基于4G-LTE的海上油田智能化设备巡检系统研究与设计

徐亮

摘要：将4G-LTE无线覆盖、智能化数据采集终端等无线物联网技术应用于海上油气田现场设备巡检、监控等进行智能化管理和融合，是一项具有创新意义的工作，该课题的开展，对4G-LTE无线覆盖技术以及智能化设备巡检系统在智能化数字化海上油田的推广应用以及未来海上油田信息化建设将起到很好的示范效果。

关键词：海上油气田;4G-LTE;智能化巡检;信息化建设

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）05-0132-03

0引言

在石油化工企业的生产过程中，对海上平台的油、气田的生产设备，以及油、气、输送管道的各种参数进行实时监控，相当重要。传统的油、气田监控数据需要值班人员周期性巡检，手动记录或者采用点检仪记录后转存储于本地。存在巡检工作量大、耗费人工、漏检、误检、数据处理繁琐、历史数据检索困难、实时性差等诸多难题。

采用4G-LTE专网综合信息管理、智能巡检，能够实现对日常巡检的路线与巡检计划的下载，巡检任务生成，巡检结果记录，巡检结果上传等等，并且能够基于4G-LTE专网的特点完成对设备信息及现场巡检可视化操作，包括对现场设备点检异常的拍照、录音等。完成数据的采集后，通过4G-LTE无线专网快速准确的传送到生产运管中心，便于集中管理和统一监控。

1海上油气田智能化设备巡检系统的发展现状

智能化巡检系统目前在国内的电力行业、森林维护管理行业、智能化工厂以及陆地石油化工行业等都有相应的应用，虽然在国内各行业以及石油化工行业应用还不是那么普及，但是随着国内智能化、信息化、物联网的快速发展，智能化巡检系统的应用快速深入各行各业。而国内的海上油气田在智能化巡检这一块的建设和发展目前尚处于空白状态，与数字海洋、智慧海洋建设的方针不符，由此展开论述。

与海上油气生产平台传统巡检方式对比：

（1）降低成本，提高效率：降低人员周期性巡检，手动记录等的人工成本，并且减少有线连接方式下的铺设线缆成本和人工成本，提高了工作效率，同时也极大的节省了维护成本。

（2）规避风险：有效的远程监控各点位的巡检，并且能够根据规划的巡检任务逐一完成，对于人工巡检疏漏的巡检点进行及时的提醒，能够根据巡检人员回传的信息（图片、数据等），实时分析设备的情况，并及时反馈给巡检人员，能够高效的处理问题，尤其是无人平台规避了漏检带来的风险以及现场处理问题的效率，消除隐患，同时也能够实时定位巡检人员所在位置，能有效的规避人员安全风险。

2海上油气田4G-LTE无线专网建设研究

2.1LTE技术及系统组成

LTE（Long Term Evolution）是第四代移动通信系统，该系统核心技术为OFDM/FDMA技術。LTE系统与第三代移动通信系统的整体网络架构有着本质的不同，LTE系统接入网络更加扁平化，趋近于典型的lP宽带网络结构，第三代移动通信系统RNC节点被简化，其无线资源管理功能也全部位于eNB（Evolved Node B，演进型基站）中，LTE系统分为两个部分，即接入网部分和核心网部分，接入网又称为E-UTRAN（Evolved Universal Terrestrial RadioAccess Network，演进型全球地面无线接入网），由eNB构成，eNB之间通过x2接口交互信息。核心网，又称EPC（Evolved Packet Core，演进型分组核心网），包括MME（Mobflity Management Entity，移动性管理实体）和S-GW（Serving Gateway）（图1）。

为了满足上述需求，LTE系统在MIMO和OFDM/OFDMA等技术的基础上，主要在以下关键技术做出了提升和增强。

2.1.1载波聚合

LTE系统支持多种不同的载波带宽，包括1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz以及20MHZo为了满足MT-Advanced系统达到上行500Mbit/s、下行1Gbit/s的需求，3GPP提出了LTE扩展传输带宽至100MHz的设计目标，所以3GPP组织提出载波聚合的方法来实现系统带宽的扩展。由于受限的频谱资源，连续的能够满足需求的频谱很少，所以载波聚合又包括连续载波聚合和非连续载波聚合的情况（表1）。

