基于4G-LTE的海上油田智能化設備巡檢系統研究與設計

徐亮

摘要：將4G-LTE無線覆蓋、智能化數據采集終端等無線物聯網技術應用于海上油氣田現場設備巡檢、監控等進行智能化管理和融合，是一項具有創新意義的工作，該課題的開展，對4G-LTE無線覆蓋技術以及智能化設備巡檢系統在智能化數字化海上油田的推廣應用以及未來海上油田信息化建設將起到很好的示范效果。

關鍵詞：海上油氣田;4G-LTE;智能化巡檢;信息化建設

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）05-0132-03

0引言

在石油化工企業的生產過程中，對海上平臺的油、氣田的生產設備，以及油、氣、輸送管道的各種參數進行實時監控，相當重要。傳統的油、氣田監控數據需要值班人員周期性巡檢，手動記錄或者采用點檢儀記錄后轉存儲于本地。存在巡檢工作量大、耗費人工、漏檢、誤檢、數據處理繁瑣、歷史數據檢索困難、實時性差等諸多難題。

采用4G-LTE專網綜合信息管理、智能巡檢，能夠實現對日常巡檢的路線與巡檢計劃的下載，巡檢任務生成，巡檢結果記錄，巡檢結果上傳等等，并且能夠基于4G-LTE專網的特點完成對設備信息及現場巡檢可視化操作，包括對現場設備點檢異常的拍照、錄音等。完成數據的采集后，通過4G-LTE無線專網快速準確的傳送到生產運管中心，便于集中管理和統一監控。

1海上油氣田智能化設備巡檢系統的發展現狀

智能化巡檢系統目前在國內的電力行業、森林維護管理行業、智能化工廠以及陸地石油化工行業等都有相應的應用，雖然在國內各行業以及石油化工行業應用還不是那么普及，但是隨著國內智能化、信息化、物聯網的快速發展，智能化巡檢系統的應用快速深入各行各業。而國內的海上油氣田在智能化巡檢這一塊的建設和發展目前尚處于空白狀態，與數字海洋、智慧海洋建設的方針不符，由此展開論述。

與海上油氣生產平臺傳統巡檢方式對比：

（1）降低成本，提高效率：降低人員周期性巡檢，手動記錄等的人工成本，并且減少有線連接方式下的鋪設線纜成本和人工成本，提高了工作效率，同時也極大的節省了維護成本。

（2）規避風險：有效的遠程監控各點位的巡檢，并且能夠根據規劃的巡檢任務逐一完成，對于人工巡檢疏漏的巡檢點進行及時的提醒，能夠根據巡檢人員回傳的信息（圖片、數據等），實時分析設備的情況，并及時反饋給巡檢人員，能夠高效的處理問題，尤其是無人平臺規避了漏檢帶來的風險以及現場處理問題的效率，消除隱患，同時也能夠實時定位巡檢人員所在位置，能有效的規避人員安全風險。

2海上油氣田4G-LTE無線專網建設研究

2.1LTE技術及系統組成

LTE（Long Term Evolution）是第四代移動通信系統，該系統核心技術為OFDM/FDMA技術。LTE系統與第三代移動通信系統的整體網絡架構有著本質的不同，LTE系統接入網絡更加扁平化，趨近于典型的lP寬帶網絡結構，第三代移動通信系統RNC節點被簡化，其無線資源管理功能也全部位于eNB（Evolved Node B，演進型基站）中，LTE系統分為兩個部分，即接入網部分和核心網部分，接入網又稱為E-UTRAN（Evolved Universal Terrestrial RadioAccess Network，演進型全球地面無線接入網），由eNB構成，eNB之間通過x2接口交互信息。核心網，又稱EPC（Evolved Packet Core，演進型分組核心網），包括MME（Mobflity Management Entity，移動性管理實體）和S-GW（Serving Gateway）（圖1）。

為了滿足上述需求，LTE系統在MIMO和OFDM/OFDMA等技術的基礎上，主要在以下關鍵技術做出了提升和增強。

2.1.1載波聚合

LTE系統支持多種不同的載波帶寬，包括1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz以及20MHZo為了滿足MT-Advanced系統達到上行500Mbit/s、下行1Gbit/s的需求，3GPP提出了LTE擴展傳輸帶寬至100MHz的設計目標，所以3GPP組織提出載波聚合的方法來實現系統帶寬的擴展。由于受限的頻譜資源，連續的能夠滿足需求的頻譜很少，所以載波聚合又包括連續載波聚合和非連續載波聚合的情況（表1）。

