5G通信技术在天然气田的推广应用

左应祥，韩光谱，何军，代志军，刘晋成，文其志

(1.中国石油西南油气田分公司重庆气矿，重庆 400021；2.重庆邮电大学电子与通信工程学院电子信息专业，重庆 400000；3.中国石油西南油气田分公司川港公司，四川 成都 611430)

0 引言

近些年来，天然气生产领域积极发展网络覆盖模式，进一步提升气田网络信息化、智能化水平，大力发展现代信息网络技术、通信技术，实现智能设备状态收集和监测，5G通信技术将支持天然气生产领域基础设施的智能化。在天然气生产场站，充分利用先进的5G通信技术，实现油气生产网络化运行、智能化管理，减少员工在高风险环境下的工作时间，提高员工的工作安全性。

1 天然气田5G网络架构

“智慧气田”是两化融合在石油天然气上游企业建设应用的工作愿景和发展目标。5G能够提供100倍4G的用户体验速率，高达20 Gbit/s的峰值速率，实现高密度连接，通过气田5G网络的搭建，如图1所示。推进工业化和信息化深度融合，促进油气田主营业务转型升级。

图1 5G网络架构

在天然气田生产场站新建5G基站的各项配置选择，以规划新建5G基站位置作为参考[1]。在气田的接入网，天然气田的5G网络部署采用CU+DU+RRU逻辑架构，其中CU和DU共同组成gNB基站，采用分集中式与布式单元并行的先进组网方式。

在气田的传送网，将接入切片分组网设备与基带处理单元相结合，并针对气田智能机器人、高清视频监控与传输、无人机云上辅助，进行若干个网络分片，来分别承载这三类核心业务。

在气田的核心网，通过软件定义网络、多接入边缘计算(multi-access edge computing，MEC)、网络功能虚拟化等关键技术，将边缘计算节点及用户平面功能部署在边缘网络机房，实现具有本地计算并能减少网络资源负担的能力，在气田内识别的各种数据，可实现本地分流和远端流量的并行操作，提供更智能化、灵活化的移动性管理能力。

2 气田三大应用

除去网络峰值速率外，5G通信技术的关键性能还包括实际体验速率、连接数密度、端到端时延、流量密度等[2]，在天然气田生产场站，通过5G网络的搭建，可加速推进气田生产的传统化向网络信息化、智能化转变。利用5G通信技术以及部署在气田周围的各类传感器、智慧机器人、高清视频以及无人机云上辅助等，对天然气田安全生产进行更为明确化、精准化的监控和预测，以实现对气田生产场站大门、加热炉、泵室、罐区等的自动化作业和远程设备监控，提升气田生产有序管理水平，降低风险成本。

2.1 5G智慧巡检机器人

采用人工智能算法开展气田巡检机器人的研究工作，将攻破多项关键技术，将气田内突发故障响应时间大幅缩短，实现5G智慧巡检机器人的全天无人值守，提升我国在5G通信技术下的气田管理与维护的技术水平。文章将搭建的基于5G网络的气田智慧巡检机器人，通过远程访问智能的监控预测平台，有助于气田管理人员直接通过巡检机器人观测到气田大部分生产运行状态，降低人员调度成本，提升气田监测有效性，同时将智慧巡检机器人与气田传感器监控系统相结合，能更加直观有效地为气田运维人员提供精确定位的信息，提升任务调度效率，达到对突发故障监测、告警和有序调度新高度。

通过5G机器人站内巡检及辅助排险，可大幅降低人员调动成本，进一步实现气田远程监管与操控，在气田生产过程中，5G智慧巡检机器人助力气田生产及突发抢险过程中的任务有序调度，通过对气田周围实时采集的数据进行分析，及时做出决策，从而保障气田生产安全。

