5G專網在中國海油海南公司的應用

方良君

（中國移動通信集團海南有限公司，海南海口 570100）

0.引言

作為通用網絡技術，5G將成為全面構筑企業數字化轉型的關鍵基礎設施，對打造企業工業互聯網具有重大意義[1]。5G網絡可以滿足工業生產與控制對于高寬帶、低延時的網絡需求；與此同時，在工廠內部署邊緣計算、讓5G網絡與云、邊緣計算、大數據、人工智能等核心能力，以及企業生產管理與經營管理等系統相結合，能有效提升系統處理能力和安全性[2-3]。

5G提供的全新網絡能力將滿足并驅動市場與產業快速發展[4-5]。（1）業務多樣性。5G時代的主要業務需求劃分為三類：增強移動寬帶場景（eMBB），聚焦對帶寬有極高要求的業務，提供每秒Gbit級的高傳輸速率；低時延、高可靠場景（uRLLC），聚焦輔助駕駛/自動駕駛、工業控制、遠程手術、無人機控制等對時延極其敏感的業務，提供 <1ms的極低時延；低功耗大連接場景（mMTC），覆蓋智慧城市、智慧農業、抄表業務等具有高連接密度的場景，提供每平方公里百萬連接，助力物聯網加速發展[6]。這三類場景需要完全不同類型的網絡特性和性能要求，如移動性、安全、策略、時延、可靠性等。這些多樣的需求難以用一套網絡解決，而為每一類業務部署一種網絡，即類似專網的方法是不高效的。因此需要一種更靈活、面向未來（future-proof）的解決方案。（2）快速部署能力。傳統的業務網絡新增一個網絡功能的周期往往需要10～18個月，這很難滿足面向垂直行業時的業務快速部署的需求。（3）資源復用和安全隔離[7-8]。各垂直行業客戶將會以租戶的形式來使用5G網絡。5G網絡將基于一套共享的網絡基礎設施，來給多租戶提供網絡服務。因而，為租戶提供服務的邏輯網絡之間需要實現安全隔離。這一點，對垂直行業至關重要，一方面是從安全性角度，租戶之間的數據信息能有效隔離；另一方面從可靠性的角度，有效控制網絡故障影響的范圍。（4）自動化。5G網絡面向多樣化的業務和網絡形態，網絡管理的復雜度和規模難以依賴人工的網絡管理方法，需要引入自主管理技術以實現有效和動態的網絡管理，如自診斷、自治愈、自配置、自優化、自安裝、即插即用等。隨著網絡管理自主化的進一步深入，人工智能技術可能會被更廣泛的應用。未來的網絡切片管理要支持跨層、跨域的管理和協同[9]。

中國海油在“十四五”規劃工作要求與思路中，提到了一個目標、五個戰略、三個作用、四個跨越的“1534”發展思路，其中四個跨越包括“要變革發展模式，實現從傳統管理模式向現代化、數字化、智能化跨越。中國海油要提升海上平臺、陸地終端、廠區的智能化建設水平，需要有大量的專業傳感數據、工控生產、辦公數據傳輸，這些數據對傳輸帶寬、延時等方面都有很高要求。結合目前通訊的發展狀況，大帶寬、低時延的5G通信能很好地滿足中國海油的需求，5G與海上平臺業務融合之后，可以全面助力中國海油向數字化、智能化轉型。

本項目結合中國海油上、下游業務的需求，在海上平臺、陸地終端、石化廠區進行5G專網建設，并結合各裝置的實際智能化應用需求，部署5G智能化應用，提升中國海油的智能化水平，形成海上平臺5G建設的企業標準，為中國海油海上平臺的智能化轉型提供技術儲備。

