无线网络技术在某油田油气生产物联网中的应用

张辉军?孔峰

摘要：油气产业的数字化、智能化转型是顺应当今环境的必然选擇，也符合我国高质量发展战略的需求，而无线网络技术作为数字化、智能化转型的重要支撑，也将得到广泛的应用和发展。目前，无线网络技术的种类众多，各有优势，且在市场上都有所建树。基于此，本文将从多个角度详细阐述无线网络技术在油田油气生产物联网中的应用，以期能够为相关人员提供一些参考。

关键词：无线网络；油田油气；物联网；应用路径

一、引言

石油和天然气产业作为国民经济的中流砥柱，其发展水平对国民经济的快速发展起着至关重要的作用。技术革新能够有效提升油气产业的营运效率与安全水准，更好地适应未来发展，而无线网络技术为油气产业数字化、智能化转型以及建立物联网体系奠定了坚实的基础。

二、无线网络技术概述

随着无线通信技术的普及，传统网络已无法满足用户的需求，而无线网络则得到了快速发展。虽然目前的无线网络还无法完全脱离有线网络，但是近几年来，无线网络产品已逐步趋于成熟，并以其优良的机动性与便利性，扮演着越来越重要的角色。无线网络是将无线技术和网络技术结合在一起的产物，从专业的观点来看，无线网络是指利用无线通道进行设备间的通信，从而达到移动化、个性化、宽带化的目的。简单来说，无线网络是指不使用网线却能提供以太网路连接功能，其应用前景广阔，市场需求广泛，技术可行，推动了无线通信技术的进一步完善与产业化，从而使无线网络进入快速发展的黄金时代。无线技术是一种灵活、可移动的技术。在有线网络中，网络装置的放置位置是由网络位置所决定，而无线网络则能在无线信息范围内的任意地点存取网络。首先，无线网络的一大优势是它的移动性，可以让使用者在与无线网络相连的同时移动且易于安装。无线网络可以省去或尽量减少网络布线的工作量，通常只需在一个或更多的接入点上设置一个或多个接入点，就能形成覆盖全域的局域网，并且容易进行网络的规划与调节。其次，对有线网络而言，办公室位置或网络拓扑的变化都会导致网络重建，并且再配线是一项昂贵、耗时、浪费和琐碎的工作，而无线局域网能有效防止或减少上述问题的发生。最后，无线网络易于进行故障的定位。如果有线网络发生了物理故障，特别是因线路连接不佳而导致的网络故障，通常难以发现，维修费用也较高，而无线网络很容易找到故障原因，只要将故障的设备替换掉，就能重新建立网络。而且，无线网络的组态方法多种多样，可扩展性很强，可以迅速地从少数使用者的小型局域网发展成数以千计的庞大网络，并在有线网络中提供无法实施的特征，如“结点之间漫游”。由于无线网络具有许多优势，近年来，已经被广泛地应用于企业、医院、商店、工厂、学校等领域。

三、无线传输网络在油气行业的应用意义

目前，我国石油和天然气工业采用无线网络技术，必须综合考虑多种因素，增强其应用能力，以适应社会和经济发展的需要。从目前石油天然气产业的发展情况来看，采用无线网络技术可以在以下三个方面取得很好的效果。第一，提高安全水平。安全是石油企业的生命线，也是石油企业正常生产的最大保证，而运用无线网络技术可以从三个方面提高石油天然气产业的安全生产水平。一是有效地解决了有线传送不能解决的安全问题，以减少人身伤亡的可能；二是无需布线，可防止发生电火花和其他事故；三是便于搭建移动工作站和人员定位，可以在人员遭遇危险的时候，对其进行快速地定位和处置。第二，提升链路可靠性及生产效率。通过对有线传输链路的预防性备份，可以防止在传输失败时产生不良后果，有效避免发生各种安全事故，提高生产的效率，并且采用无线网络技术简单方便，还能够节约大量的安装及操作费用。

