸地的海上救援中心與油田企業(yè)建立合作，如果海上油田附近有船只出現(xiàn)應(yīng)急情況，陸地的海上救援中心接到險(xiǎn)情后，可以聯(lián)系油田企業(yè)陸地應(yīng)急指揮中心，根據(jù)船舶坐標(biāo)信息，確認(rèn)附近的具體海上油田，并且與該海上油田進(jìn)行多方（事故船方、海上救援中心、油田企業(yè)陸地指揮中心、海上油田）視頻會(huì)議，商討具體救援措施，海上油田安排守護(hù)船或者附近的船舶前去事故地點(diǎn)進(jìn)行施救，能夠高效的完成救援工作，最大限度降低事故損失。

四、Ka高通量衛(wèi)星在海上應(yīng)用和展望

Ka高通量衛(wèi)星具有使用頻率高，天線增益大，用戶終端天線小、輕，利于靈活移動(dòng)和部署快速等特點(diǎn)，在地面通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓的災(zāi)區(qū)、覆蓋不到的偏遠(yuǎn)山區(qū)等區(qū)域搭建臨時(shí)應(yīng)急通信，建立永久通信有著較大的優(yōu)勢(shì)，例如，在災(zāi)區(qū)建立臨時(shí)應(yīng)急多媒體指揮中心，在偏遠(yuǎn)山區(qū)建立遠(yuǎn)程教育等。海上通信網(wǎng)絡(luò)本就沒有陸地通過光纜敷設(shè)的通信網(wǎng)絡(luò)那么四通八達(dá)，并且中遠(yuǎn)海海域甚至沒有光纜和運(yùn)營(yíng)商信號(hào)覆蓋，因此Ka高通量衛(wèi)星在海上的應(yīng)用有著不可替代的優(yōu)勢(shì)，除了上述提到的海上油田寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用外，近遠(yuǎn)期的海上寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景還包括濱海旅游業(yè)、海洋新能源開發(fā)、海洋牧場(chǎng)、漁業(yè)、海洋工程建筑業(yè)、海洋交通運(yùn)輸業(yè)等。