1.面向石化企業5G專網建設方案

1.1 平臺架構

智慧海域平臺架構，自下而上分別為業務層、邊緣層、感知控制層、網絡層、平臺層和展示層，單層級功能描述如圖1所示。

圖1 智慧海域平臺架構圖

1.1.1 業務層

業務層包含著工藝、裝備、安全、物流、倉儲、銷售。工藝流程分為工藝設計經審核后進行工藝計劃，工藝計劃審核完成才能工藝作業，在工藝作業中進行任務下發，流程為工藝材料預備、工藝作業通知、工業作業驗收、工藝作業總結、工藝完善、安全確認移交。裝備為工作人員的配置，人員定位設備配置、領導應到分站配置、人員報警配置，配置經過平臺作業人員管理系統便可進行查詢，又分為四大模塊，平臺人員數量統計、領導應到分站情況統計、人員告警查詢、單一人員軌跡回放。平臺安全監控分為四大部分，分別為數據配置、實時監測、報警督辦、申請豁免。數據配置細分為傳感器接入、配置越限告警配置、組合告警配置、告警原因配置。實時監測細分為傳感器實時數據列表查詢、越限告警彈框、組合告警彈框、傳感器歷史曲線查詢。報警督辦細分為報警事件對上級進行匯報。申請豁免細分為提前報備傳感器異常。接入平臺安全環境監控系統數據，實時監測傳感器狀態，提供實時報警、預警提醒，對歷史數據進行綜合查詢，形成曲線分析和統計報表。報警督辦流程可以及時反饋平臺報警異常信息，加快問題的定位及處理速度。申請票制度規范地避免因檢修等原因導致的數據越限、信號誤報的現象。除此之外，安全還有平臺應急救援管理，應急救援計劃下放得出應急救援預案，又分為應急機構、應急GIS圖、應急資源，而應急資源再次細分為專家隊伍、物料設備。應急救援通過配置GIS動圖可直觀觀察到救援路線，對預案信息、救援資源信息、演練信息進行調整，實現對整個應急事件的全生命周期的管理。物流、倉儲、銷售與5G專網相結合，可推動現代物流的發展，促進從傳統管理模式向現代化、數字化、智能化生產管理跨越。

1.1.2 邊緣層和感知控制層

設備感知層包含工地內智能化改造所有物聯網設備，通過傳感器實時采工地現場數據，并通過5G、4G、2G、NB、WiFi、有線等網絡接入方式，通過軟件通訊協議和物理通訊接口將數據傳輸至云端數據中臺，同時可以向物聯感知層各智能化子系統和智能設備下達控制命令。

1.1.3 網絡層

網絡傳輸層包含底層感知設備快速接入智慧海域平臺所需的5G、4G、NB-IoT無線網絡資源；物聯卡接入平臺提供感知設備物聯卡接入、流量充值、費用管控、短信服務等基礎能力；智慧工地部署所需云計算資源，包括軟件包部署、資源調用、負載均衡等能力確保平臺穩定運行。

1.1.4 平臺層

數據資源層包含存儲工地內所有應用業務的數據湖、數據處理的大數據平臺、打通業務系統的引擎平臺。

1.1.5 展示業務層

展示層是基于業務應用和數據資源向客戶提供話語管理、管控的獨立業務應用系統，包含視頻監控、機器人控制、應急巡檢、大屏展示等需要的業務應用。

1.2 5G專網建設方案

項目整體采用5G 2.6GHz對整體海域和陸地接收站進行覆蓋，新增MEC下沉至對應海域作業平臺和陸地戰，實現5G數據在4G/5G無線網絡的媒體面業務處理和轉發等功能。終端數據通過專屬5G卡，走專網流量；普通用戶及訪客通過公眾5G卡，走公網流量，通過移動大網訪問Internet服務。下一步，計劃將采用700MHz組合的方式擴大覆蓋面積，并考慮將5G專網覆蓋半徑擴展至東方海域、陵水海域、三亞海域、樂東海域、澄邁接收站等海南全省范圍，同步將陸地和海域MEC打通，實現全省一卡漫游，打造海陸一體化專網，項目整體建設方案模型如圖2所示。

