海洋石油平台多种通信方式的应用概述

万青霖

(中海油信息科技有限公司北京分公司， 北京 100027)

海洋石油平台多种通信方式的应用概述

万青霖

(中海油信息科技有限公司北京分公司， 北京 100027)

近年来国内外各种通信技术和通信手段发展迅速，通信方式的理论研究也日趋完善，应用领域和应用范围逐渐增多。为了适应中国海洋石油工业发展的新形式，引进并应用世界先进的通信技术和通信设施势在必行。结合海上油气田开发、生产中的实际情况，以海上平台多种通信方式的应用研究为重点，分析阐述了海上平台主要使用的通信方式和通信设施，以及各自在信息传输方面的特点，提出了几种常用通信方式在海洋石油工业的适用范围，为海洋工程同行业选择安全、可靠、合理、经济的通信方式提供参考。

石油平台；通信技术；应用分析；水声通信

0 引言

随着中国海洋石油工业的迅速发展，建设“海洋强国”、保障国家能源安全、供应油气资源成为中国海油义不容辞的责任和使命。“十二五”期间，中国海油累计生产原油约3.1亿吨，天然气1 015亿立方米，从北向南建立了渤海油田、东海油田、南海东部油田和南海西部油田四大油气生产基地，在海上建成了81座油气田，上百座海洋石油生产平台。为了确保海上各种勘探、开发、生产、管理和安全等活动的顺利实施，保证应用于海洋石油工业的各种技术、装置正常运行，必须依靠先进的通信技术、合理的通信方式作保障。该文将系统阐述微波扩频通信、光纤通信和卫星通信在海洋石油平台的实际应用情况，分析说明上述三种通信方式在海上平台应用的特征优势及适用范围，同时也对水声通信在未来海洋石油工业中的应用前景进行了理论分析[1～3]。

1 微波扩频通信

微波扩频通信是一种通过放大传输信息的射频信号, 利用伪随机噪声码(PN码)对原信号码进行扩频调制的通讯方式。在海上平台通信系统建设中，微波扩频通信主要应用于海上油田内部的通信网络，作为中心平台与其生产平台之间语音、数据和图像的传输通道。微波扩频通信系统结构在油田群的中心平台设置中心站，在油田群生产平台设置外围站，每端站点由语音模块、数字模块、复用器、信道机和外置天线组成[4]。

图1为中国海油文昌油田内部通信系统，文昌13-1/13-2油田包括两个井口生产平台和一个中心平台FPSO生产储卸油装置, FPSO与两生产平台的距离分别为2 km和5 km。在油田通信系统中，生产平台将微波扩频通信作为与FPSO之间话音、数据的传输通道，再以FPSO作为中转站，建立到陆地岸台的话音通信。整个油田通信系统的链路采用双套设备同时工作的方式，一个复用器接两台信道机，并能自动判断选择信道较好的一台链路作为主链路进行通信，当链路发生变化时能马上切换到另外一台链路进行通信，不会出现中断的情况。生产平台上的扩频天线选用定向天线，FPSO上的天线为全向天线，并且船头船尾各放两套信道机，以保证信号收发质量[5]。

图1 文昌油田微波扩频通信示意图

信息传输时，先将信号利用微波扩频通信技术，使其带宽扩展至数兆宽的频带上，然后将信号调制到空间传输的载频上进行发送。在经过接收端的解调后，利用PN码进行解扩，然后还原成原来的窄带信号，通过窄带滤波器进行滤波后，大部分噪声信号被滤掉，误码率大大降低，信噪比得以提高。 实际应用证明，文昌油田内部FPSO与两生产平台之间，通过微波扩频通信方式，在信息发射时增加扩频过程，在信息接收时增加解扩过程，扩频和解扩的结果提高了整个油田信息传输过程的抗干扰能力，增加了隐蔽性。

结合实际应用情况，综合分析微波扩频通信在海上油田的应用特点如下：(1) 系统构建容易，微波扩频通信系统无需铺设海底线路，很容易越过水面建立视距通信，提供耐用、无差错的数字通道。(2) 信噪比低，利用微波扩频通信技术，通过扩频和解扩使系统信噪比得到大幅提升。(3) 抗干扰能力强，应用PN码扩频技术在信号接收端进行解扩，其他噪声信号因与PN码不相关，解扩后输出低，与PN码信号相关会有很高的峰值输出。扩频和解扩过程不会改变信息信号，但抑制了干扰信号。(4) 保密性能好，扩频系统可以进行数字加密，其它信号电平比噪声电平低，难以被发现，保密性好。(5) 对其他系统不形成干扰，因为扩频信号的功率谱密度低，所以不会对其他系统造成干扰。目前，国内外诸多国家和地区都划出了微波扩频通信的专用频带，在划定频带内不需申请使用频率，可以无照使用。因此，微波扩频通信系统针对海上油田无线通信系统存在的干扰、选址和泄密等问题进行合理地解决，在海上油田内部平台间近距离通信系统中得到了广泛地应用。