气田采用的AGV 5G智慧机器人，将四个业务通过搭建的5G网络回传到主控中心，包括B&R导航PLC(核心控制)、IFM单机电控PLC(维护级应用)、HMI单机故障屏(维护级应用)以及AGV远程唤醒(辅助控制应用)[3]。5G智慧巡检机器人利用基站、卫星定位和机械控制等技术，能够按照主控中心任务下达后的巡检路线，自动作业，其精度可达厘米级，适用于气田内部大部分作业场景。

5G智慧巡检机器人搭载的机载全景摄像头可实时调看气田当前生产信息和现场数据采集情况，通过数据分析，提供及时预警和停止当前作业等操作，利用5G通信技术三大特性之一的超低时延与高可靠性，智慧巡检机器人的网络延迟可下探到单项空口时延在1ms，可靠性接近100%，为实现巡检机器人系统的正常运行提供了可靠保障[4]，按照5G网络结合时延敏感网络的预期为一到两毫秒的端到端延时，信号双向传输时间间隔可控制在50 ms以内。结合SDN软件定义网络，为5G智慧巡检机器人作业提供高精度服务质量，在任务调度过程中，保障主控中心为机器人下达的各项任务能够有效进行。

通过5G网络的大带宽以及低时延特性，结合智慧巡检机器人搭载的各类传感器，能成功监测多种突发情况，可在靠近险情发生点，将当前拍摄的高清视频回传至主控中心，结合现场数据分析，及时判断险情发生原因，管理人员及时进行排险作业；同时利用机器人搭载的机械臂，可在人员无法靠近的情况下对气田阀门进行关闭操作，或将火源扑灭。智慧巡检机器人的辅助排险能够极大的减少排险过程中的人员调度，有效提升安全救险效率。

2.2 5G高清视频监控

无人值守的5G气田生产场的高清视频监控及回传系统，如图2所示。包括变电站现场视频摄像头、视频处理服务器、红外成像仪、温度传感器、避雷器在线监测、气体微水密度在线监测、空气质量传感器、保护信息远传及辅助设备远方开启，及数据库服务器和WEB服务器组成，系统各部分之间通过MIS网连接在—起，各系统通过智能巡检软件，将视频与各类传感器等相关电路组成一体化的气田监控系统。本设计有益的效果是使值班员在监控设备外观的同时，该设备的在线监测数据、保护信息及设备正常运行状态下的图片可同时自动跟踪显示。

图2 高清视频监控及回传系统

搭建的5G通信网络接入气田生产场站内高清视频监控，达到预期中气田作业时产生的信息采集、数据分析、灵活控制和可视化服务的全新方式，以获得安全生产和生产效益最佳化。

根据实时视频监控，对站场大门、阀组间、加热炉、泵房、罐区等重点区域进行监控，同时将气田生产过程中产生的如：数据安全、实时气体密度、PM2.5等实时数据，传入中心服务器，结合气田模型进行分析，准确地控制气田各种传感器设备进行远程监控，并通过广域网、后台屏幕等方式，显示当前5G高清监控系统所获取的可视化安全数据、报警信息、控制状态等，从而实现气田生产的实时监测。

5G智慧视频监控及回传系统功能主要分为监控采集模块、数据存储模块、图像处理模块、信息传输等功能模块。如图3所示。其中，视频采集可利用5G通信网络的空口进行高速回传，实时传输信息加工后的结果；监控采集的图像信息以边缘服务器为核心搭建的对视频或者图片中的监测对象进行识别，生成的结果结合气田种的各类传感器，可以直接反馈给监控终端，同时传入系统数据存储模块；FTP存储服务器和SMTP服务器主要实现与气田5G系统的对接及对应的流媒体数据存储。

