5G通信技術在天然氣田的推廣應用

左應祥，韓光譜，何軍，代志軍，劉晉成，文其志

(1.中國石油西南油氣田分公司重慶氣礦，重慶 400021；2.重慶郵電大學電子與通信工程學院電子信息專業，重慶 400000；3.中國石油西南油氣田分公司川港公司，四川 成都 611430)

0 引言

近些年來，天然氣生產領域積極發展網絡覆蓋模式，進一步提升氣田網絡信息化、智能化水平，大力發展現代信息網絡技術、通信技術，實現智能設備狀態收集和監測，5G通信技術將支持天然氣生產領域基礎設施的智能化。在天然氣生產場站，充分利用先進的5G通信技術，實現油氣生產網絡化運行、智能化管理，減少員工在高風險環境下的工作時間，提高員工的工作安全性。

1 天然氣田5G網絡架構

“智慧氣田”是兩化融合在石油天然氣上游企業建設應用的工作愿景和發展目標。5G能夠提供100倍4G的用戶體驗速率，高達20 Gbit/s的峰值速率，實現高密度連接，通過氣田5G網絡的搭建，如圖1所示。推進工業化和信息化深度融合，促進油氣田主營業務轉型升級。

圖1 5G網絡架構

在天然氣田生產場站新建5G基站的各項配置選擇，以規劃新建5G基站位置作為參考[1]。在氣田的接入網，天然氣田的5G網絡部署采用CU+DU+RRU邏輯架構，其中CU和DU共同組成gNB基站，采用分集中式與布式單元并行的先進組網方式。

在氣田的傳送網，將接入切片分組網設備與基帶處理單元相結合，并針對氣田智能機器人、高清視頻監控與傳輸、無人機云上輔助，進行若干個網絡分片，來分別承載這三類核心業務。

在氣田的核心網，通過軟件定義網絡、多接入邊緣計算(multi-access edge computing，MEC)、網絡功能虛擬化等關鍵技術，將邊緣計算節點及用戶平面功能部署在邊緣網絡機房，實現具有本地計算并能減少網絡資源負擔的能力，在氣田內識別的各種數據，可實現本地分流和遠端流量的并行操作，提供更智能化、靈活化的移動性管理能力。

2 氣田三大應用

除去網絡峰值速率外，5G通信技術的關鍵性能還包括實際體驗速率、連接數密度、端到端時延、流量密度等[2]，在天然氣田生產場站，通過5G網絡的搭建，可加速推進氣田生產的傳統化向網絡信息化、智能化轉變。利用5G通信技術以及部署在氣田周圍的各類傳感器、智慧機器人、高清視頻以及無人機云上輔助等，對天然氣田安全生產進行更為明確化、精準化的監控和預測，以實現對氣田生產場站大門、加熱爐、泵室、罐區等的自動化作業和遠程設備監控，提升氣田生產有序管理水平，降低風險成本。

2.1 5G智慧巡檢機器人

采用人工智能算法開展氣田巡檢機器人的研究工作，將攻破多項關鍵技術，將氣田內突發故障響應時間大幅縮短，實現5G智慧巡檢機器人的全天無人值守，提升我國在5G通信技術下的氣田管理與維護的技術水平。文章將搭建的基于5G網絡的氣田智慧巡檢機器人，通過遠程訪問智能的監控預測平臺，有助于氣田管理人員直接通過巡檢機器人觀測到氣田大部分生產運行狀態，降低人員調度成本，提升氣田監測有效性，同時將智慧巡檢機器人與氣田傳感器監控系統相結合，能更加直觀有效地為氣田運維人員提供精確定位的信息，提升任務調度效率，達到對突發故障監測、告警和有序調度新高度。

通過5G機器人站內巡檢及輔助排險，可大幅降低人員調動成本，進一步實現氣田遠程監管與操控，在氣田生產過程中，5G智慧巡檢機器人助力氣田生產及突發搶險過程中的任務有序調度，通過對氣田周圍實時采集的數據進行分析，及時做出決策，從而保障氣田生產安全。

