5G賦能海上無人值守平臺(tái)

夏如君

（中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南 ?？?70135）

1 引言

隨著自動(dòng)化和智能化的飛速發(fā)展，中國海油與國內(nèi)各大知名自動(dòng)化公司合作，開展海上新型無人平臺(tái)的方案研究與設(shè)計(jì)工作。但在實(shí)際運(yùn)行中，平臺(tái)間通信采用微波和海纜通信技術(shù)，由于微波技術(shù)的低帶寬和大風(fēng)影響導(dǎo)致的通信不穩(wěn)定，以及海纜建設(shè)維護(hù)成本高等問題，無法滿足平臺(tái)間生產(chǎn)網(wǎng)、辦公網(wǎng)以及視頻監(jiān)控信息的傳輸帶寬和可靠傳輸需求，因此并未實(shí)行真正意義上的無人化管理，一直延續(xù)有人駐守的管理模式。因此，必須另辟蹊徑，借助5G通信新技術(shù)，保障平臺(tái)間通信的可靠性，提高平臺(tái)視頻監(jiān)控能力、可操控性和安全性，實(shí)現(xiàn)中心平臺(tái)對(duì)井口平臺(tái)“動(dòng)想所動(dòng)、看想所看、有險(xiǎn)即關(guān)”的全方位監(jiān)控、操作和保護(hù)，打造經(jīng)濟(jì)高效、安全可靠的海上智能油氣田。

2 無人值守平臺(tái)建設(shè)需求與現(xiàn)狀

海上無人值守平臺(tái)基于自動(dòng)化技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、遠(yuǎn)程操控技術(shù)以及應(yīng)急保障技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海上無人值守平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作，提高生產(chǎn)和管理效率，降低成本。無人值守平臺(tái)建設(shè)自動(dòng)化和智能化需求如下。

? 生產(chǎn)監(jiān)測(cè)：具備生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)備健康在線檢測(cè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)功能。

? 視頻監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)全覆蓋實(shí)時(shí)視頻監(jiān)測(cè)以及平臺(tái)安防監(jiān)控。

? 遠(yuǎn)程操控：具備遠(yuǎn)程操作計(jì)量、安全閥、電泵等設(shè)備和遠(yuǎn)程緊急關(guān)斷功能。

? 應(yīng)急保障：遠(yuǎn)程操控失效時(shí)有應(yīng)急保障措施，如采用機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)緊急關(guān)斷。

無人平臺(tái)建造方面，國內(nèi)從1993年開始建造第一座無人平臺(tái)。隨著平臺(tái)無人化推進(jìn)，中國海油已建平臺(tái)的無人化改造和新建平臺(tái)的無人化設(shè)計(jì)日趨成熟。中國海油各分公司開始探索實(shí)施井口平臺(tái)無人化管理，建立平臺(tái)無人化管理體系。同時(shí)，在生產(chǎn)自動(dòng)化方面，基于機(jī)器人、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的成熟與應(yīng)用，海上平臺(tái)自動(dòng)化、智能化水平已經(jīng)滿足無人值守平臺(tái)要求。目前主要的制約因素是現(xiàn)有通信無法滿足平臺(tái)間各類設(shè)備、視頻、操控指令等自動(dòng)化生產(chǎn)數(shù)據(jù)的高帶寬、低時(shí)延傳輸需求。

3 無人值守平臺(tái)對(duì)通信的需求與現(xiàn)狀

無人值守平臺(tái)各業(yè)務(wù)對(duì)通信的需求主要包括帶寬需求、時(shí)延需求和丟包率需求，具體指標(biāo)需求見表1。

表1 無人值守平臺(tái)各業(yè)務(wù)的通信指標(biāo)需求

國內(nèi)海上平臺(tái)間通信大多采用海纜和微波方式。微波通信具有組網(wǎng)部署快捷、安裝靈活、設(shè)備緊湊、轉(zhuǎn)運(yùn)方便等優(yōu)勢(shì)。但由于其頻率高、波長(zhǎng)短、直線傳播，在電波波束方向上若有遮擋物則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)被反射或被中斷，同時(shí)，微波通信受惡劣天氣影響大，信號(hào)不穩(wěn)定，通信易中斷，效果不理想。相對(duì)于微波通信，海纜通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可靠性高，不受惡劣天氣影響，信號(hào)穩(wěn)定；采用密集波分復(fù)用技術(shù)，通信帶寬可擴(kuò)展；頻譜資源豐富，無須申請(qǐng)頻譜。但海纜鋪設(shè)難度和投資巨大，回收周期長(zhǎng)，導(dǎo)致成本高、經(jīng)濟(jì)效益低。

