5G賦能海上無人值守平臺

夏如君

（中海石油（中國）有限公司海南分公司，海南 海口570135）

1 引言

隨著自動化和智能化的飛速發展，中國海油與國內各大知名自動化公司合作，開展海上新型無人平臺的方案研究與設計工作。但在實際運行中，平臺間通信采用微波和海纜通信技術，由于微波技術的低帶寬和大風影響導致的通信不穩定，以及海纜建設維護成本高等問題，無法滿足平臺間生產網、辦公網以及視頻監控信息的傳輸帶寬和可靠傳輸需求，因此并未實行真正意義上的無人化管理，一直延續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，保障平臺間通信的可靠性，提高平臺視頻監控能力、可操控性和安全性，實現中心平臺對井口平臺“動想所動、看想所看、有險即關”的全方位監控、操作和保護，打造經濟高效、安全可靠的海上智能油氣田。

2 無人值守平臺建設需求與現狀

海上無人值守平臺基于自動化技術、視頻監控技術、遠程操控技術以及應急保障技術，實現海上無人值守平臺遠程監控與操作，提高生產和管理效率，降低成本。無人值守平臺建設自動化和智能化需求如下。

? 生產監測：具備生產數據實時監測，設備健康在線檢測和預測性維護功能。

? 視頻監控：實現生產現場全覆蓋實時視頻監測以及平臺安防監控。

? 遠程操控：具備遠程操作計量、安全閥、電泵等設備和遠程緊急關斷功能。

? 應急保障：遠程操控失效時有應急保障措施，如采用機器人進行生產緊急關斷。

無人平臺建造方面，國內從1993年開始建造第一座無人平臺。隨著平臺無人化推進，中國海油已建平臺的無人化改造和新建平臺的無人化設計日趨成熟。中國海油各分公司開始探索實施井口平臺無人化管理，建立平臺無人化管理體系。同時，在生產自動化方面，基于機器人、大數據、人工智能等技術的成熟與應用，海上平臺自動化、智能化水平已經滿足無人值守平臺要求。目前主要的制約因素是現有通信無法滿足平臺間各類設備、視頻、操控指令等自動化生產數據的高帶寬、低時延傳輸需求。

3 無人值守平臺對通信的需求與現狀

無人值守平臺各業務對通信的需求主要包括帶寬需求、時延需求和丟包率需求，具體指標需求見表1。

表1 無人值守平臺各業務的通信指標需求

國內海上平臺間通信大多采用海纜和微波方式。微波通信具有組網部署快捷、安裝靈活、設備緊湊、轉運方便等優勢。但由于其頻率高、波長短、直線傳播，在電波波束方向上若有遮擋物則會導致信號被反射或被中斷，同時，微波通信受惡劣天氣影響大，信號不穩定，通信易中斷，效果不理想。相對于微波通信，海纜通信技術的優勢在于可靠性高，不受惡劣天氣影響，信號穩定；采用密集波分復用技術，通信帶寬可擴展；頻譜資源豐富，無須申請頻譜。但海纜鋪設難度和投資巨大，回收周期長，導致成本高、經濟效益低。

鑒于海纜和微波通信方式的局限性，隨著4G通信技術的高速發展與成熟，海上平臺提出建設4G專網，采用4G無線寬帶技術覆蓋區域內集中分布的多海上平臺。4G優勢在于移動性強、穩定性高、傳輸距離遠、傳輸速度快；可取代海底光纜的鋪設，覆蓋方案靈活、易實施、易維護、投資小。4G網絡已作為新型海上平臺接入網建設方案重點，但在無人值守平臺的應用中4G網絡傳輸技術仍存在不足，即網絡寬帶無法滿足平臺間實時數據的高帶寬、低時延傳輸需求，制約海上平臺無人值守進程的發展。

4 無人值守平臺5G覆蓋方案

4.1 5G關鍵技術

（1）5G網絡切片和 QoS機制

5G網絡切片是一種按需組網的技術，獨立組網架構下將一張物理網絡虛擬出多個不同特性的邏輯子網絡，不同的網絡切片之間既相互隔離也可共享資源。5G系統中采用QFI（QoS flow ID）標識QoS（quality of service）流。一個PDU會話中QFI保持唯一，具有相同QFI的用戶面業務流獲得相同的轉發處理方式。5G網絡切片實現多業務QoS（時延、傳輸速率、丟包率）不同的特殊性要求，采用靈活的幀結構、QoS區分等多種技術結合的方式實現無線資源的智能調度，并通過靈活的無線網絡參數重配置功能，實現差異化的切片功能。5G網絡切片和 QoS機制分別如圖1和圖2所示。

圖1 5G網絡切片

圖2 5G QoS機制

（2）5G高帶寬、低時延、遠距離傳輸技術

5G相較于4G流量密度、連接密度、時延、峰值速率等8項關鍵技術指標都有較大幅度的提 升，4G和5G關鍵指標對比見表2。

表2 4G和5G關鍵指標對比

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

5G扁平化架構、MEC（mobile edge computing，移動邊緣計算）技術以及UPF（user plane function，用戶平面功能）虛擬化靈活部署等網絡架構技術，結合上行免調度、極端調度周期等無線技術，大幅度降低了業務在5G網絡中的時延。

5G支持多種PRACH（physical randomaccess channel，物理隨機接入信道）格式，支持多種覆蓋場景和小區半徑。本文采用了合理的特殊時隙配置、PRACH增強檢測技術、高增益天線技術等既實現了遠距離覆蓋又保證了高容量。