2.1.2多天線增強

在LTE系統中，多天線技術得到進一步的增強，信道容量的改善是通過擴展空間傳輸維度的方式來實現的，如上行最高支持4個發射天線4個接收天線，下行最高支持8個發射天線8個接收天線，是滿足LTE峰值譜效率和平均譜效率提升需求的重要途徑之一。

2.1.3中繼技術

與前幾代移動通信系統相比，LTE支持高數據速率要求，可能需要使用傳輸能力較大的高頻載波，為此LTE引入了中繼技術，即Relay技術。Relay技術是在原有站點的基礎上，通過增加一些新的中繼節點，增加基站和天線的分布密度。這些新增中繼節點和原有基站都通過無線連接，下行數據先由原有基站發送給中繼節點，然后中繼節點再發送給用戶設備，上行則反之。進而縮短了原有基站和用戶設備問的傳輸距離，中繼技術延伸了傳輸距離，改善了傳輸質量和系統的頻譜利用率。

2.1.4協作多點傳輸技術

協作多點傳輸CoMP技術，英文縮寫為Coordinated Multipoints，是LTE系統中的一個關鍵技術，主要是消除小區間干擾，提高系統性能。該技術是指地理位置上分離，但是相鄰的多個站點或者天線聯合操作，為用戶提供協作服務，用以抑制相鄰小區對用戶的干擾，改善了小區邊緣的性能和整個系統的性能，提高了用戶的服務質量。

2.2海上油氣田生產平臺LTE專網設計

因為海上油氣生產平臺主要是以鋼結構為主，無線信號在大氣中以電磁波的方式傳播，無線信號無法穿透鋼板。平臺有封閉式結構的生活區，有敞開式的鉆井區，有車間式的生產區，組成結構較為復雜。

針對海上生產平臺的這些特點，無線覆蓋方采用室外無線覆蓋和室內分布覆蓋共存的方式。

2.2.1頻率選擇

4G-LTE專網的覆蓋頻率有1.8G、2.4G、2.6G等頻點，1.8G在室內分布系統中應用較為成熟，普遍，產品類型豐富、無需定制，既能滿足室外無線覆蓋又滿足室內分布覆蓋，因此本次研究考慮1.8G一體化基站進行平臺的無線寬帶專網覆蓋。

2.2.2典型海上油氣生產平臺建網設計

海上生產平臺4G-LTE無線信號覆蓋區域由3個部分組成，包括生活區，生產區，鉆井區。生活區與鉆井區位于平臺上部，生產區位于平臺下部，部分中心平臺還通過棧橋連接井口平臺（圖2）。

生活區一般為3層或者4層的生活樓，層高約4米，長約27米，寬約12米。生活區外墻為厚鋼板結構，室內房間之間為薄鋼板結構，有吊頂。

鉆井平臺一般共4層，層高約4米，長約80米，寬約35米。鉆井區多數為開闊區，布放少量的電氣及機械設備與少量的集裝箱，還有1副近100米高的井架。

生產區一般分為8.5米甲板、18.5米甲板、25米甲板、29.5米甲板，全高約21米，長約100米，寬約35米。生產區房間較多，房間外墻為厚鋼板結構，房間之間是薄鋼板結構，室外機器設備擺放較密集。

2.2.3基站架設

生活區基站1安裝在生活樓頂，通過全向天線覆蓋生活區頂部、生產區上層區域，包括：生活樓頂部、直升機甲板、候機室、兩部吊車駕駛艙、生產區上層甲板。基站的電源和網絡可通過網線和電源線直接沿橋架接入到報房。

生產區基站2安裝在生產區中層甲板，通過全向天線覆蓋生產區中層甲板、下層甲板、井口平臺生產區中下層甲板區域。基站的電源和網絡可通過網線和電源線直接沿橋架就近接入或者接入到報房。