2 光纤通信

光纤是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。按照信息传输模式来划分，光纤分为单模光纤和多模光纤，如图2所示。单模光纤(Single Mode)是只能传导一种模式的光纤，使用的光波长为1 310 nm或1 550 nm。单模光纤避免了模式色散，具有传输频带宽、容量大、距离远等优点，是目前海上平台间信息传输主要采用的通信方式之一。多模光纤中传输的模式多达数百个，各个模式的传播常数和群速率不同，使光纤的带宽窄、色散大、损耗也大，只适用于中短距离和小容量的光纤通信系统。由于色散或像差等因素，多模光纤的传输性能较差，传输频带窄、容量小、距离短，在海上油田中使用较少[6]。点对点光纤传输系统是通过光缆进行连接的，光缆可分为1根光纤(单纤)、2 根光纤(双纤)等，如图3所示。

图2 单模、多模光纤示意图

图3 光芯、光缆结构图

图4 东方1-1气田光纤通信示意图

以中国海油东方气田为例，东方1-1气田距离湛江陆地终端约300 km。整个气田包括一个CEP中心平台和一个无人井口生产平台，两座平台相距约4 km,平台间布设动力/光纤海底复合电缆，生产平台上的电力由中心平台通过动力电缆提供，中心平台与生产平台之间的通信联系通过光纤电缆实现。两座平台之间的语音、数据和图像的传输通道使用8芯单模光纤，主要设备包括光缆、光端机，如需要，还可使用光滑环。光纤与CEP中心平台上的程控交换机和闭路电视监视系统相连，生产平台上布设电话和摄像探头，生产平台通过光缆与中心平台进行语音联系，并将监视图像信号传输至中心平台，如图4所示。

结合实际应用情况，综合分析光纤通信在海上油田的应用特点如下：

(1) 通讯数据量大、频带宽。光纤通讯载波频率比电信号大千万倍，所以它的通信容量约可增加1 000倍～10 000倍。

(2) 不受电磁波干扰、信号损耗低。光纤为非金属的介质材料，石英材质，不受电磁波的干扰，光纤光波长约为1 550 nm，衰减可降至0.2 dB/km，传输距离远。

(3) 抗腐蚀、线径细、重量轻。光纤的直径只有0.1 mm左右，直径比电缆细、重量轻，便于制造多芯光缆。

由此可见，光纤通信系统作为海上平台之间的主要通信方式，能够有效地保证两座平台之间的语音、数据和图像的传输。但是鉴于光纤质地脆、机械强度低等属性，在海上平台布设光纤通信系统时需要全面考虑光缆海底敷设、施工操作和日常维修等方面的影响。

3 卫星通信

图5 卫星通信示意图

卫星通信是指利用人造卫星作为中继站来转发或反射无线电波，在两个或多个设在地球表面上的无线电通信站之间进行信息传输的一种通信方式[7]。

图5为中国海油文昌油田卫星通信示意图，该油田位于我国南海，距离湛江300 km，包括两个井口生产平台和一个FPSO生产储卸油装置。由于微波频段的信号是直线传输的，所以地面微波接力通信都是“视距”通信，因此微波扩频通信只能实现海上油田平台内部近距离的通信传输，为实现文昌油田与陆上的联系，只能依靠卫星通信系统。

卫星通信的主要设备包括天线、室外单元和室内单元，在湛江陆上终端和文昌油田FPSO上各设置一套卫星无线电通信站，通信卫星相当于离地面很高的中继站，当卫星运行轨道较高时，湛江陆上终端和文昌油田FPSO的两个无线电通信站可以与通信卫星建立直线传输通道。文昌油田与湛江陆地终端之间进行信息传输时，通信卫星先将一个无线电通信站发出的信号进行放大、频率变换和数据处理，再转发至另一个无线电通信站，从而实现语音、传真、图像、数据等信号的传输。文昌油田FPSO卫星无线电通信站与程控交换机相连，两座生产平台也可通过FPSO上的无线电通信站实现与陆上的联系。但是由于FPSO会随海浪摆动，为了使卫星天线能一直对准卫星的方向，需在FPSO上增设卫星天线伺服系统，该系统可随船的摆动调整天线的方向，保证准确接收到信号。

结合实际应用情况，综合分析卫星通信在海上油田的应用特点如下：

(1) 通信距离远，且与费用无关。无线电通信站的建设成本不因距离、自然条件而变化。在海洋远距离通信上，卫星通信比微波、电缆、光纤等有明显的优势。

(2) 覆盖面积大，易实现多址联接通信。卫星以广播方式工作，而不是“点对点”通信，所有无线电通信站可共用一颗卫星，从而实现站与站之间的双边或多边通信，使卫星通信网络的组成更高效和灵活。

