無線異構(gòu)網(wǎng)在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

Applicationof Wireless Heterogeneous Networks

inIOT of Oil and Gas Production

鄧若虹¹，趙世睿²，薛廣民³，王慶偉⁴

（1、3南方石油勘探開發(fā)有限責(zé)任公司，海南?？凇?70216

 2北京中油瑞飛信息技術(shù)有限責(zé)任公司，北京　102206

    4大慶油田信息技術(shù)公司北京分公司，北京   100040）

摘要：油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)（A11）系統(tǒng)是《中國石油“十二五”信息技術(shù)總體規(guī)劃》的重要建設(shè)項目，分為三個子系統(tǒng)：生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)。本文主要介紹一種由無線網(wǎng)橋+LTE230無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)應(yīng)用方案，該方案既利用了230MHz頻段LTE系統(tǒng)的信號傳播距離遠，穩(wěn)定性高、繞射能力強和廣覆蓋的特點，同時發(fā)揮了網(wǎng)橋點到點通信靈活、低成本和高傳輸速率的優(yōu)勢，可以完全滿足福山油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和視頻圖像實時傳輸?shù)男枨蟆?/span>

關(guān)鍵詞： 無線傳輸  異構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

Abstract: IOT of Oil andGas Production (A11) system is a major construction project in China Petroleum "Twelve Five" IToverall plan, the system consists of three parts: production dataacquisition and control subsystem, the data transmission subsystem, on-sitemonitoring and management subsystem. This paper describes a wireless bridge +LTE230 wireless heterogeneous network solution, the solution has both the characteristicsof 230MHz band LTE system: long distance of signal propagation, high stability,and strong and wide coverage of diffraction, and advantages of wireless bridge:point to point communication flexibility, low cost and high transmission rate.The solution is able to meet the demand of real time transmission of productiondata, control data and video images in Fushan IOT of Oil and Gas Production.

Key words: Wireless transmission; Heterogeneous networks; IOT of oil and gas production system

1引言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷應(yīng)用，國內(nèi)油公司加快了油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。中國石油油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)（A11）系統(tǒng)是《中國石油“十二五”信息技術(shù)總體規(guī)劃》的重要建設(shè)項目，通過建立覆蓋油氣井區(qū)、計量間、集輸站、聯(lián)合站、處理廠規(guī)范、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、遠程監(jiān)控、生產(chǎn)預(yù)警，支持油氣生產(chǎn)過程管理，進一步提高油氣田生產(chǎn)決策的及時性和準確性。目前，中國石油油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)項目已率先在中石油的油氣田進行了試點示范建設(shè)。

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)分為三部分，即數(shù)據(jù)采集與控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、生產(chǎn)現(xiàn)場監(jiān)控與管理子系統(tǒng)^[１]。數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)作為油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的重要組成部分，主要是利用數(shù)據(jù)通信技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和視頻圖像的實時傳輸，為生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、遠程監(jiān)控、生產(chǎn)預(yù)警，生產(chǎn)過程管理等應(yīng)用提供一個穩(wěn)定、可靠、安全、高效的數(shù)據(jù)傳輸平臺。

在網(wǎng)絡(luò)傳輸方面，主要采用有線和無線方式，根據(jù)地理特征、場站分布、傳輸效率、成本控制、維護管理等諸多因素，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的前端數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)通常采用無線傳輸技術(shù)，所部署無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有以下特點：

(1)場站分布不均衡，點對點距離遠近不一，要求無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)支持長距離傳輸，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積廣；

(2)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控數(shù)據(jù)項繁雜、數(shù)據(jù)流量大，要求無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳輸效率高，冗余處理能力強；

(3)氣候條件多變、自然環(huán)境惡劣,要求無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定、自愈能力強、維護率低；

(4)安裝、調(diào)試、維護數(shù)量龐大，要求無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備價格適中、可控成本。

