基于无线通信的海上油田监视系统设计与实现

秦 超，贾 璕，孙毓斌

（中海油信息科技有限公司天津分公司，天津 300450）

基于无线通信的海上油田监视系统设计与实现

（中海油信息科技有限公司天津分公司，天津 300450）

针对海上传统应急通信系统不能满足应急需求的现状，提出一种基于无线自组网的海上应急无线通信系统。根据应急通信系统在可靠、健壮、灵活等方面的要求，详细阐述了该网络的设计思想和方法，包括网络分层框架、系统结构和网络结构。在此基础上，说明了应急通信网络的部署方案和有关注意事项。最后，归纳了基于无线自组网的海上应急无线通信系统的实现效果。

无线通信；监视系统；海上油田

随着海上油田的信息化建设，海上平台已经由卫星、微波联合组建一个大宽带网络，为平台上的终端用户提供了互联网访问、VOIP语音电话和其他数据业务等多种通信服务。但为海上平台服务的船舶，由于成本、安装空间限制或船只改造难度等原因，只有应急指挥船安装动中通卫星设备，实现了与陆地之间的实时双向通信，可在船只航行过程中全程为用户提供通信服务。

当海上某平台出现应急情况时（溢油、火灾、井喷），启动应急响应，应急指挥中心第一时间通知应急指挥船赶赴现场，并调度其他作业船舶前往应急点，进行救助作业（灭火、处理漏油、人员救助等）。应急指挥船作为应急救援的中心船，事故现场只能够通过中心船采集音视频等各种信息，回传至应急指挥中心，其他作业船舶无回传通道，只能通过传统对讲进行指挥调度、沟通协调。因此，需要引入新的技术手段和方法，快速部署应急通信网络，为各类用户及时提供多样化的满足各种需求的通信服务，对特定区域进行实施监控，对紧急突发事件做出快速响应，并能有效协调各种救援力量实施应急抢险工作。

随着信息网络技术的快速发展，许多新兴的技术手段逐渐成熟并在应急通信领域展现出其特性，例如Ad Hoc网络[4]、无线传感网[5]和无线自组网络等形式，尤其是目前得到业界广泛研究的无线自组网（Wireless Self-Organizing Network，WSON）。无线自组网是移动通信网络和计算网络的有机结合，具有无基础设施支持、自动组网、多跳协作转发等特点，网络抗毁性和灵活性较强，尤其适合建立海上应急无线通信网络。

1 海上应急无线通信系统设计

1.1 设计思想

海上应急无线通信系统往往需要工作在复杂环境中，海上气象环境变化多样，网络规模有大有效。这种网络具有如下显著特点[1-2]：设计多种具有不同能力和特性的网络系统，如微波传输网、蜂窝移动通信网络、卫星网络；包含很多移动速度和处理能力不同的通信单元，并且通信单元之间需要协调通信；业务种类繁多，信息传输具有不对称的特点，如现场应急人员接受的信息通常多余发送的信息，现场应急视频回传至后方指挥中心等。

针对上述特点，基于无线自组网的海上应急无线通信系统总体设计思路为：针对海上应急通信场景的实际需求，依托邻近平台现有网络与临时部署的无线自组网，充分发挥无线自组网快速自动组网，高灵活性的优点，融合周边平台现有通信方式，有效整合微波、无线自组网和卫星等多种通信手段的综合型应急通信网络，为处置应急突发事件提供一种可靠、灵活、具有较高生存性的通信支撑平台，使得应急指挥中心能够及时、准确和顺畅的获取应急现场的各种信息，切实增强应急环境下的通信服务保障能力。

1.2 设计方法

为了构建灵活、健壮、可扩展且通用性强的海上应急通信网络，基于网络覆盖和网络分层的思想设计了一种通用的应急通信网络分层框架[5]，如图1所示。

图1 海上应急通信网络分层框架

该框架划分为数据链路层、信息收集层、应用业务层。通信网络层由当前可用的如卫星、微波等有基础设施通信网络和临时部署的如无线自组网等无基础设施通信网络构成，为以上两层功能的实现提供物理网络支持；信息收集层负责收集和存储各个自组网节点的必要信息，各终端的GPS、GIS信息及语音、视频、管理控制信息；应用业务层提供各种应急通信应用和服务，例如语音电话、视频电话、视频会议、视频监控等。

应用业务层和信息收集层需要数据链路层接收和发送数据，应用业务层和数据链路层需要信息收集层提供的信息确定所在位置、链路状态和一些管理信息，应用业务层从信息收集层获取需要的信息，然后使用数据链路层提供各种应用和服务。

在分层框架的基础上，设计系统和网络结构。从系统结构看，海上应急无线通信系统是一个多层次分布式信息系统，具体包含4个层次，从下到上依次是：网络设施层、公共服务层、特定功能层和应用系统层。应急通信网络的系统结构如图2所示。

图2 系统结构

1）通信网络层涵盖海上平台、船舶可能涉及的各种网络，包括在平台建设的LTE专用通信网络、微波网络及无基础设施的无线自组织网络。

2）公共服务层包括视频监控、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）、 地 理信 息 系统（Geographical Information，GIS）服务和气象信息，为上面的功能模块提供公共支撑服务。其中，视频监控包括邻近平台、应急指挥船已安装的和在普通船舶部署的各类摄像头，用来从多角度获取应急现场的视频信息，全面了解应急现场情况；GPS用于辅助终端定位，气象信息用来了解应急现场天气状况。