四、无线传输网络应用中存在的问题

在石油和天然气的勘探和开发中，传统的无线技术主要用于通信、无人监测等方面，传统的无线数据传送装置防爆性能和抗干扰性能有待进一步提高。由于钻井和采油现场的情况复杂，以及电缆传输具有约束性，所以在今后的发展中，无线数据的应用将会更加广泛。在无线通信中，不同技术之间的互补性越来越明显，例如无线局域网可以解决中距离的高速数据访问，而5G则可以满足大范围的无缝覆盖和强大的漫游需求。当前，无线通信网络面临着三大问题。第一，传输体系结构不健全。目前的蜂窝通信系统主要依赖于集中式的控制与管理，而新一代移动通信系统的标准将会朝着暂时性的方向发展，比如，直接模式HIPERLAN/2和邻近的终端直接通讯、蓝牙技术、IEEE802.11中的Ad Hoc方式、IEEE802.16中的Ad Hoc（MANET）、IEEE802.15的PAN（PAN）。第二，网络带宽不能满足用户的需要。电磁波承载的信息量与接收的能量大小有关，且与带宽成比例，而大部分信息传送都是采用比较窄的波段（也就是? f/f<<1），频谱利用频率的合理程度与传输的能量有关，随着频段的增加，可以传送更多的带宽，但是距离更短。因此，相关人员在网络容量、延时需求、网络链接（覆盖面）、电力预算等方面应进行适当地权衡。第三，操作安全性存在问题。无线传输网络的安全性需求主要包含四个方面：保密性、身份认证、数据完整性、服务不可否认性。在无线通信网络中，保密是保护信息的重要手段，无线通信网络的保密服务主要包括：话音和资料保密性、用户身份和位置保密性、用户和网络之间的保密性。

五、无线网络技术在某油田油气生产物联网中的应用策略

（一）无线网络架构

由于我国石油和天然气的分布非常广泛，要将无线技术用于物联网，必须先建立一个无线网络体系结构，可以把整个电网分成3个层次：第一层是中心网，即全国范围内的石油和天然气生产的物联网；第二层是省际企业网；第三层是城市企业网。第二层和第三层的网络在第一层的基础上进行互联，从而实现在物联网中进行信息的无线传输。

（二）无线组网设计

在石油、天然气生产的物联网中，针对石油、天然气生产的地理、环境特点，进行无线组网的设计，构建一个数字化的网络系统，使相关人员能实时了解石油生产的实际状况，并对其进行优化，同时，无线公网、易建网、专用网三种不同的无线组网方式，可以有效构建安全、高速的无线传输网。

（三）无线组网方案

在无线组网中，应根據油气生产的实际需求以及频带特性进行最优设计，确保无线资源的有效管理，达到终端对终端的无线通信。无线网络采用的是网状网络，每个网络都有一个可以自动选择路径的节点，实现自动管理、自动修复、自动组织，而利用WMB可以实现网络骨干和无线异构网络之间的通讯。在体系结构中，网络终端和设备可以共同组成一个用户，并最终形成多个融合的异构网，因此，WMR必须具有多个网络的协同管理和控制能力，使该终端可以在同一时间与一个访问系统相连，从而实现对网络的容量和能量控制。

在无线传输技术的实施中，为了确保在接入网络时不受环境的影响，保证接收到的信息及终端的数据质量，必须要增大网络的容量。又因为无线通信技术对数据的传输速率有很高的要求，所以在物联网中必须要有充足的存储空间，同时，为了保证睡眠技术和收发技术的效率和节约性，也需要对能源进行控制。此外，无线传输技术在物联网中的应用包含了切换和定位的管理，在实际应用中会采用几种转换技术，实现横向和纵向的转换。所谓横向转换，就是通过移动的方式，从一个网络平台转移到另外一个基站；而垂直转换则是指在不同的网络之间进行跨网转换，使不同类型的无线设备能够进行无缝连接。由于异构网络的传输技术、传输速率、某些频率等因素的影响，加上其结构不同，为了实现实时、精确的切换，必须提高定位精度，有以下3个步骤：首先要进行一次扫描，再检测终端，利用未使用的AP以分组的形式传送Beacon，并使用一个性能较好的AP；其次是进行身份验证，在此阶段，用户可以使用AP进行交换完成身份验证，从而确保信息访问的安全；最后在AP上注册，获得AP的原始信息，确保数据的准确传递。

（四）采用NB技术解决方案

1.技术体制

NB技术是一种低功率广域网LPWAN连接技术，具有很小的带宽和使用许可的频段，主要用在智能仪表、路灯、农业等对功率敏感且数据传输速率要求不高的应用场合，用于传输文字信息。NB和LTE的体系结构类似，NB网可以建立在LTE网络上，在LTE的基础上做一些特别的改进，使得NB技术可以适应一些特殊的情况。

2.实际组网方案及结果

本文以西南油气田网络接入和服务系统的科研课题为实例，针对气矿边远、低效井、阀室的信息化建设周期长、成本高的问题，通过对无线物联网技术的调查与对比，可以发现传统3G/4G技术在长距离上具有很高的稳定性，而WIFI、Bluetooth等技术距离又过于短小，ZigBee的通信技术在远程、在物联网方面已经非常成熟，但是在基站方面的功率要求很高，这些通信技术没有一种适合于偏远低效井和阀室的数据采集和传输。而LPWAN技术在电力、物流、智慧城市等方面得到了广泛应用，适用于偏远地区低效井、阀室的信息化建设。该项目在深入分析物联网传输技术、业务需求、技术需求的基础上，确定了系统的整体架构：感知层、数据传输层、网络层和应用层。感应层是指在井下布设的各种传感器，如无线压力、温度等，并利用无线网络技术将资料传送至车站的无线网关，对站点内部的无线网关进行数据处理，再利用网络层的无线通信技术向服务器发送数据。在应用层，可以对数据进行处理、显示、分析和存取，最终达到监测井站数据的目的。