圖2 建設方案模型

1.2.1 中國海油東方終端5G專網建設

中國海油東方終端5G專網建設項目是由中國海油集團公司科信部主導、海南移動承接建設的中國海油第一個5G專網系統，該項目重點就是采用5G+MEC（移動邊緣計算）方案，將網絡的計算能力下沉到用戶身邊，通過MEC對接企業IT數據庫或將5G智慧監測公共服務企業側平臺搭載在MEC平臺上，減少網絡鏈路的迂回和擁堵現象，縮短傳輸路徑，能夠有效提升傳輸帶寬、降低網絡時延和保證數據安全，實現專網數據不出廠。其終端網絡模型如圖3所示。

圖3 中國海油東方終端網絡圖

在東方終端建設基站及室內外設備安裝如圖4和圖5所示。

圖4 東方中海油基站1衛星圖

圖5 室內外設備安裝圖

東方終端5G建設完成后，在廠區內各個位置運用蜂窩移動網專用軟件測試，測得與數據業務相關的性能指標如表1所示。

表1 蜂窩行動網性能指標

1.2.2 中國海油文昌9-2/9-3平臺5G建設

中國海油文昌9-2/9-3平臺是第一個建設5G網絡的海上平臺，該項目通過部署5G無線網絡，以其為基礎承載融合通信、智能巡檢業務，實現固定電話、集群對講、音頻廣播、視頻監控系統的融合通信及多媒體調度，實現海上平臺巡檢的自動化、智能化，提高海上平臺生產管理信息化水平，總體達到提質、降本、增效的建設目標。其技術架構如圖6所示。

圖6 中海油文昌9-2/9-3平臺技術架構

目前，文昌9-2/9-3平臺的5G覆蓋已經完成第一期項目建設，實現了生活區二樓和組塊底層甲板的覆蓋，在功能上實現了生產網前端設備的數據采集及傳輸以及無線融合通信的承載。圖7是室內天線布局圖。本次海上平臺5G項目，在文昌作業公司9-2/9-3平臺部署5G核心網一套、BBU一臺、RRU兩臺，對平臺生活區二樓及生產區底層甲板進行無線覆蓋。海上平臺的天線布局如圖8所示。

圖7 室內覆蓋天線

圖8 海上平臺覆蓋天線

1.2.3 海洋石油富島公司5G建設

作為中國海油下游企業，海洋石油富島有限公司（簡稱“富島公司”）位于東方市工業園區，以崖13-1、東方1-1、樂東氣田天然氣等中國海油南海海上油氣資源為依托，生產大顆粒尿素、甲醇及下游產品。富島公司為開展數字化轉型，推動智能工廠建設，在廠區部署5G專網，讓5G網絡與云、邊緣計算、大數據、人工智能等核心能力、企業生產管理與經營管理等系統相結合，推進信息技術與生產經營深度融合。

富島公司5G專網建設在廠區布置的天線及方位如圖9所示。

圖9 富島公司5G專網廠區天線方位圖

2.5G專網對石化行業的賦能效果

中國海油在上游的海上平臺、陸地終端及下游的石化廠區都部署了5G專網，各裝置希望利用5G的高帶寬、低延時、大容量特性，建設一張與生產辦公融合的通訊網絡，提升智能化建設，加快海油的數字化轉型。目前，各裝置的5G應用主要有以下建設內容。

2.1 5G+智能化機器人巡檢

智能化機器人巡檢是東方終端5G專網的智能化應用，該項目通過搭建一體化平臺，統籌融合智能巡檢機器人、室外5G智能防爆攝像頭、室內5G智能攝像頭、掃描式可燃氣體遙測探頭、單點紅外測溫、溫濕度儀6大系統，整個系統結構如圖10所示。