图3 智能视频监控系统总体结构示例图

对监控系统进行管理，一方面监控终端可以同时查看及回看历史监控画面，另外可以对视频监控中的目标监测对象进行标注，并传入相关模型，实现对摄像头信息采集进行智能控制。

2.3 5G云上监测

将5G通信网络技术与云上网络辅助的结合，实现控制气田生产，构建气田生产场站的虚拟数字孪生空间，打造全新云上模拟控制体验。

2.3.1 AR技术

AR增强现实利用5G通信网络的高带宽低时延两大特性，可进行气田能源生产作业过程中的辅助控制，实时显示浸入式安全信息、导航操作等智能操控。AR可视化辅助平台采用天然气田信息标注加上全景画面的拼接，达到气田数据的直观化呈现，利用现有资源和管理流程进行应用拓展，有助于管理人员针对气田安全、技术操作流程进行多方适应协同，更加直观的图像与把控，利于形成技术安全的动态管理体系。

AR实时视频技术所需带宽较高，其中4K分辨率360°视频最少需要1 000 Mbps的带宽支持，基于5G网络的大带宽和低时延特性，可以体验到完美的AR视频体验。结合天然气田内的5G智慧高清监控系统以及机器人站内巡检所采集的数据，传入后台后对各类数据进行处理，形成高质量的AR实时视频数据，更新模型后再推送至AR设备。

2.3.2 无人机巡检

气田5G无人机巡检系统的搭建，需要具备路线规划、图像识别、视频实时传输、及数据存储等四大功能模块。系统利用5G网络的超低延迟，支持高清画面实时传输，作业任务与实际飞行路线同步记录，气田突发状况预警等主要功能。

在视频数据采集端，通过5G无人机的高清摄像头、各类数据采集传感器，利用 5G网络的超低时延特性回传至后台服务器，基于训练好的气田模型，进行实时、全面的素材分析。在视频播放端，基于多台终端完美适配，开辟全新的空中画面，气田管理员可全局勘测，进一步实现全局资源管控。云上架构示意图，如图4所示。

图4 云上架构示意图

5G无人机巡检系统在气田生产预警中的应用可大致分为两类。

第一类应用，5G巡检无人机在线路勘察过程中，对气田突发状况的处理，包括地质画面和实时视频这类常规的监控，5G巡检无人机可以对同一个区域进行多次不同角度的记录，并对采集到的图像进行数据分析和处理，还原相对准确的气田现场状况，以便气田管理人员对气田突发问题进行快速准确的判断。

第二类应用，5G巡检无人机可以自动对多次巡检结果进行模型评估，作业过程中可提前预测一些特征明显的地质灾害。例如对滑坡体可以提前进行数据标注，利用巡检无人机不同角度采集到的画面来预测其可能的位移变化，方便管理人员及时掌握滑坡体信息；对于极端天气引起的地质变化，巡检无人机的模型也能预测以后同类极端天气可能带来的地质灾害。

2.3.3 巡检内容

(1)视频、图像的便捷采集，快速全面掌握气田信息，为气田生产的安全状态监控提供支持。

(2)搭配检测装置对气田异常抖动勘测，为气田的危险隐患防范提供保障。

(3)气田区域内山体地质灾害勘测，对可能发生地质灾害的区域进行预判，并形成实时影像，为气田安全生产中的地质潜在危险提供保障。

(4)实时勘测故意破坏气田管道及盗采现象，为气田有序生产提供保障。

(5)解决气田管理人员夜间巡查效率低的痛点，保障管理人员安全，为气田夜间勘测提供保障。

(6)对部分常见灾害，如泥石流的运动轨迹进行建模分析，为气田预防提供保障。

(7)将无人机采集到的视频影像，通过5G网络传入后台服务器，通过建立好的模型自动比对历史气田状态，为预警防控提供保障。

3 结语

5G的价值在于赋能千行百业，智慧气田生产领域5G应用需求大幅提升。通过以上项目实施，基于5G通信技术的三大特性，开展气井生产状态、气田生产管理动态等智能分析研究，在气田实现机器人站内巡检、无人值守高清视频监控及回传和无人机智能巡检辅助排险等研究，加强安全生产信息化建设，创新生产现场运行的智能化监督机制，促进基层工作向智能化时代迈进，实现油气生产网络化运行、智能化管理对气田开发生产具有重大意义和实效。