目前常用的無線數(shù)據(jù)傳輸方式有GPRS/3G、數(shù)傳電臺，LTE1800、LTE230，McWill和無線網(wǎng)橋等，它們在工作頻段、傳輸速率、覆蓋范圍、擴容性及建設(shè)運行成本等方面各有優(yōu)劣勢。近兩年來，隨著4G無線傳輸技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中LTE1800和LTE230等4G新技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛。各油田物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的建設(shè)可從實際出發(fā)，選擇一種或多種無線傳輸方式的組合，以滿足實際生產(chǎn)的需求。

本文主要以福山油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)為實例，介紹一種無線網(wǎng)橋+LTE230無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用方案。

2數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)選型

2.1 無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)對比分析

在油氣生產(chǎn)中常用的無線數(shù)據(jù)傳輸方式有數(shù)傳電臺、GPRS/3G、LTE1800、LTE230，McWill和無線網(wǎng)橋等。下面主要簡介無線網(wǎng)橋及LTE230技術(shù)，并對目前常用的GPRS/3G 、LTE1800、LTE230及網(wǎng)橋的性能進行簡要對比分析。

無線網(wǎng)橋就是無線網(wǎng)絡(luò)的橋接，它可在兩個或多個網(wǎng)絡(luò)之間搭起通信的橋梁（無線網(wǎng)橋亦是無線AP的一種分支）。無線網(wǎng)橋除了具備有線網(wǎng)橋的基本特點之外，無線網(wǎng)橋工作在2.4G或5.8G頻段免申請無線執(zhí)照，因而更方便部署。無線網(wǎng)橋傳輸標準常采用802.11a 、802.11b、802.11g、802.11n標準，802.11n是無線網(wǎng)橋新一代的高帶寬傳輸標準，具備300Mbps高速率以及MIMO天線技術(shù)，使得無線網(wǎng)橋性能提升到一個新的高度。無線網(wǎng)橋可以廣泛應(yīng)用在不同數(shù)據(jù)傳輸點間的互聯(lián)，有四種工作方式：無線覆蓋、點對點，點對多點，中繼連接。特別適用于近距離、遠距離點到點以及點到多點通訊。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，無線網(wǎng)橋通常是安裝于室外，主要用于連接兩個（點對點PTP連接）或者多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（點對多點PTMP連接，類似于無線AP的方式）。無線網(wǎng)橋傳輸具有帶寬高，抗干擾能力強的優(yōu)勢。

LTE230系統(tǒng)是針對行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無線通信需求，基于OFDM、自適應(yīng)編碼調(diào)制、自適應(yīng)重傳等4G核心技術(shù)，使用各行業(yè)在230MHz頻段已有離散頻譜資源，創(chuàng)新研發(fā)、為行業(yè)客戶深度定制的無線寬帶通信系統(tǒng)。LTE230具有覆蓋廣、容量大、頻譜效率高、頻譜適應(yīng)性強、安全性高、可靠性好、部署擴展平滑等特點。針對行業(yè)數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)終端分布范圍廣且分散的特點，采用廣覆蓋基站可大幅度減少同等面積的部署成本。LTE230系統(tǒng)工作在230MHz頻段，針對230MHz頻段，國家無線電管理委員會發(fā)布的《關(guān)于印發(fā)民用超短波遙測、遙控、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)頻段規(guī)劃的通知》^[2]（國無管[1991]5號）中規(guī)定，能源行業(yè)擁有專用的授權(quán)頻點，由于在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中有頻率使用政策上的天然優(yōu)勢，結(jié)合4G LTE先進技術(shù)及廣覆蓋優(yōu)勢，LTE230具有良好的應(yīng)用價值。

表1 幾種常用無線數(shù)據(jù)傳輸方式性能比對表

通過對目前常用的GPRS/3G 、LTE1800、LTE230和網(wǎng)橋傳輸方式的綜合對比（參見表1），可總結(jié)如下：

(1)無線傳輸?shù)母采w范圍很大程度上取決于無線電波的工作頻段，低頻段無線電波較高頻段無線信號的空間傳播衰落慢，傳播距離遠；在存在遮擋和阻隔的傳輸條件下，低頻段能夠更好的繞過遮擋障礙。

