基于泄露电缆的海上钻井平台手机通信系统的研究

2019-01-17段丽华

船电技术 2018年12期

段丽华

段丽华

（渤海船舶职业学院电气工程系，辽宁葫芦岛 125005）

本文利用泄漏电缆对传输信号边传输边泄露的特点，设计一套基于泄漏电缆的通信系统，应用于海上钻井平台，实现用手机代替对讲机通信，在发挥对讲机通信优势的同时，弥补了对讲机通信的不足，同时，应用一根泄漏电缆，来实现集语音通信、数据采集、视频监控、环境监控于一体，达到对整个钻井平台进行可靠、有效的通信与监控的目的，相比对讲机通信系统而言，本系统功能更加完善，可靠性更胜一筹，具有很大的应用价值和发展空间。

泄漏电缆通信钻井平台

0 引言

海上钻井平台主要用于钻探井的海上结构物，它主要分移动式平台、固定式平台两大类，具体包括自升式平台、坐底式平台、钻井船、张力腿式平台、半潜式平台、牵索塔式平台、混凝土重力式平台、导管架式平台、深水顺应塔式平台等。无论是哪种平台，都基本是在远离海岸线的茫茫大海中，那么在平台上，尤其是一些面积大的平台或者如FPSO及周围一些小平台上，总控室和工人之间，工人和工人之间的通信就成了一个至关重要的问题。

目前，大多数平台上采用对讲机通信，它的优点是：1）无需借助任何的通讯运营商，不会产生话费；2）可以一对多，即1号对讲机可以同时向2号，3号，4号……等等N个对讲机同时发布命令；3）这也是手机信号变弱或者没有时的选择。它的缺点是：1）通话距离有限，超出通讯距离通话质量就会有所下降，不像手机那样肆无忌惮的到处走动；2）受环境影响严重，在嘈杂的环境中没能够保持通畅无阻的通讯联系；3）少有或者没有视频和短信、微信功能；4）只能单工通信。而海上钻井平台因为空间有限，为了满足生产、生活的需要，不得不将其有限的大空间再分成多个小空间，造成空间内部结构复杂，舱室紧凑、过道窄小，层间低矮不一，楼梯坡度大，出入口矮小等问题，这使得对讲机的通话质量变得更加不理想，无法满足正常生产生活需求。那么，如何才能扬长避短，发挥对讲机的优势的同时克服它的缺点，增加它的功能呢？这就是今天我们要讨论的话题，即应用泄露电缆来实现钻井平台上的手机通信系统的研究。

1 系统具体设计方案

1.1 泄漏电缆及通信系统的组成

如图1所示，泄漏电缆是一种专门用于泄漏通信的高频电缆，它的外导体不是全屏蔽的，而是设有泄漏槽或疏编织孔的。因此，当其工作时，信号中的一部分就会通过这个特设的泄漏槽或编织孔泄漏到以本电缆为中心的外部区域，本电缆附近的接收机（包括移动接收机手机）就会收到相应的信号；同时，外部设备发出的信号（包括手机发出的移动信号）也可以通过特设的泄漏槽或编织孔进入到泄漏电缆的内部。换而言之，泄露电缆具有传输线和收、发天线的双重功能，再加上必要的辅助设备，就可以组成一个完整的泄漏通信系统了。这个系统可以满足以泄漏电缆为中心，沿泄漏电缆附近的一定区域内的移动通信。且一根泄漏电缆可以同时传输80 MHz、150 MHz、400 MHz、900 MHz等多个频段，也就是说，只要敷设一根泄漏电缆，就可以同时实现数据、语音、视频、宽带接入等多种通信[3]，可见，“泄漏电缆通信系统”可在一定区域内产生均匀的信号场强，几乎不存在通信盲区，不易受到干扰信号的影响，能实现信号稳定可靠的收发通信，因而非常适合在钻井平台上使用。

具体的通信系统如图2所示[1]：总控室里有主机、语音/数据基站、数据解调器和视频监视器等构成。主机提供了包括主板（滤波器和放大器）、主机的供电单元、分配器、隔离单元等四个部分的至语音基站、数据调制解调器以及视频监视器的接口。主机可支持语音/数据信道，语音/数据基站由接收器、发射器和控制器三个部分组成，可以根据具体需要设置成全双工、半双工或单工操作方式，滤波器和放大器用于路由无线电信号到接收器与发射器的合路与分路。

图1 泄漏电缆

1.2 平台室外通信系统设计

在平台船舱室外，泄漏电缆被分割成一段一段的，段与段之间均由双向无线中继器相互联系在一起，这样系统安装更为灵活方便，用户需要采集哪里的信息就将泄缆安装到哪里，不用就可以拆除。拆除其中的某一段不会影响其他段的性能，只要还在中继器的传输范围内就可以顺利的将本段两侧的两段泄缆信号相联系、传输。这非常的适用于如FPSO等的平台之间的通信，也在很大程度上降低了系统的成本。本系统中，平台会根据自己的实际情况，在需要的地方安装可视监控设备、环境监控等装置，在实现和对讲机一样通信的同时，又能采集到其他重要的现场数据，完善了通信功能。

这里的无线中继器应用双向中继器，它设于泄漏电缆段与段之间的间隙中间，用来放大补偿信号沿泄漏电缆传输时因向外泄露而造成的损失。另外，为了终止泄漏电缆中电流的流动，电缆未端还需要安装终端装置，使整个系统阻抗达到平衡状态。

图3 平台室外通信系统框图

1.3 平台室内通信系统设计

因为泄露电缆辐射半径有限，所以要是像普通通信系统一样只安装室外，那么室内几乎没有信号，变成盲区，所以平台的室内也需装有通信系统。

泄漏电缆敷设方式分横向敷设和纵向敷设两种[5]，各有特点，各平台可以根据各自建筑的特点铺设。无论哪种敷设，都要保证泄露电缆的辐射方向指向室内。当遇到拐弯处（如图4所示），或层间高度低矮，楼梯坡度较大时，可以适当的调整中继器的安装位置和方向，或通过添加一小段泄漏电缆的方式来使得信号顺利有效的传输。再依据建筑物的特点和高度决定敷设数量，同时也可以在需要的地方安装如烟雾报警等监控设备，在满足基本通信的同时，提高了室内的安全性，具体系统以图4为例。

1.4 基于泄漏电缆的通信传输系统

利用泄漏电缆窄带无线电通道传输语音信号，采用Cable Modem技术实现宽带接入；采取TCP/IP通信协议，每部具有监控或者检测功能的设备以及手机都有一个IP地址，实现双向语音通讯、数据通讯和视频信号共线传输。

1.4.1语音通信系统[4]

基站发送进入漏泄电缆的信号，是频带中心为频率f1的射频信号，经选通放大，使f1频带信号形成下行信号，产生漏泄场供沿途所有移动设备（手机）接收；手机发射信号是频带中心频率为f2的射频信号，经选通放大，使f2的频带信号形成上行信号最终至基站，基站收到f2频带信号或解调送出系统或以f1频带转发送入系统，完成系统手机间的异频双工通信。

图4 平台室内通信系统框图

1.4.2数据传输系统[2]

数据传输系统包拈2部分，ILC (In-Line ControIler)和HEC (Head End Controller)。ILC在地下为数据终端和泄漏电缆网络提供接口，它把连续的数据流从监测设备转换成射频RF信号，并把它送到泄漏电缆。相反，它又能把射频RF信号从泄漏电缆取出并转换成连续的数据流。

HEC刚好与ILC相反。它从远端的ILC中收集RF数据，并把它转换为连续的数据流，也从计算机提取数据，转换成RF信号发送出去。