3）特定功能层是在公共服务层的基础上，针对不同应用的需求完成特定的功能，主要包括网络管理、负载均衡、服务质量（Quality of Service，QoS）支持和系统安全等功能，目的是增强整个应急通信系统的适应性和可用性。其中，网络管理涉及网络设备的配置、网络性能的调整、移动终端的管理和故障恢复等；负载均衡以应急指挥船为中心，最大限度利用自组网、卫星、LTE等网络资源；QoS支持要基于业务紧急程度和用户身份提供区分优先级的通信服务保障；网络安全确保信息存储、传输和使用的安全，及应用系统自身的安全。

4）应用系统层负责提供各类应急通信服务（如语言、视频等），包括应急指挥系统、视频监控系统和视频会议系统。应急指挥系统以视频、现场动态等形式向指挥人员提供应急现场的信息，以便获得全面的态势图，作出科学决策。视频监控系统用于保存应急现场各个终端摄像头的视频信息，方便现场和应急指挥大厅中各层级人员的调取。视频会议系统用于连接在系统结构上，海上应急无线通信系统是一种多层次的立体式的通信网络，包括海上的船舶、采油平台和空中的直升机和卫星等设备，是一个综合运用各种通信手段来构建的应急通信网络，其结构如图3所示。

图3 系统结构

2 海上应急无线通信系统的部署方案

海上应急无线通信系统首先需要建设一个无线自组网传输系统，系统由多台无线自组网电台节点组成，实现采油平台和船舶在海上视距5～20km以上距离内，进行双向的无线通信。

拟在应急指挥船和平台各安装一台无线自组网电台，接入船载卫星通信系统或平台的干线微波。在应急指挥船上储备4～5套无线自组网单兵电台，并在应急现场，通过应急人员背负并携带至临时征调的普通应急工作船上。通过无线自组网系统实现应急指挥船与各应急工作船、平台的互联互通，并通过卫星和微波链路实现与岸上指挥中心的双向音视频通信。

每条应急工作船的手持式视频采集设备通过单兵便携无线AP接入单兵无线自组网电台。并通过无线自组网网络连接至应急指挥船的无线自组网电台。应急指挥船的无线自组网电台通过以太接口直接接入船上的卫星动中通通信设备，并通过卫星链路，接入至陆地端的卫星主站并访问地面网络。实现普通船的视频采集和数据业务的双向接入。每条距离应急指挥船在10km以内的普通船，可以实现与应急指挥船的单跳直接连接。距离应急指挥船在10km以外的普通船，如果无法与应急指挥船实现单跳直接连接，可以通过已经与应急指挥船连接的其他普通船的自动中继，实现与应急指挥船的双向连接。

船队内所有船只的无线自组网电台节点均工作在同一频点内，共享一段最高6MHz（8.9Mbps）的带宽。数据带宽在节点之间按需分配。如果船队由五条普通船和一条中心船组成，每条普通船可获得2～8.9Mbps带宽。

本网络为IP无线局域专网，每个节点都可以为用户提供两路有线IP接口、无线WiFi接口和串口，用于用户的视频、音频和数据等多种应用信息的接入和输出。并可以通过IP接口与卫星通信、微波、LTE或地面网络等其他网络形式对接，实现网络融合和现场音视频数据向其他网络的传递。

3 结束语

该系统整体架设完成后，每个自组网节点可以与PC或其他数据设备连接，并通过本系统接入至互联网或用户的数据专网，实现对网络的访问或数据传输。手持视频采集终端设备与无线自组网节点通过单兵便携无线AP进行连接，并通过本系统与用户指挥中心的音视频调度平台和指挥员之间实现实时双向互联，用于实时指挥决策。每个无线自组网系统可实现最高8.9Mbps的传输速率，可同时支持最高2路1 080P或者8路D1图像的实时传输。

[1] Chiti F，Fantaccoi R.A broadband wireless communications system for emergency management[J].IEEE Wireless Communications，2008，7（6）：8-14.

[2] Ansari N，Zhang C.Networking for critical conditions[J].IEEE Wireless Communications，2009，7（4）：73-81.

[3] 王海涛，朱震宇，傅鹰.应急通信网络设计及关键技术探讨[J].指挥信息系统与技术，2010，1（5）：28-33.

[4] 郑少仁，王海涛，赵志峰，等.Ad hoc网络技术[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[5] 王雪.无线传感网络测温系统[M].北京：北京机械工业出版社，2008.

D e s i g n a n d R e a l i z a t i o n o f O f f s h o r e O i l f i e l d Mo n i t o r i n g S y s t e m B a s e d o n Wi r e l e s s C o mmu n i c a t i o n

Qin Chao，Jia Xun，Sun Yu-bin

Aiming at the situation that the traditional marine emergency communication system can not meet the emergency demand，this paper proposes a maritime emergency wireless communication system based on wireless ad hoc network.According to the requirements of reliability，robustness and flexibility of emergency communication system，the design idea and method of the network are described in detail，including network hierarchical framework，system structure and network structure.On this basis，the deployment of emergency communications network and the relevant considerations.Finally，the effect of the maritime emergency wireless communication system based on wireless ad hoc network is summarized.

wireless communication；monitoring system；offshore oil fi eld

TP277

A

1003-6490（2017）08-0030-02

2017-06-01

秦超（1987—），男，河北保定人，工程师，主要研究方向为无线传输系统。