(2)復(fù)雜地形的適應(yīng)性決定了無線傳輸系統(tǒng)能否全面滿足目標覆蓋區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸要求。對于傳輸?shù)攸c分散的情況，要實現(xiàn)全覆蓋數(shù)據(jù)傳輸要求，高頻無線系統(tǒng)的基站建設(shè)數(shù)量就要加大，建設(shè)成本會因此而增加。

(3)公網(wǎng)的初期建設(shè)成本低，但是專線租用費或終端數(shù)據(jù)流量資費都較高；專網(wǎng)方式初期建設(shè)成本高，但運行成本低，在覆蓋區(qū)域內(nèi)新增傳輸數(shù)據(jù)點，只需增加的終端設(shè)備費用，因此專網(wǎng)更具有優(yōu)勢。

(4)在業(yè)務(wù)承載能力方面，無線網(wǎng)橋及LTE1800工作頻率較高，具有較強的數(shù)據(jù)傳輸能力，可傳輸實時生產(chǎn)和視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)；網(wǎng)橋還可以傳輸高清視頻信號。而LTE230使用低頻，傳輸速率受到限制，只能承載數(shù)據(jù)傳輸或者圖片數(shù)據(jù)的傳輸，不能傳輸視頻數(shù)據(jù)。

2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)選型

福山油田位于海南省西北部澄邁縣境內(nèi)，澄邁多屬平原臺地，地勢南高北低，南部為丘陵山地，中部為河積平原，北部為臺地和海積平原。由于福山油田地形地貌有一定起伏變化，加之當(dāng)?shù)貥涓咔颐埽瑢o線信號的傳播造成了遮擋，部分區(qū)域由于地形遮擋形成了信號空洞，采取傳統(tǒng)的技術(shù)手段不能很好的實現(xiàn)建設(shè)的預(yù)期效果。該區(qū)域林衰嚴重，平均路損為平原開闊地區(qū)的一倍以上，空氣濕度大，無線信號的衰減比較嚴重，地面無線傳播在一兩公里內(nèi)急劇衰減，從站點選擇上，很難找到理想的直視傳播路徑。

福山油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)在無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計階段，進行了無線信號傳播實地勘測和仿真。所測結(jié)果表明：以生產(chǎn)監(jiān)控中心基站為基點，LTE230無線信號東向覆蓋約為7-8公里，其他方向覆蓋約為10-15公里，無線網(wǎng)橋信號覆蓋范圍約為3-5公里。

LTE230具有復(fù)雜地形的適應(yīng)性強及綜合成本低等優(yōu)勢；按照油田總的井?dāng)?shù)及單個井場數(shù)據(jù)傳輸量計算，LTE230的傳輸能力能滿足實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)及部分圖片數(shù)據(jù)的傳輸需求。網(wǎng)橋的優(yōu)點是數(shù)據(jù)傳輸頻帶寬、傳輸速率快，能夠滿足生產(chǎn)數(shù)據(jù)、圖片及視頻數(shù)據(jù)的需求。故采用無線網(wǎng)橋與LTE230蜂窩覆蓋相結(jié)合組成異構(gòu)網(wǎng)，整體上既能全面覆蓋，最大限度降低復(fù)雜地形地貌對無線傳播造成的不利影響，同時基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模能夠受控，降低初期建設(shè)成本。

綜上所述，綜合考慮福山油田規(guī)模小井?dāng)?shù)不多以及數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境的實際情況，本文選擇無線網(wǎng)橋+LTE230無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用方案。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸量估算

福山油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要有三類，一類是實時生產(chǎn)和控制數(shù)據(jù)，如油氣水井、計量間、站庫的油壓、套壓、溫度、功圖、電參等實時采集的生產(chǎn)，第二類是控制數(shù)據(jù)；第三類是用于監(jiān)控管理的實時視頻圖像或圖片、語音數(shù)據(jù)。

（1）實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸估算

實際勘察福山油田單個井場的機采井、注水井或自噴井?dāng)?shù)量通常不超過10個，井場及單井實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)量見表2：