鉆井區基站3安裝在井架上，通過全向天線覆蓋井口平臺鉆井區、生產區上層甲板、兩部吊車駕駛艙等區域，由于井架到就近的接人房間距離較長，需通過光纜作為傳輸鏈路。

3海上油氣田智能化巡檢系統設計

3.1整體架構

智能化巡檢系統組網架構分為三部分：終端設備、接人層設備、系統設備，結合海油生產平臺實際結構和特點，系統設備布置在平臺機房（平臺無線電房、生產中控室），包括核心網服務器、定位服務器、巡檢服務器、調度服務器、網管服務器和操作臺等，可以根據平臺崗位特點，如果平臺配置無線電房并且有無線電子員，可以將該系統設備部署在無線電房或者部署在平臺中控室;如果平臺沒有無線電房，該系統設備直接部署在中控室。接入層基站等設備分別部署在平臺生活區、生產區、鉆井區，進行全平臺室內外4C-LTE無線專網覆蓋。終端設備分為固定的視頻監控設備，可移動的集群對講設備、巡檢終端設備，方便巡檢人員隨身攜帶（圖3）。

3.2智能化巡檢系統功能實現

在海上生產平臺的生產過程中，對油、氣田的生產設備，以及油、氣輸送管道的各種參數進行實時監控，相當重要。傳統的油、氣田監控數據需要值班人員周期性巡檢，手動記錄或者采用點檢儀記錄后本地存儲。人工成本高，也會留下許多人為因素，存在安全風險。

采用4C-LTE專網智能巡檢終端，可以完成以下任務：

（1）能夠實現對日常巡檢的路線與巡檢計劃的下載，巡檢任務生成，巡檢結果記錄，巡檢結果上傳等功能。

（2）能夠于4G專網的應用功能完成對設備信息及現場巡檢可視化操作，包括對現場設備點檢異常的拍照、錄音等。

（3）對于采集到的數據，通過4G專網無線網絡實時陜速準確的傳送到監控中心，便于集中管理和統一監控。

對于海上平臺生產狀況的遠程數據采集，終端可以通過兩種方式進行：

（1）終端通過RFID模塊采集標簽信息，來完成巡檢點信息的識別。

（2）終端通過無線方式或有線方式對現場設備實現視頻、圖片、溫度和震動的數據采集。

設備巡檢管理包括設備巡檢計劃同步，設備巡檢實施，巡檢結果上傳等子功能模塊。

巡檢計劃同步的目的是將后臺管理系統制定或修改好的巡檢計劃下載到終端中。巡檢終端可根據系統定義的巡檢計劃自動創建巡檢任務，并按照巡檢任務開始和結束巡檢，巡檢任務可根據業務進行調整。

設備巡檢實施模塊用于日常的巡檢實施，進入巡檢實施模塊后，選擇操作人員（可通過人員卡識別）并進入操作界面。并對巡檢路線上的巡檢點、巡檢設備和巡檢內容要求進行巡檢操作。

巡檢員使用巡檢終端掃描生產區的配套RFID信息鈕，終端顯示當前巡檢任務，巡檢員可以根據提示，按照巡檢內容進行手工信息錄入，錄入信息可以是儀表數據或文字描述等。當巡檢內容中包含測溫測振項目時，則巡檢終端會自動開啟溫度或振動測量功能，進行測量操作，并自動保存測量結果。當前全部任務完成后，可進行巡檢結果上傳。

4總結與展望

基于4G-LTE的油田智能化設備巡檢系統應用，實現對現場各類數據的實時采集和傳輸，提升平臺生產整體數據自動采集率;通過建立平臺現場綜合數據庫，實現現場對象與管理者問的互聯互通，為上層應用和其它信息系統應用提供穩定、可靠的現場數據支持;通過現場監測管理、安全防范管理及資產可視化管理等應用建設，進一步提升平臺現場生產操作和安全管控水平，提升平臺精細化管理和智能化管理水平。

本課題將4C-LTE無線覆蓋、智能化數據采集終端等無線物聯網技術應用于油田現場設備巡檢、監控等進行智能化管理和融合，是一項具有創新意義的工作，該課題的開展，對4G-LTE無線覆蓋技術以及智能化設備巡檢系統在智能化數字化油田建設領域的推廣應用以及新建海上油田無線信息化建設將起到很好的示范作用。

5GNt照也已經發放，并且將陸續投入商用，隨著技術的快速發展，基于5G專網的系統和應用也會陸續展開，進而海上平臺的無線專網覆蓋也更加復雜，需要考慮設備、協議、接口、軟件向上兼容等問題。4G-LTE專網和5G專網在海上平臺共存應用場景下的管理也是需要進一步研究的問題。