圖10 智能化機器人巡檢系統拓撲圖

防爆巡檢機器人整合機器人技術、非接觸檢測技術、多傳感器融合技術、模式識別技術、復合導航定位技術及物聯網技術等，能夠實現場站全天候、全方位、全自主智能巡檢和監控，有效降低勞動強度，降低人工巡檢運維成本，提高正常巡檢作業和管理的自動化和智能化水平，為智能廠區建設提供創新型的技術檢測手段和全方位的安全保障。

在東方終端裝置現場，智能巡檢機器人對機泵運行狀態進行檢測，包括泵體各部位溫度、異常聲音、泄露等；可對地面各壓力、溫度等儀表進行自動識別和告警、閥門開度檢測、液位檢測、管路泄露檢測等。通過代替巡檢人員進行巡視檢查，保證設備的安全運行和人員的安全。

在路線中進行智能巡檢的工作如表2所示。

表2 智能巡檢任務

2.2 5G+融合通信

文昌9-2/9-3平臺5G建設，是第一個5G+海上智能平臺試點項目，利用新一代無線通信技術，建立覆蓋海上平臺的5G專網，并在此基礎上開展信息化、智能化業務應用，提高海上平臺生產管理信息化水平，達到降本提質增效的建設目標。高寬帶、低延時，5G強大的通信能力，將“離線智慧”提升為“在線智能”，靈活的網絡架構可實現海上平臺“實時智能與在線協作”，5G+海上智能平臺最終將建設成具有全面感知、自動操控、預測趨勢、優化決策能力的智能油氣田。

本系統主要針對海上平臺現有通信系統多種多樣、無法實現互聯互通的問題，打破各系統之間壁壘，實現融合通信調度功能。系統針對廣播系統、程控電話系統、CCTV電視監控系統以及UHF超高頻對講系統進行融合，除具有基本的調度功能外，還具有音視頻錄制、動態群組管理、分組協同調度、多媒體融合調度、集群對講等功能。其網絡結構如圖11所示。

圖11 網絡拓撲圖

2.3 5G+智能巡檢+移動審批

智能巡檢系統通過5G網絡覆蓋下的智能終端設備來改善以往人工巡檢、手抄記錄的模式，解決獲取數據速度較慢、時效性較差、數據的準確性不易保證、假巡檢、缺檢、漏檢或者巡而不檢、走馬觀花等問題。各類巡檢數據傳輸回中控室后，智能巡檢系統可自動生成巡檢記錄表，避免以往手工填報費時費力、填報錯誤等問題。

開發移動審批App軟件，與裝備信息管理系統MAXIMO互聯互通，將各類審批工作推送到移動終端進行處理，解放海上平臺管理人員，將更多的精力投入生產現場，其App操作界面如圖12所示。

圖12 App操作界面

2.4 5G+智能高清監控

通過5G網絡，結合邊緣計算、視頻監控、深度學習等，實現生產區域及重要區域常規和應急監控，實現重要資產實時定位，人員車輛等綜合管理。在此基礎上，將對泄露、火災、不戴安全帽等隱患和違規場景建設認知模型、對隱患、違規行為智能自動預警，并可視化展示。

利用5G高帶寬特性，在廠區部署高清監控攝像頭，利用AI算法識別進行儀表數據、開關數據、液位計、LED數字、煙霧明火識別等，擴展傳統監控功能，提升監控報警的主動性，保障廠區監控安全。使用場景如圖13所示。

圖13 5G智能高清監控區域

2.5 5G+AR

通過5G+AR技術，現場作業人員可方便高效與后端遠程的專家實施的雙向音視頻進行交流，采集現場圖像和數據信息的同時，后端遠程的專家可以對現場操作人員進行技術指導，用于現場操作指引、設備檢維修指引、快速排除故障，提高現場工作效率。

