WiFi基站在油田中的应用

陈家林，胡 静，郝毫毫

（武汉工程大学 电气信息学院，湖北 武汉 430205）

1997年IEEE推出了802.11无线局域网2 Mb/s标准后无线局域网并未得到普及，而1999年802.11b技术的出现使得无线局域网的速率可以到达11 Mb/s，由于技术成熟以及移动终端的普及使无线局域网的市场不断扩大，随之而来的新的标准如802.11g、802.11a又将无线局域网的速率提到了一个新的高度，使之完全可以满足复杂的室内环境部署以及高带宽媒体应用的需求。现在IEEE 802.11这个标准已被统称作WiFi[1]。

青海油田南八仙矿区100多口油井、气井、水井油气井分布在半径5 km范围内，其中油井40多口，油田方面要求建立稳定、可靠、实时、安全的网络，以便于将井场视频、地面功图、井下压力等数据传回矿区办公区，供管理人员和技术人员及时掌握油气井动态，确保油气井安全高效运行[2]。办公区内采用有线局域网能够解决多人同时查看和分析井况，办公区到井场则采用无线网络，该矿区是典型的雅丹地貌，山顶一般有3层楼高，较高的山有7层楼高，且油井多数分布在两山之间的低洼处，这种地理条件十分不利于无线通信[3]。在备选方案中有 GPRS、CDMA、EVDO等，但都由于带宽小，不能满足多井视频同时传输。采用WiFi设备构建网络，最主要的优势在于带宽高、延迟小、传输距离适合油田矿区，新型WiFi基站在一定条件下还可以实现非视距传输，经过实际测试，WiFi网络能够很好地适应南八仙矿区恶劣的地理环境。

1 网络构成

系统结构如图1所示，该系统中，服务器与机房PC通过电缆有线连接，使得在服务器端可以随时监控整个系统。服务器通过中继链路与基站实现无线衔接，同时有带WiFi的PC与基站实现无线衔接，以便控制基站前端设备之间的数据传输，前端设备井下压力计、球机摄像机和无线示功仪通过各井场的WiFi客户端P2与基站进行无线连接。办公区内管理人员可以通过该系统实时高效地查看井场信息。

图1 系统结构图Fig．1 System structure diagram

基站是传统的移动通信系统中，用来连接固定设备与无线移动设备，并通过空中的无线传输与移动台相连的设备[4]。现有的WiFi网络设备主要被用于实现固定设备之间的无线连接，在计算机、打印机等设备互联中应用得特别广泛，随着技术发展，覆盖范围大，接入点数量多，通道带宽高的WiFi基站进入了实用阶段，特别适合像油田矿区、工厂、学校、市政等固定设备实现无线互联应用。以基站形式建设远程WiFi网络主要涉及到3类设备：基站、客户端设备和中继设备。

基站安装位置要满足以下条件：1）安装比较方便，便于维护；2）为克服地球曲率，基站要有一定的高度，使信号能覆盖足够广的范围。经过实地勘测基站架设在距离办公区服务器机房200 m旁的铁塔上。由于地质构造原因，机房每隔若干年需要重建，铺设网线连接基站和服务器显然不合适，因此，以两台WBS－2400N2设备建立中继链路实现基站与机房无线衔接，机房搬家后只需要调整塔上和地面的WBS－2400N2天线方向即可。如图2所示。

图2 系统实际方案Fig．2 Actual plan of system

波迅 （Wavion）WBS－2400CNF基站工作在免许可频段，数据带宽达25 Mb/s。该基站以6根天线组成的智能天线阵列以及6套射频发射装置，以空间自适应波束赋形技术（BeamForming）为手段，自动寻找信号到达客户端设备的最佳方向，可以工作在视距或者非视距环境下，并提供更大的覆盖范围以及更稳定的无线relax连接。工作在非视距时，Wavion独有的领先技术空分多址 （SDMA）技术可以使802．11a 的带宽容量成倍增加[5]。

2 应用效果

仙中29井位于基站南方，直线距离约600 m处，距离虽近，但井场处于两个土丘之间的低洼处，土丘高约16 m，从井场看不到基站。仙中29井上，装有MD－RS28永久压力温度遥测设备，高速网络监控球机，RG－5无线示功仪等，通过客户端设备 WBS－2400P2链接到基站，在服务器端可以实时监控井下压力温度变化、地面示功图、井场图像等。