(3) 通信线路稳定，传输质量高。卫星信号是在大气层以外的空间传输，宇宙空间可看似均匀介质，传输信号稳定，不受自然条件的影响和人为干扰。

由此可见，卫星通信系统通常用于海上平台或船舶与陆上终端之间远距离的通信联系，如不考虑卫星线路的租用费用因素，卫星通信是海洋石油开发工程中远距离信息传输首选的通信方式。

微波扩频通信、光纤通信和卫星通信在海上石油平台的应用情况见表1。

表1 微波扩频、光纤和卫星通信应用对比表

4 水声通信

水声通信是一种以水为介质，在水下收发信息的通信方式，除了在军事上应用外，现已逐步应用于海洋环境监测、海洋数据采集等领域，建立在水声基础上的水下网络也正在研究中[8]。

水声通信的工作原理是首先将语音、文字、图像等信息，转换成电信号，并由编码器将信息数字化处理后，通过换能器电信号转换为声信号。声信号通过水介质，将信息传递到接收换能器，声信号又被转换成电信号，通过解码器把数字信息破译后，电接收机又将信息变成文字、声音及图片。

将来在海洋石油开发工程中，水声通信系统可以在一系列海洋作业里替代潜水员，而且在深海开发中，水声设备也将成为顺利完成深水任务的一种重要工具。

利用水声信道来进行信息传输与通过其它媒质进行传输有很大差异，见表2。水声信道和无线电信通讯相比，带宽窄、载波频率低，传播延时严重，传输速率低，多普勒频移的影响很大。对于浅海水声通信，国际上研究的热点之一就是多径传播效应的消除，目前主要有两类比较成熟的措施：(1) 改进发射信号设计策略，利用OFDM进行信号调制；(2) 改进发送机接收机结构设计，如使用高方向增益的发射机和先进的信道均衡技术。

信号最初的设计主要考虑非相干方式，但在多径信道中传输高速率的数据会存在严重的时间扩展，因此现在的水声通信系统广泛使用多频移键调制技术(MFSK)。由于信道本身或接收机、发射机的运动引起相位的随机性，非相关或差分相关解调技术的使用更加普遍。近来，扩频通信、OFDM等技术已经被考虑用来解决或对抗多径效应。由此可见，随着水声通信在海洋工程领域运用程度的逐步深入，必将给海洋石油开发工程带来更为广阔的应用前景。

表2 水声信道与空间无线信道对比表

5 结语

随着国内外海洋石油工业的不断发展，海洋石油开发工程各种技术和装备的不断进步，适用于海上平台的通信方式也在不断地更新和变化，越来越先进的通信技术为海洋石油的开发、生产和管理起到了非常重要的保障作用。该文以微波扩频通信、光纤通信和卫星通信在海洋石油平台的实际应用情况为重点，分析说明了三种通信方式各自的特征优势和适用范围，同时也对水声通信在未来海洋石油工业中的应用前景进行了初步探析。最后在海洋工程通信系统设计时，还需要根据实际情况，统筹考虑各种通信技术的特征优势，选择最适用的通信方式，进而设计出安全可靠、经济合理的通信方案。

[1] 钟淑蓉. 大容量微波通信技术的发展浅探[J].中国新通信，2012(15):14-45.

[2] 黄睿.卫星通信技术的应用体会及未来趋势展望[J]. 科技创新与应用，2013(20):81.

[3] 甘露.光纤干涉环的研究与应用[D]. 北京交通大学，2015:1-68.

[4] 侯丽丽.光纤通信系统中光监控信道及色散补偿的研究[D]. 北京邮电大学，2011:1-70.

[5] 常国锋.微波通信技术的概述[J]. 电子制作，2015(01):168.

[6] 陈晗鸣.远洋船舶电子邮件系统设计[J]. 船海工程，2003(06): 29-31.

[7] 汤坦夷.现代通信技术在远洋船舶的应用[J].科技创新与应用，2012(14):50.

[8] 郑士君,褚建新,陈正杰,等. 远洋船舶在线监控系统的研究[J]. 中国航海，2008(04): 20-25.

Application Analysis of Offshore Platform Based on a Variety of Communication Methods

WAN Qing-lin

(CNOOC Information Technology Co., Ltd, Beijing Branch， Beijing 100027，China )

In recent years, a variety of domestic and international communications technology and the rapid development of means of communication, communication theory was perfected, and the range of applications gradually increased, in order to adapt to new forms of Chinese offshore oil industry development, the introduction and application of advanced communications technologies and communication infrastructure is imperative. This will combine the offshore oil and gas field development, the actual situation existing in the production, applied research communication offshore platforms more focused, we analyzed and discussed the means of communication and communication facilities offshore platforms are mainly used, and their characteristics in transmission of information, and proposed several common means of communication in the scope of the offshore oil industry, choose safe, reliable, reasonable and economical means of communication to provide practical experience in marine engineering and a reference for the industry.

oil platform; communications technology; application analysis; underwater acoustic communication

1001-4500(2016)06-0009-06

2016-06-08

万青霖(1984-)，男，工程师。

F416.22

A