AR輔助應用系統通過新技術應用，改善海上平臺人員工作體驗，提高工作及學習效率，為打造智能平臺提供支持。通過智能眼鏡設備，結合AR技術實現以下輔助巡檢功能。

（1）工作任務調度。通過自動及手工等方式，從生產管理系統獲取巡視計劃任務及具體的操作任務內容信息，并將標準化巡視作業指導書同步到管理平臺，按巡視作業指導書中的巡視對象、地址及內容或操作內容規劃任務路徑。巡視人員通過智能眼鏡接收執行任務。系統自動記錄人員信息、起止時間、巡視、操作內容反饋等。

（2）工作任務執行。平臺基于穿戴智能眼鏡，并根據工作任務進行高效巡檢作業；智能眼鏡通過語音交互等方式隨時進行巡檢，如拍照、AR掃描、遠程協助、單兵記錄、數據采集等，提高工作效率。

（3）工單接收。巡檢人員通過平臺獲取工單信息，并通過智能眼鏡同步數據信息將平臺文字、圖片或視頻的模型數據與智能眼鏡現場識別的設備巡檢對象進行無縫貼合。然后由智能眼鏡識別到指定的對象，同時識別到與該設備相對應的各種物理參數，智能眼鏡將所采集的所有物理參數根據判定模型進行判定，確定巡檢設備的工況。

（4）巡檢智能路徑規劃及導航。智能眼鏡設備自動定位運維人員的當前位置，基于同步定位技術，實現設備巡視或操作路徑規劃，使得運維人員精準了解巡視或操作路線，并實時記錄人員位置及所經過的各個巡視操作點，實現對運維人員的位置可知、可查、可考，通過系統推送的巡檢任務智能規劃路徑及實時導航，如遇巡視操作路徑偏離系統規劃的路徑，系統發出預警提示運維人員路徑偏移。

（5）巡檢內容執行。運維人員可根據任務工單以標準化作業規范為指導，利用成熟的人工智能技術完成巡視操作任務，運維人員通過佩戴智能眼鏡進行作業，智能眼鏡作為數據接收傳送的計算單元及紐帶，實時接收、計算、傳送各類巡視操作數據，如時間、位置、巡視操作內容、各類記錄、音視頻、照片等信息至云端AR智能巡檢系統，并同步到相關的管控系統。

（6）巡檢路徑歸檔。通過智能穿戴設備會詳細記錄自身所行進的軌跡，將數據傳送到后臺服務，在無移動信號的區域，終端將軌跡信息記錄在本機，當再次進入有信號的區域時，會繼續完成行動軌跡數據的發送，保證軌跡數據的完整性。可在三維場景中顯示巡視軌跡和缺陷隱患記錄。

（7）可視化報表統計。統計報表具有個人巡檢統計管理、巡檢決策管理及巡檢排名等功能，幫助員工了解月巡檢總體情況，也為領導巡檢決策及巡檢工作考核提供及時數據支撐，并可將部分KPI數據同步到對應的運維管控平臺。

（8）應急指揮遠程決策。利用AR遠程回傳視頻、語音功能，可通過前端移動式AR畫面進行遠程視頻回傳，為后端應急指揮中心提供決策判斷依據，提升海上平臺應急演練水平。圖14是運維人員的作業演示圖。

圖14 運維人員作業演示

2.6 生產安全應急管理

采用5G結合移動視頻監控、人員定位、防爆手持設備、無人機等技術，現場裝備、生產狀況、人員、高風險作業、應急資源、高風險點、監控等數據即時傳遞到應急中心，應急中心與地方、總部可進行聯席指揮，并與移動消防指揮車共享通訊及數據，實現上下聯動集控一體化應急指揮。海油富島應急指揮系統操作界面如圖15所示。

圖15 海油富島應急指揮系統操作界面

現場高風險生產作業許可，通過5G+防爆手持終端規范高風險作業現場管控，消除人的不安全行為和物的不安全狀態所導致的安全隱患，實現現場全程留痕、票證流程化、智能監督作業管理等，提升現場安全管理水平。應急指揮平臺建設實現的功能：