氣田采用的AGV 5G智慧機器人，將四個業務通過搭建的5G網絡回傳到主控中心，包括B&R導航PLC(核心控制)、IFM單機電控PLC(維護級應用)、HMI單機故障屏(維護級應用)以及AGV遠程喚醒(輔助控制應用)[3]。5G智慧巡檢機器人利用基站、衛星定位和機械控制等技術，能夠按照主控中心任務下達后的巡檢路線，自動作業，其精度可達厘米級，適用于氣田內部大部分作業場景。

5G智慧巡檢機器人搭載的機載全景攝像頭可實時調看氣田當前生產信息和現場數據采集情況，通過數據分析，提供及時預警和停止當前作業等操作，利用5G通信技術三大特性之一的超低時延與高可靠性，智慧巡檢機器人的網絡延遲可下探到單項空口時延在1ms，可靠性接近100%，為實現巡檢機器人系統的正常運行提供了可靠保障[4]，按照5G網絡結合時延敏感網絡的預期為一到兩毫秒的端到端延時，信號雙向傳輸時間間隔可控制在50 ms以內。結合SDN軟件定義網絡，為5G智慧巡檢機器人作業提供高精度服務質量，在任務調度過程中，保障主控中心為機器人下達的各項任務能夠有效進行。

通過5G網絡的大帶寬以及低時延特性，結合智慧巡檢機器人搭載的各類傳感器，能成功監測多種突發情況，可在靠近險情發生點，將當前拍攝的高清視頻回傳至主控中心，結合現場數據分析，及時判斷險情發生原因，管理人員及時進行排險作業；同時利用機器人搭載的機械臂，可在人員無法靠近的情況下對氣田閥門進行關閉操作，或將火源撲滅。智慧巡檢機器人的輔助排險能夠極大的減少排險過程中的人員調度，有效提升安全救險效率。

2.2 5G高清視頻監控

無人值守的5G氣田生產場的高清視頻監控及回傳系統，如圖2所示。包括變電站現場視頻攝像頭、視頻處理服務器、紅外成像儀、溫度傳感器、避雷器在線監測、氣體微水密度在線監測、空氣質量傳感器、保護信息遠傳及輔助設備遠方開啟，及數據庫服務器和WEB服務器組成，系統各部分之間通過MIS網連接在—起，各系統通過智能巡檢軟件，將視頻與各類傳感器等相關電路組成一體化的氣田監控系統。本設計有益的效果是使值班員在監控設備外觀的同時，該設備的在線監測數據、保護信息及設備正常運行狀態下的圖片可同時自動跟蹤顯示。

圖2 高清視頻監控及回傳系統

搭建的5G通信網絡接入氣田生產場站內高清視頻監控，達到預期中氣田作業時產生的信息采集、數據分析、靈活控制和可視化服務的全新方式，以獲得安全生產和生產效益最佳化。

根據實時視頻監控，對站場大門、閥組間、加熱爐、泵房、罐區等重點區域進行監控，同時將氣田生產過程中產生的如：數據安全、實時氣體密度、PM2.5等實時數據，傳入中心服務器，結合氣田模型進行分析，準確地控制氣田各種傳感器設備進行遠程監控，并通過廣域網、后臺屏幕等方式，顯示當前5G高清監控系統所獲取的可視化安全數據、報警信息、控制狀態等，從而實現氣田生產的實時監測。

5G智慧視頻監控及回傳系統功能主要分為監控采集模塊、數據存儲模塊、圖像處理模塊、信息傳輸等功能模塊。如圖3所示。其中，視頻采集可利用5G通信網絡的空口進行高速回傳，實時傳輸信息加工后的結果；監控采集的圖像信息以邊緣服務器為核心搭建的對視頻或者圖片中的監測對象進行識別，生成的結果結合氣田種的各類傳感器，可以直接反饋給監控終端，同時傳入系統數據存儲模塊；FTP存儲服務器和SMTP服務器主要實現與氣田5G系統的對接及對應的流媒體數據存儲。