鑒于海纜和微波通信方式的局限性，隨著4G通信技術(shù)的高速發(fā)展與成熟，海上平臺(tái)提出建設(shè)4G專網(wǎng)，采用4G無線寬帶技術(shù)覆蓋區(qū)域內(nèi)集中分布的多海上平臺(tái)。4G優(yōu)勢(shì)在于移動(dòng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速度快；可取代海底光纜的鋪設(shè)，覆蓋方案靈活、易實(shí)施、易維護(hù)、投資小。4G網(wǎng)絡(luò)已作為新型海上平臺(tái)接入網(wǎng)建設(shè)方案重點(diǎn)，但在無人值守平臺(tái)的應(yīng)用中4G網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)仍存在不足，即網(wǎng)絡(luò)寬帶無法滿足平臺(tái)間實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的高帶寬、低時(shí)延傳輸需求，制約海上平臺(tái)無人值守進(jìn)程的發(fā)展。

4 無人值守平臺(tái)5G覆蓋方案

4.1 5G關(guān)鍵技術(shù)

（1）5G網(wǎng)絡(luò)切片和 QoS機(jī)制

5G網(wǎng)絡(luò)切片是一種按需組網(wǎng)的技術(shù)，獨(dú)立組網(wǎng)架構(gòu)下將一張物理網(wǎng)絡(luò)虛擬出多個(gè)不同特性的邏輯子網(wǎng)絡(luò)，不同的網(wǎng)絡(luò)切片之間既相互隔離也可共享資源。5G系統(tǒng)中采用QFI（QoS flow ID）標(biāo)識(shí)QoS（quality of service）流。一個(gè)PDU會(huì)話中QFI保持唯一，具有相同QFI的用戶面業(yè)務(wù)流獲得相同的轉(zhuǎn)發(fā)處理方式。5G網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)QoS（時(shí)延、傳輸速率、丟包率）不同的特殊性要求，采用靈活的幀結(jié)構(gòu)、QoS區(qū)分等多種技術(shù)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)無線資源的智能調(diào)度，并通過靈活的無線網(wǎng)絡(luò)參數(shù)重配置功能，實(shí)現(xiàn)差異化的切片功能。5G網(wǎng)絡(luò)切片和 QoS機(jī)制分別如圖1和圖2所示。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)切片

圖2 5G QoS機(jī)制

（2）5G高帶寬、低時(shí)延、遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)

5G相較于4G流量密度、連接密度、時(shí)延、峰值速率等8項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)都有較大幅度的提 升，4G和5G關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比見表2。

表2 4G和5G關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比

大規(guī)模天線（massive MIMO）、新型F-OFDM（filtered-OFDM）多址技術(shù)、更高階QAM（quadrature amplitude modulation，正交幅度調(diào)制）的使用大大提高了頻譜效率，結(jié)合高頻寬、載波聚合等技術(shù)的應(yīng)用，5G通信速率帶寬得到極大提升。

5G扁平化架構(gòu)、MEC（mobile edge computing，移動(dòng)邊緣計(jì)算）技術(shù)以及UPF（user plane function，用戶平面功能）虛擬化靈活部署等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)，結(jié)合上行免調(diào)度、極端調(diào)度周期等無線技術(shù)，大幅度降低了業(yè)務(wù)在5G網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)延。

5G支持多種PRACH（physical randomaccess channel，物理隨機(jī)接入信道）格式，支持多種覆蓋場(chǎng)景和小區(qū)半徑。本文采用了合理的特殊時(shí)隙配置、PRACH增強(qiáng)檢測(cè)技術(shù)、高增益天線技術(shù)等既實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離覆蓋又保證了高容量。