2.1.2多天线增强

在LTE系统中，多天线技术得到进一步的增强，信道容量的改善是通过扩展空间传输维度的方式来实现的，如上行最高支持4个发射天线4个接收天线，下行最高支持8个发射天线8个接收天线，是满足LTE峰值谱效率和平均谱效率提升需求的重要途径之一。

2.1.3中继技术

与前几代移动通信系统相比，LTE支持高数据速率要求，可能需要使用传输能力较大的高频载波，为此LTE引入了中继技术，即Relay技术。Relay技术是在原有站点的基础上，通过增加一些新的中继节点，增加基站和天线的分布密度。这些新增中继节点和原有基站都通过无线连接，下行数据先由原有基站发送给中继节点，然后中继节点再发送给用户设备，上行则反之。进而缩短了原有基站和用户设备问的传输距离，中继技术延伸了传输距离，改善了传输质量和系统的频谱利用率。

2.1.4协作多点传输技术

协作多点传输CoMP技术，英文缩写为Coordinated Multipoints，是LTE系统中的一个关键技术，主要是消除小区间干扰，提高系统性能。该技术是指地理位置上分离，但是相邻的多个站点或者天线联合操作，为用户提供协作服务，用以抑制相邻小区对用户的干扰，改善了小区边缘的性能和整个系统的性能，提高了用户的服务质量。

2.2海上油气田生产平台LTE专网设计

因为海上油气生产平台主要是以钢结构为主，无线信号在大气中以电磁波的方式传播，无线信号无法穿透钢板。平台有封闭式结构的生活区，有敞开式的钻井区，有车间式的生产区，组成结构较为复杂。

针对海上生产平台的这些特点，无线覆盖方采用室外无线覆盖和室内分布覆盖共存的方式。

2.2.1频率选择

4G-LTE专网的覆盖频率有1.8G、2.4G、2.6G等频点，1.8G在室内分布系统中应用较为成熟，普遍，产品类型丰富、无需定制，既能满足室外无线覆盖又满足室内分布覆盖，因此本次研究考虑1.8G一体化基站进行平台的无线宽带专网覆盖。

2.2.2典型海上油气生产平台建网设计

海上生产平台4G-LTE无线信号覆盖区域由3个部分组成，包括生活区，生产区，钻井区。生活区与钻井区位于平台上部，生产区位于平台下部，部分中心平台还通过栈桥连接井口平台（图2）。

生活区一般为3层或者4层的生活楼，层高约4米，长约27米，宽约12米。生活区外墙为厚钢板结构，室内房间之间为薄钢板结构，有吊顶。

钻井平台一般共4层，层高约4米，长约80米，宽约35米。钻井区多数为开阔区，布放少量的电气及机械设备与少量的集装箱，还有1副近100米高的井架。

生产区一般分为8.5米甲板、18.5米甲板、25米甲板、29.5米甲板，全高約21米，长约100米，宽约35米。生产区房间较多，房间外墙为厚钢板结构，房间之间是薄钢板结构，室外机器设备摆放较密集。

2.2.3基站架设

生活区基站1安装在生活楼顶，通过全向天线覆盖生活区顶部、生产区上层区域，包括：生活楼顶部、直升机甲板、候机室、两部吊车驾驶舱、生产区上层甲板。基站的电源和网络可通过网线和电源线直接沿桥架接入到报房。

生产区基站2安装在生产区中层甲板，通过全向天线覆盖生产区中层甲板、下层甲板、井口平台生产区中下层甲板区域。基站的电源和网络可通过网线和电源线直接沿桥架就近接入或者接入到报房。