圖3 智能視頻監控系統總體結構示例圖

對監控系統進行管理，一方面監控終端可以同時查看及回看歷史監控畫面，另外可以對視頻監控中的目標監測對象進行標注，并傳入相關模型，實現對攝像頭信息采集進行智能控制。

2.3 5G云上監測

將5G通信網絡技術與云上網絡輔助的結合，實現控制氣田生產，構建氣田生產場站的虛擬數字孿生空間，打造全新云上模擬控制體驗。

2.3.1 AR技術

AR增強現實利用5G通信網絡的高帶寬低時延兩大特性，可進行氣田能源生產作業過程中的輔助控制，實時顯示浸入式安全信息、導航操作等智能操控。AR可視化輔助平臺采用天然氣田信息標注加上全景畫面的拼接，達到氣田數據的直觀化呈現，利用現有資源和管理流程進行應用拓展，有助于管理人員針對氣田安全、技術操作流程進行多方適應協同，更加直觀的圖像與把控，利于形成技術安全的動態管理體系。

AR實時視頻技術所需帶寬較高，其中4K分辨率360°視頻最少需要1 000 Mbps的帶寬支持，基于5G網絡的大帶寬和低時延特性，可以體驗到完美的AR視頻體驗。結合天然氣田內的5G智慧高清監控系統以及機器人站內巡檢所采集的數據，傳入后臺后對各類數據進行處理，形成高質量的AR實時視頻數據，更新模型后再推送至AR設備。

2.3.2 無人機巡檢

氣田5G無人機巡檢系統的搭建，需要具備路線規劃、圖像識別、視頻實時傳輸、及數據存儲等四大功能模塊。系統利用5G網絡的超低延遲，支持高清畫面實時傳輸，作業任務與實際飛行路線同步記錄，氣田突發狀況預警等主要功能。

在視頻數據采集端，通過5G無人機的高清攝像頭、各類數據采集傳感器，利用 5G網絡的超低時延特性回傳至后臺服務器，基于訓練好的氣田模型，進行實時、全面的素材分析。在視頻播放端，基于多臺終端完美適配，開辟全新的空中畫面，氣田管理員可全局勘測，進一步實現全局資源管控。云上架構示意圖，如圖4所示。

圖4 云上架構示意圖

5G無人機巡檢系統在氣田生產預警中的應用可大致分為兩類。

第一類應用，5G巡檢無人機在線路勘察過程中，對氣田突發狀況的處理，包括地質畫面和實時視頻這類常規的監控，5G巡檢無人機可以對同一個區域進行多次不同角度的記錄，并對采集到的圖像進行數據分析和處理，還原相對準確的氣田現場狀況，以便氣田管理人員對氣田突發問題進行快速準確的判斷。

第二類應用，5G巡檢無人機可以自動對多次巡檢結果進行模型評估，作業過程中可提前預測一些特征明顯的地質災害。例如對滑坡體可以提前進行數據標注，利用巡檢無人機不同角度采集到的畫面來預測其可能的位移變化，方便管理人員及時掌握滑坡體信息；對于極端天氣引起的地質變化，巡檢無人機的模型也能預測以后同類極端天氣可能帶來的地質災害。

2.3.3 巡檢內容

(1)視頻、圖像的便捷采集，快速全面掌握氣田信息，為氣田生產的安全狀態監控提供支持。

(2)搭配檢測裝置對氣田異常抖動勘測，為氣田的危險隱患防范提供保障。

(3)氣田區域內山體地質災害勘測，對可能發生地質災害的區域進行預判，并形成實時影像，為氣田安全生產中的地質潛在危險提供保障。

(4)實時勘測故意破壞氣田管道及盜采現象，為氣田有序生產提供保障。

(5)解決氣田管理人員夜間巡查效率低的痛點，保障管理人員安全，為氣田夜間勘測提供保障。

(6)對部分常見災害，如泥石流的運動軌跡進行建模分析，為氣田預防提供保障。

(7)將無人機采集到的視頻影像，通過5G網絡傳入后臺服務器，通過建立好的模型自動比對歷史氣田狀態，為預警防控提供保障。

3 結語

5G的價值在于賦能千行百業，智慧氣田生產領域5G應用需求大幅提升。通過以上項目實施，基于5G通信技術的三大特性，開展氣井生產狀態、氣田生產管理動態等智能分析研究，在氣田實現機器人站內巡檢、無人值守高清視頻監控及回傳和無人機智能巡檢輔助排險等研究，加強安全生產信息化建設，創新生產現場運行的智能化監督機制，促進基層工作向智能化時代邁進，實現油氣生產網絡化運行、智能化管理對氣田開發生產具有重大意義和實效。