4.2 5G井口平臺(tái)覆蓋方案

4.2.1 系統(tǒng)組網(wǎng)

系統(tǒng)采用5G獨(dú)立組網(wǎng)模式，在9-2/9-3中心平臺(tái)安裝5G核心網(wǎng)和BBU（基帶處理單元），采用四通道RRU（射頻拉遠(yuǎn)模塊）進(jìn)行無線覆蓋。在8-3B井口平臺(tái)部署5G CPE，打通9-2/9-3中心平臺(tái)與8-3B井口平臺(tái)之間的5G通信鏈路。5G無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)組網(wǎng)如圖3所示。

圖3 5G無線網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)組網(wǎng)

（1）PRACH檢測(cè)專利算法及系統(tǒng)仿真

PRACH選用Format0格式，可以盡可能小地占用無線資源承載PRACH，有助于提高系統(tǒng)上行吞吐量和上行業(yè)務(wù)信道的覆蓋性能。符合生產(chǎn)平臺(tái)生產(chǎn)以監(jiān)控業(yè)務(wù)上行為主的需求特征。

Format0格式情況下，由于幀結(jié)構(gòu)的GP長(zhǎng)度為96.88 μs，PRACH理論覆蓋只有14.5 km，超過14.5 km，上行PRACH信號(hào)序列接收不完整，檢測(cè)概率有惡化，影響接入。為此針對(duì)PRACH檢測(cè)采用了增強(qiáng)檢測(cè)專利算法，通過系統(tǒng)仿真，覆蓋距離18 km、22 km情況下均可以檢測(cè)到PRACH。

（2）鏈路預(yù)算與天線選擇

5G基站發(fā)射功率4×80 W，采用17 dBi板狀高增益天線，天線數(shù)4T4R，安裝在9-2/9-3中心平臺(tái)，距離海面35 m。5G CPE發(fā)射功率200 mW, 采用17 dBi板狀高增益天線，天線數(shù)2T4R，安裝在8-3B井口平臺(tái)，距離海面30 m。根據(jù)海面?zhèn)鞑l件，采用自由空間傳播模型，按照上下行速率分別不低于100 Mbit/s的需求，鏈路預(yù)算結(jié)果見表3。

表3 速率與覆蓋距離鏈路預(yù)算結(jié)果

4.2.2 安裝部署

9-2/9-3中心平臺(tái)上，5G核心網(wǎng)、BBU安置在生產(chǎn)區(qū)中控室內(nèi)，RRU設(shè)備安裝在中層甲板非防爆區(qū)，天線指向8-3B井口平臺(tái)方向。

8-3B井口平臺(tái)上，5G CPE天線安裝在中控室外非防爆區(qū)，指向9-2/9-3中心平臺(tái)方向，5G CPE及供電電源安裝在井口平臺(tái)中控室內(nèi)，5G CPE采用衰減率低的RF饋線進(jìn)行天線拉遠(yuǎn)。

5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)說明

9-2/9-3中心平臺(tái)由5G核心網(wǎng)、BBU、RRU、高增益天線、交換機(jī)、路由器、筆記本計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成，其中高增益天線位于中層甲板左舷舷邊，安裝高度距海面約35 m。8-3B井口平臺(tái)由5G CPE、高增益天線、路由器、筆記本計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成，其中高增益天線位于上層甲板，安裝高度距海面約30 m。現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)組網(wǎng)

5.2 測(cè)試方案

采用筆記本計(jì)算機(jī)、5G核心網(wǎng)和基站網(wǎng)管軟件、GPEF、Xlight、CuteFTP、NetMeter等測(cè)試工具，在9-2/9-3中心平臺(tái)上，測(cè)試計(jì)算機(jī)連接至萬兆交換機(jī)，在8-3B井口平臺(tái)上，測(cè)試計(jì)算機(jī)連接至5G CPE LAN口，進(jìn)行信號(hào)質(zhì)量、通信速率、時(shí)延和丟包率的測(cè)試。