MD－RS28/WiFi永久压力温度遥测设备用于监测井下油层中部压力变化，具有0．002 5%FS的高分辨率，能够测量油层极其细微的压力温度变化。如图3所示，MD－RS28中还集成了交换机等网络连接设备，以便于将各种设备用网络连接在一起。

图3 在服务器端监控到的压力温度Fig．3 Pressure and temperature monitoring in server client

无线示功仪将载荷传感器、位移传感器、数据采集器和短距离通信模块集成在一体，能够采集功图、冲次、判断开停井等，将采集结果经无线网络发送到监控中心。

高速网络监控球机集视频采集、实时压缩、网络传输、设备存储等功能为一体，以较低带宽传输高质量的音视频数据流，实现在局域网的实时视频传输，具有图像预览、录像、回放、抓拍、告警等远程监控管理能力。

示功图和压力温度数据所占用带宽与系统设置有关，在设置为每10 min一幅示功图，每秒一次压力温度采样时约为20 b/s，相对于25 Mb/s的网络带宽数据量十分小，WiFi完全可以保证高品质的传输效果。

传输视频信号时，所需带宽为 0．1～0．5 Mb/s，耗用较多的网络资源，当同时接入的监控球机较多时会对网络传输的稳定性产生一定的影响。针对油田实际问题，监控球机设计成只在监控室调用时，才会传输视频信息，平时不占用带宽，还能够通过设定最大监视点数来限制同时接入的球机数。监控球机上装有自动报警装置，自动保存报警前后一段时间的录像，报警时立即自动接入服务器，传输视频信息，以便于及时观察现场情况。

3 无线电信号覆盖情况

测试设备为客户端设备 WBS－2400P2，通过RJ45网线连接到便携机上，随车移动，测试时车辆停在事先选定矿区的具有代表性最边沿的四处井场上，来测试基站的无线电信号覆盖和服务器通讯文件传输情况[6]。WBS-2400P2设备上有信号强度指示，网络连接、通畅特性还可以通过网络延迟指标体现。测试中还在各测试点测试了通过无线网络监控仙中29井的情况，以评估无线网络内井间信息传输情况，测试井场附近网络通畅性指标如表1所示。

表1测试井场附近网络通畅性指标Tab.1 Smooth indicators of network near the test oilfield

测试点四是关卡外的油井，由于井场地势低洼，无线信号不是很好，但在井场旁边的小土坡上，信号强度指示满格，信号非常好。实际使用时可以在小土坡上建立一个小区域覆盖站点实现信号的可靠传输。

在上述各测试点，均能够通过基站和仙中29井上的遥测设备建立正常通讯，使用压力计监测软件和摄像头监测软件观察仙中29井的实时监控画面和井下压力数据，与服务器端获得的结果相同。

4 结论

本系统已在青海南八仙矿区应用，且效果较为理想，较好地克服了油田恶劣的地理环境。系统使用WiFi无线网络，信号基本覆盖了整个油田，避免了数据在公网上的传输，本质上杜绝了恶意的客户访问，保证了网络通信的安全；WiFi基站和客户端数据吞吐量25 Mb/s，保证了视频监控网络传输所需要的带宽，提高了数据传输的品质，增强了监控的实时性，提高了数据传输的速度；服务器通过中间的各种网络传输设备实现与远程无线网络仪表的“直接对话”，便于开发和维护。新的无线仪表可以很容易地添加到运行系统中，兼容性良好。WiFi无线网络为南八仙矿区的进一步发展提供了新的思路，同时也为物联网在油气井中的广泛使用打下基础。

[1]加斯特.802.11无线网络权威指南[M].2版.南京:东南大学出版社，2007.

[2]Underdahl K.Wi-Fi Home Networking Just the Steps For Dummies[M].Wiley Publishing，Znc.2006.

[3]韩斌杰，杜新颜，张建斌.GSM原理及其网络优化[M].2版.北京：机械工业出版社，2009.

[4]Hurley C， Baker B， Barnes C， et al.How to cheat at securing a wireless network[M].Syngress Press，2009.

[5]孙弋，徐瑞华.基于WiFi技术的井下多功能便携终端的设计与实现[J].工矿自动化，2007（3）：60-63.SUN Yi，XU Rui-hua.Design of a kind of multifunction portable terminal used in underground based on WiFi technology and its implementation[J].Industry and Mine Automation，2007（3），:60-63.

[6]Scott A W，Frobenius R.RF measurements for cellular phones and wireless data systems[M].Wiley-IEEE Press，2008.