钻井区基站3安装在井架上，通过全向天线覆盖井口平台钻井区、生产区上层甲板、两部吊车驾驶舱等区域，由于井架到就近的接人房间距离较长，需通过光缆作为传输链路。

3海上油气田智能化巡检系统设计

3.1整体架构

智能化巡检系统组网架构分为三部分：终端设备、接人层设备、系统设备，结合海油生产平台实际结构和特点，系统设备布置在平台机房（平台无线电房、生产中控室），包括核心网服务器、定位服务器、巡检服务器、调度服务器、网管服务器和操作台等，可以根据平台岗位特点，如果平台配置无线电房并且有无线电子员，可以将该系统设备部署在无线电房或者部署在平台中控室;如果平台没有无线电房，该系统设备直接部署在中控室。接入层基站等设备分别部署在平台生活区、生产区、钻井区，进行全平台室内外4C-LTE无线专网覆盖。终端设备分为固定的视频监控设备，可移动的集群对讲设备、巡检终端设备，方便巡检人员随身携带（图3）。

3.2智能化巡检系统功能实现

在海上生产平台的生产过程中，对油、气田的生产设备，以及油、气输送管道的各种参数进行实时监控，相当重要。传统的油、气田监控数据需要值班人员周期性巡检，手动记录或者采用点检仪记录后本地存储。人工成本高，也会留下许多人为因素，存在安全风险。

采用4C-LTE专网智能巡检终端，可以完成以下任务：

（1）能够实现对日常巡检的路线与巡检计划的下载，巡检任务生成，巡检结果记录，巡检结果上传等功能。

（2）能够于4G专网的应用功能完成对设备信息及现场巡检可视化操作，包括对现场设备点检异常的拍照、录音等。

（3）对于采集到的数据，通过4G专网无线网络实时陕速准确的传送到监控中心，便于集中管理和统一监控。

对于海上平台生产状况的远程数据采集，终端可以通过两种方式进行：

（1）终端通过RFID模块采集标签信息，来完成巡检点信息的识别。

（2）终端通过无线方式或有线方式对现场设备实现视频、图片、温度和震动的数据采集。

设备巡检管理包括设备巡检计划同步，设备巡检实施，巡检结果上传等子功能模块。

巡检计划同步的目的是将后台管理系统制定或修改好的巡检计划下载到终端中。巡检终端可根据系统定义的巡检计划自动创建巡检任务，并按照巡检任务开始和结束巡检，巡检任务可根据业务进行调整。

设备巡检实施模块用于日常的巡检实施，进入巡检实施模块后，选择操作人员（可通过人员卡识别）并进入操作界面。并对巡检路线上的巡检点、巡检设备和巡检内容要求进行巡检操作。

巡检员使用巡检终端扫描生产区的配套RFID信息钮，终端显示当前巡检任务，巡检员可以根据提示，按照巡检内容进行手工信息录入，录入信息可以是仪表数据或文字描述等。当巡检内容中包含测温测振项目时，则巡检终端会自动开启温度或振动测量功能，进行测量操作，并自动保存测量结果。当前全部任务完成后，可进行巡检结果上传。

4总结与展望

基于4G-LTE的油田智能化设备巡检系统应用，实现对现场各类数据的实时采集和传输，提升平台生产整体数据自动采集率;通过建立平台现场综合数据库，实现现场对象与管理者问的互联互通，为上层应用和其它信息系统应用提供稳定、可靠的现场数据支持;通过现场监测管理、安全防范管理及资产可视化管理等应用建设，进一步提升平台现场生产操作和安全管控水平，提升平台精细化管理和智能化管理水平。

本课题将4C-LTE无线覆盖、智能化数据采集终端等无线物联网技术应用于油田现场设备巡检、监控等进行智能化管理和融合，是一项具有创新意义的工作，该课题的开展，对4G-LTE无线覆盖技术以及智能化设备巡检系统在智能化数字化油田建设领域的推广应用以及新建海上油田无线信息化建设将起到很好的示范作用。

5GNt照也已经发放，并且将陆续投入商用，随着技术的快速发展，基于5G专网的系统和应用也会陆续展开，进而海上平台的无线专网覆盖也更加复杂，需要考虑设备、协议、接口、软件向上兼容等问题。4G-LTE专网和5G专网在海上平台共存应用场景下的管理也是需要进一步研究的问题。