4.2 5G井口平臺覆蓋方案

4.2.1 系統組網

系統采用5G獨立組網模式，在9-2/9-3中心平臺安裝5G核心網和BBU（基帶處理單元），采用四通道RRU（射頻拉遠模塊）進行無線覆蓋。在8-3B井口平臺部署5G CPE，打通9-2/9-3中心平臺與8-3B井口平臺之間的5G通信鏈路。5G無線網絡子系統組網如圖3所示。

圖3 5G無線網絡子系統組網

（1）PRACH檢測專利算法及系統仿真

PRACH選用Format0格式，可以盡可能小地占用無線資源承載PRACH，有助于提高系統上行吞吐量和上行業務信道的覆蓋性能。符合生產平臺生產以監控業務上行為主的需求特征。

Format0格式情況下，由于幀結構的GP長度為96.88 μs，PRACH理論覆蓋只有14.5 km，超過14.5 km，上行PRACH信號序列接收不完整，檢測概率有惡化，影響接入。為此針對PRACH檢測采用了增強檢測專利算法，通過系統仿真，覆蓋距離18 km、22 km情況下均可以檢測到PRACH。

（2）鏈路預算與天線選擇

5G基站發射功率4×80 W，采用17 dBi板狀高增益天線，天線數4T4R，安裝在9-2/9-3中心平臺，距離海面35 m。5G CPE發射功率200 mW, 采用17 dBi板狀高增益天線，天線數2T4R，安裝在8-3B井口平臺，距離海面30 m。根據海面傳播條件，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，鏈路預算結果見表3。

表3 速率與覆蓋距離鏈路預算結果

4.2.2 安裝部署

9-2/9-3中心平臺上，5G核心網、BBU安置在生產區中控室內，RRU設備安裝在中層甲板非防爆區，天線指向8-3B井口平臺方向。

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

5 現場試驗驗證

5.1 現場組網說明

9-2/9-3中心平臺由5G核心網、BBU、RRU、高增益天線、交換機、路由器、筆記本計算機等設備組成，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井口平臺由5G CPE、高增益天線、路由器、筆記本計算機等設備組成，其中高增益天線位于上層甲板，安裝高度距海面約30 m。現場組網如圖4所示。

圖4 現場組網

5.2 測試方案

采用筆記本計算機、5G核心網和基站網管軟件、GPEF、Xlight、CuteFTP、NetMeter等測試工具，在9-2/9-3中心平臺上，測試計算機連接至萬兆交換機，在8-3B井口平臺上，測試計算機連接至5G CPE LAN口，進行信號質量、通信速率、時延和丟包率的測試。

測試配置如下。

（1）5G系統配置：基站RRU采用上下行各40 MHz頻寬，FDD制式。

（2）測試點網絡配置見表4。

表4 測試點網絡配置

5.3 測試內容和結果

5.3.1 信號質量測試

登錄到5G CPE管理頁面，觀察5G信號強度參數，且每隔30 s，手動刷新5G CPE管理網頁，持續5 min觀察5G信號強度參數。測試結果顯示5G CPE RSRP值在?86 dBm到?76 dBm之間波動。

5.3.2 空口傳輸速率模擬測試

在9-2/9-3中心平臺測試計算機上運行Xlight軟件，在8-3B井口平臺測試計算機上運行CuteFTP軟件。8-3B井口平臺測試用戶通過CuteFTP客戶端登錄到Xlight服務器。在基站操作維護界面分別進行上行和下行空口速率模擬測試，并持續5 min觀察上行速率和下行速率。測試結果如表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試結果

5.3.3 傳輸速率測試

在9-2/9-3中心平臺測試計算機上運行Xlight軟件，在8-3B井口平臺測試計算機上運行CuteFTP軟件。8-3B井口平臺測試用戶通過CuteFTP客戶端登錄到Xlight服務器。在CuteFTP客戶端分別對進行多文件（8個文件）上傳和下載操作，上傳和下載至Xlight服務器，并持續5 min觀察上傳速率和下載速率。在8-3B井口平臺測試計算機對9-2/9-3中心平臺測試計算機進行ping操作，持續ping包200次，統計時延和丟包率，結果顯示端到端往返平均時延19 ms，最短往返時延9 ms，丟失0%。測試結果如表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 傳輸速率模擬測試結果

5.4 測試結果分析

9-2/9-3中心平臺與8-3B井口平臺間5G無線網絡遠距離傳輸時延、速率及穩定性情況見表7。

表7 測試結果

對比測試結果和無人值守平臺各業務的通信需求指標，5G無線網絡傳輸速率和時延均滿足中國海油平臺間各業務通信的要求，實現了9-2/9-3中心平臺與8-3B井口平臺間近20 km的遠距離無線通信。

6 結束語

無人值守平臺可以減少生活區模塊設計制造，降低平臺整體建造成本投資；無須人員長期駐守，降低運營維護成本，提高人身安全；保障邊際油田的生產和臺風季節油田生產的不間斷，從而增加了經濟效益；提升井口平臺管理水平，引領海上油氣田管理轉型，推動可持續性發展。海油井口平臺無人值守將是未來的發展趨勢，而5G新技術的發展與應用則為海上井口平臺無人化提供最佳的基礎網絡支撐，實現海上井口平臺從有人到無人的“顛覆性 創新”。