3.特点分析及应用场景建议

NB技术是一种基于物联网的新技术，也是一种低速率的远程物联网技术，主要技术特征有：一是覆盖广泛，采用重复传输和Turbo编码等技术，使其覆盖面积能够提高百倍；二是高的互联密度，与目前的物联网技术相比，NB技术的上升容量得到了极大的提升，一个基站可以连接50000个终端设备；三是低功耗，NB技术支持低功率模式，终端的待机寿命可达到10年；四是信号穿透性强，对比GSM和LTE，NB技术提高了20 dB的增益，增强了信号的穿透性；五是成本低，主要表现在通信模块制作成本低、基站部署成本低、通信成本低。NB技术在低功率和不频繁传输数据的情况下有着巨大的优越性，但是在需要大量数据的情况下，NB技术的优越性就变成了一个缺点。由于NB的每个帧都有一定的长度限制，因此在低功耗、低成本的情况下，并不需要太多的数据延迟，当物联网设备需要存储海量的数据或频繁使用的数据时，NB技术是不适用的。

六、西部某作业区无线网络架构实例研究

（一）采用TD-LTE（4G）网络可在油井密集区域、计量间、处理站等区域进行组网

利用TD-LTE（4G）技术，可以有效地弥补光纤网的缺点，解决沙漠腹地地区难以布线的难题。在TD-LTE4 G网络中，可借助移动沙丘对TD-LTE（4G）网络的影响，在地形比较平坦的地方，选择30米的铁塔作为基站，在沙丘较高的地方，选择55米的铁塔作为基站。该系统的主要装备及配置如下：首先，将中心控制装置eCNS安装在各作业区域的机房内，并与eNodeB的BBU BBU主控传输板LMPT进行通信。为了提高系统的可靠性，eCNS与汇集层交换器之间采用负载分摊或主备用模式。基站eNodeB与核心控制装置之间的FE/GE接口相连，RRU采用光纤连接到 BBU的基带处理板LBBBCPRI接口，并将 RRU连接到该塔架上。其次，网络管理设备、eCNS设备的路径规划，可以满足业务、网络管理和X2通信的需要，同时，需要将eCNS装置安排到每个被管理的eNodeB局点路由中。为了保证网络的安全性，可以对TD-LTE中的独立VPN进行逻辑隔离，相关人员可以按照实际需求来配置eNodeB的传送带宽。

该工程建成后，可以在30米高的铁塔上布设一个10公里的基站，实现现场生产的实时数据和视频图像的传送；利用55米的铁塔来布置12公里的基站，以满足基本的传送要求，但是个别的单井会由于地势低洼导致信号品质不佳。

（二）在相对偏远的单井或TD-LTE（4G）网络中，无线网桥是一种有效的辅助手段

无线网桥技术是当前最受欢迎的宽带局域网技术，具有带宽高、传输速度快、能够进行短程视频传送、没有频率复用、能够大规模组网等特点。无线网桥通常是点对点或点对多点传输，受传输距离和覆盖范围的限制，通常每个中心带网桥都有20个用户站网桥，根据地理条件，现有4对点无线网桥。联合站是4条无线链路的交汇处，为了保证4条无线链路的连接和高带宽的稳定性，在联合站中设置了1套网桥同步。所有设备全部采用POE供电模式，具有体积小、连接方便、传输稳定等特点，基本能满足作业区域石油和天然气生产的物联网要求。按照油田总体规划，该作业区域的无线网络体系结构已基本完成，能够实现对油气井、计量间、处理站等生产数据进行自动采集，生产过程实时监控，生产环境自动监测。对企业的生产管理模式和组织架构进行优化，可以使企业的工作效率得到显著提升，还可以开发实时数据监控和分析系统，实现使用多渠道、多場景的实时数据。该系统有效实现了作业区中控室、区域中心、油田协同中心、总部决策中心等多层次协同工作。

七、结束语

随着我国信息化进程的加快，无线网络技术在国内得到广泛应用与发展，将无线技术用于石油和天然气生产的物联网，可以优化无线传输的方式并重组结构，从而进行体系结构的分析，确保石油和天然气的生产信息能高效、安全、及时地传递。由此可见，无线网络技术在石油和天然气工业的物联网中起着重要作用，因此在实际使用时，相关人员必须要考虑到无线组网的设计、无线网络的体系架构和无线组网的方案，确保无线技术得到有效运用。

作者单位：张辉军 孔峰 数字丝路新疆产业投资集团有限公司

参  考  文  献

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