表2 井場及單井采集數(shù)據(jù)計算表

計算參考：1 Byte = 8 Bits ；1 KB = 1024 Bytes ；1 MB = 1024 KB ；164500Bits=164500/1024Kbit=160.644Kb；假設(shè)采用10秒刷新一次數(shù)據(jù)的頻率，單個井場生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求約為：160.644Kb/10s=16 Kbps，即單個井場的要求數(shù)據(jù)傳輸速率不得低于16Kbps。

（2）實時視頻及圖片數(shù)據(jù)估算

福山油田井、站場采用200萬高清視頻監(jiān)控設(shè)備，根據(jù)實際帶寬可選擇主、輔碼流進行視頻傳輸，具體參數(shù)見表3：

表3 200萬像素云臺攝像機相關(guān)參數(shù)表

一臺高清攝像機視頻數(shù)據(jù)傳輸帶寬要求為4096Kbps/1024，即為4Mbps。

根據(jù)攝像機每張高清圖片壓縮后為100KB，按照150KB估算,采集周期為1分鐘，則每個井場進行圖片采集的數(shù)據(jù)流量要求為：150K*8/60，即為20Kbps。

通過分析可以得出，無線網(wǎng)橋+LTE230無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以滿足福山油田的數(shù)據(jù)流量需求。

3無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方案

根據(jù)上面的分析得出，無線數(shù)據(jù)傳輸方式更適用于海南福山油田，在無線組網(wǎng)方式中，采用無線網(wǎng)橋+LTE230雙網(wǎng)異構(gòu)的方式既能滿足數(shù)據(jù)傳輸頻帶寬、傳輸速率的需求，也能實現(xiàn)全面覆蓋，最大限度降低復(fù)雜地形地貌對無線傳播造成的不利影響。通過對數(shù)據(jù)流量的估算可得出，無線網(wǎng)橋+LTE230雙網(wǎng)異構(gòu)的組網(wǎng)方式能滿足對帶寬的要求，因此本文選擇無線網(wǎng)橋+LTE230雙網(wǎng)異構(gòu)的應(yīng)用方案。

無線網(wǎng)橋+LTE230雙網(wǎng)異構(gòu)的應(yīng)用方案具體部署如下：整個無線傳輸網(wǎng)的架構(gòu)以網(wǎng)橋?qū)拵橹?，LTE230窄帶為輔；無線網(wǎng)橋?qū)χ攸c井以“點”覆蓋， LTE230以“面”覆蓋；同時兼顧中心站點附近或地勢平坦遮擋物少的井場，采用無線網(wǎng)橋傳輸方式，距中心站點遠或遮擋物密集的井場，則采用LTE230傳輸方式的原則。無線網(wǎng)橋選用奧維通設(shè)備，LTE230系統(tǒng)選用普天公司設(shè)備，福山油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)見圖1。

無線網(wǎng)橋傳輸系統(tǒng)由中心基站、匯聚點和遠程終端三部分組成，在地勢較高的井場設(shè)立匯聚點通信鐵塔，塔上部署奧維通54Mbps點對多點無線中心網(wǎng)橋，用于接收匯聚點周圍可視范圍內(nèi)井場實時生產(chǎn)視頻數(shù)據(jù)；匯聚點通信塔與中心基站通信塔各部署奧維通350Mbps點對點無線網(wǎng)橋設(shè)備，用于基站之間骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸。

LTE230網(wǎng)絡(luò)主要由核心網(wǎng)、基站及CPE無線終端組成。井場使用普天CPE202無線終端設(shè)備；基站設(shè)備(eNodeB)部署在匯聚點通信塔，它匯集周邊8—12公里范圍內(nèi)井場傳送來的生產(chǎn)數(shù)據(jù)及視頻圖片數(shù)據(jù)，并進行數(shù)據(jù)的回傳；核心網(wǎng)（EPC）部署在生產(chǎn)管理中心附近的中心基站，LTE230基站與核心網(wǎng)之間的通信共用奧維通350Mbps點對點無線網(wǎng)橋骨干網(wǎng)絡(luò)。