測(cè)試配置如下。

（1）5G系統(tǒng)配置：基站RRU采用上下行各40 MHz頻寬，F(xiàn)DD制式。

（2）測(cè)試點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)配置見表4。

表4 測(cè)試點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)配置

5.3 測(cè)試內(nèi)容和結(jié)果

5.3.1 信號(hào)質(zhì)量測(cè)試

登錄到5G CPE管理頁面，觀察5G信號(hào)強(qiáng)度參數(shù)，且每隔30 s，手動(dòng)刷新5G CPE管理網(wǎng)頁，持續(xù)5 min觀察5G信號(hào)強(qiáng)度參數(shù)。測(cè)試結(jié)果顯示5G CPE RSRP值在?86 dBm到?76 dBm之間波動(dòng)。

5.3.2 空口傳輸速率模擬測(cè)試

在9-2/9-3中心平臺(tái)測(cè)試計(jì)算機(jī)上運(yùn)行Xlight軟件，在8-3B井口平臺(tái)測(cè)試計(jì)算機(jī)上運(yùn)行CuteFTP軟件。8-3B井口平臺(tái)測(cè)試用戶通過CuteFTP客戶端登錄到Xlight服務(wù)器。在基站操作維護(hù)界面分別進(jìn)行上行和下行空口速率模擬測(cè)試，并持續(xù)5 min觀察上行速率和下行速率。測(cè)試結(jié)果如表5和圖5、圖6所示。

圖5 上行速率

圖6 下行速率

表5 空口傳輸速率模擬測(cè)試結(jié)果

5.3.3 傳輸速率測(cè)試

在9-2/9-3中心平臺(tái)測(cè)試計(jì)算機(jī)上運(yùn)行Xlight軟件，在8-3B井口平臺(tái)測(cè)試計(jì)算機(jī)上運(yùn)行CuteFTP軟件。8-3B井口平臺(tái)測(cè)試用戶通過CuteFTP客戶端登錄到Xlight服務(wù)器。在CuteFTP客戶端分別對(duì)進(jìn)行多文件（8個(gè)文件）上傳和下載操作，上傳和下載至Xlight服務(wù)器，并持續(xù)5 min觀察上傳速率和下載速率。在8-3B井口平臺(tái)測(cè)試計(jì)算機(jī)對(duì)9-2/9-3中心平臺(tái)測(cè)試計(jì)算機(jī)進(jìn)行ping操作，持續(xù)ping包200次，統(tǒng)計(jì)時(shí)延和丟包率，結(jié)果顯示端到端往返平均時(shí)延19 ms，最短往返時(shí)延9 ms，丟失0%。測(cè)試結(jié)果如表6和圖7、圖8所示。

圖7 上行傳輸速率

圖8 下行傳輸速率

表6 傳輸速率模擬測(cè)試結(jié)果

5.4 測(cè)試結(jié)果分析

9-2/9-3中心平臺(tái)與8-3B井口平臺(tái)間5G無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)延、速率及穩(wěn)定性情況見表7。

表7 測(cè)試結(jié)果

對(duì)比測(cè)試結(jié)果和無人值守平臺(tái)各業(yè)務(wù)的通信需求指標(biāo)，5G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率和時(shí)延均滿足中國海油平臺(tái)間各業(yè)務(wù)通信的要求，實(shí)現(xiàn)了9-2/9-3中心平臺(tái)與8-3B井口平臺(tái)間近20 km的遠(yuǎn)距離無線通信。

6 結(jié)束語

無人值守平臺(tái)可以減少生活區(qū)模塊設(shè)計(jì)制造，降低平臺(tái)整體建造成本投資；無須人員長(zhǎng)期駐守，降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，提高人身安全；保障邊際油田的生產(chǎn)和臺(tái)風(fēng)季節(jié)油田生產(chǎn)的不間斷，從而增加了經(jīng)濟(jì)效益；提升井口平臺(tái)管理水平，引領(lǐng)海上油氣田管理轉(zhuǎn)型，推動(dòng)可持續(xù)性發(fā)展。海油井口平臺(tái)無人值守將是未來的發(fā)展趨勢(shì)，而5G新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用則為海上井口平臺(tái)無人化提供最佳的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)支撐，實(shí)現(xiàn)海上井口平臺(tái)從有人到無人的“顛覆性 創(chuàng)新”。