（1）構建風險管控和應急指揮體系，包括安全培訓、風險控制措施、隱患排查治理、重大危險源分級、危險化學品儲存地點標識、應急預案與演練等功能。

（2）建立安全生產預警模型。依據國內外的有關規范、標準和一些成功的經驗，對現有的模型進行篩選和性能分析，確定了數學模型。事故模型和數學模型構成了風險評估系統，完成泄漏、火災、爆炸、中毒的災害事故的破壞能級以及對周圍環境的影響估計。

（3）風險預警與防控功能，將完善后的風險預警分析模型分析出的企業風險預判結果按極高風險級別、高風險級別、較高風險級別、一般風險級別進行展示。

（4）應急演練和指揮功能，系統要能夠根據險情自動分析出當前最佳行動預案，系統會同時顯示預案詳細解釋及實施前的分析報告，值班員根據每個行動預案啟動結果，判斷是否啟動下一條預案，直到事件結束。

（5）環境實時展現需求：通過系統實時了解現場視頻情況和人員情況。應急物資與資源情況、現場氣象等各類情況展現，為現場提供可靠的決策支持。

（6）決策與歷史事件聯動：建立動態歷史數據庫，將現場決策與歷史出現的事件聯動，為現場決策提供最可靠、無法取代的依據展示。

（7）可視化平臺建設：建立滿足應急指揮所需要的一體式可視化平臺，滿足日常調度、應急指揮所需要數據支撐，保障公司方式的應急指揮調度。

2.7 5G+大數據工藝監測系統

通過5G完善大規模數據采集，整合富島公司生產裝置及各主要生產系統的數據，實現信息集成、信息共享、知識共享、技術共享；在大數據工藝監測系統中嵌入自有知識產權的生產自適應PCA/PLS算法模型，形成具有生產過程監測、診斷和大規模數據運算處理功能的綜合性數據系統。該系統的技術架構圖如圖16所示。

圖16 技術架構圖

數據源：大數據工藝監測系統的數據主要來源于生產系統及各業務系統，并通過5G+物聯網技術實現部分現場數據采集獲取。

元數據采集：通過采集適配器進行自動化的、批量化的元數據采集，將分析型應用所涉及的端對端的元數據裝載到元數據存儲平臺，并協調各應用的業務用戶和數據專員進行元數據分布和流向的核查與驗證。

數據集成：針對現有不同系統，不同的數據存儲、數據加工和數據展現工具，定制化開發采集適配器，使之能夠采集各種類型的數據，包含結構化數據、非結構化數據、實時數據等，能夠支持未來3～5年所有的數據類型。

大數據分析：在大數據平臺上嵌入生產過程數據分析等模型，通過模型的自適應學習和訓練實現對裝置運行狀況的準確掌握，并及時發現參數異常情況，預測出工藝和設備的運行趨勢等。

3.結語

5G數字工廠的發展深化，會對后續行業發展起到深刻影響。首先，5G會讓測繪、遠程溝通等工作效率更高，石油化工倉儲及物流會改觀，畢竟5G落地，車聯網、物聯網都會實現。其次，隨著石化生產和市場情況將緊密聯動，行業數據會更新特別快，化工廠的產品庫存不會大規模積壓，周轉期會縮短，生產和銷售智能化，生產數據更新更快，遠程分析生產數據的生產方式會普及，關聯技術和產業會興起，傳統產業也會有新氣色。

中國海油目前在進行全面的數字化轉型工作，通過在海上平臺和陸地終端的5G+應用試點工作，為海油打造數字化海油提供更快的轉型通道，有利于助力企業開展信息化轉型升級，也為各企業開展5G數字應用提供一個很好的展示窗口。

本項目可以向渤海、北部灣海域、東海等海域平臺作業以及港口接收站作業規模復制，海南作為自貿港的國際展示窗口可以向一帶一路東南亞國家推廣，助力5G國家技術海外推廣。