生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸：井站采用國內(nèi)主流無線RTU控制器，控制器支持雙IP鏈路。在有無線網(wǎng)橋和LTE230雙網(wǎng)組合的井場，奧維通終端無線網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)傳送至匯聚點中心網(wǎng)橋。當(dāng)無線網(wǎng)橋出現(xiàn)傳輸故障時，普天LTE230無線終端自動接管數(shù)據(jù)傳輸，并將數(shù)據(jù)上傳至匯聚點的LTE230基站，經(jīng)匯聚點的350Mbps點對點網(wǎng)橋骨干網(wǎng)將井站生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳至油氣生產(chǎn)監(jiān)控中心。在僅安裝LTE230無線終端通信的井場，LTE230無線終端將數(shù)據(jù)上傳至匯聚點LTE230基站，由350Mbps點對點網(wǎng)橋設(shè)備將數(shù)據(jù)上傳至油氣生產(chǎn)監(jiān)控中心。

視頻數(shù)據(jù)傳輸：在無線網(wǎng)橋和LTE230雙網(wǎng)組合的井場，實時視頻數(shù)據(jù)通過奧維通終端無線網(wǎng)橋上傳至匯聚點中心網(wǎng)橋，然后由點對點網(wǎng)橋骨干網(wǎng)上傳至生產(chǎn)監(jiān)控中心。在僅有LTE230無線終端通信的井場，視頻圖片直接通過LTE230無線終端上傳至匯聚點LTE230基站，由350Mbps點對點網(wǎng)橋骨干網(wǎng)將各井站視頻圖片上傳至油氣生產(chǎn)監(jiān)控中心。

本無線異構(gòu)網(wǎng)采用兩級網(wǎng)關(guān)的方式，無線網(wǎng)橋的網(wǎng)關(guān)設(shè)置在中心側(cè)， LTE230系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)置在終端側(cè)。在工作狀態(tài)，LTE230系統(tǒng)能夠智能識別出廣播數(shù)據(jù)無中心網(wǎng)關(guān)響應(yīng)的情況，一旦中心網(wǎng)關(guān)無響應(yīng)，則立即進行網(wǎng)關(guān)接管并切換數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，由LTE230系統(tǒng)來傳輸數(shù)據(jù)。

圖1 福山油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

4 結(jié)束語

本方案中由LTE230系統(tǒng)和無線網(wǎng)橋技術(shù)組建的無線異構(gòu)網(wǎng)，既利用了230MHz頻段LTE系統(tǒng)的信號傳播距離遠，穩(wěn)定性高、繞射能力強和廣覆蓋的特點，同時發(fā)揮了網(wǎng)橋點到點通信靈活、低成本和高傳輸速率的優(yōu)勢，雙網(wǎng)異構(gòu)又進一步保障了生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。無線網(wǎng)橋+LTE230無線異構(gòu)網(wǎng)在實際應(yīng)用中運行穩(wěn)定、可靠、安全、高效，完全可以滿足福山油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)和視頻圖像實時傳輸?shù)男枨蟆?/p>

福山油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)項目的成功實施，不僅實現(xiàn)了生產(chǎn)操作的自動化、生產(chǎn)管理的流程優(yōu)化，而且優(yōu)化了勞動組織結(jié)構(gòu)，提高了工作效率，達到“節(jié)人、節(jié)能、節(jié)約運行成本”的目的，為實現(xiàn)數(shù)字化智能化油田奠定了良好的基礎(chǔ)。

參考文獻

［1］《中國石油油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范》[R]，2013

［2］關(guān)于印發(fā)民用超短波遙測、遙控、數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)頻段規(guī)劃的通知[R]，國家無線電管理委員會，1991

［3］新型230MHz無線寬帶通信系統(tǒng)技術(shù)白皮書[R]，普天信息技術(shù)研究院有限公司，2010

作者簡介：鄧若虹，南方石油勘探開發(fā)有限責(zé)任公司綜合辦公室副主任，高級工程師，主要從事信息技術(shù)應(yīng)用及管理工作，地址：海南省?？谑旋埲A區(qū)金濂路16號，郵政編碼：570216，電話：0898—66820428，E-mail：dengruohong@cnpc.com.cn。