無線異構網在油氣生產物聯網的應用

Applicationof Wireless Heterogeneous Networks

inIOT of Oil and Gas Production

鄧若虹¹，趙世睿²，薛廣民³，王慶偉⁴

（1、3南方石油勘探開發有限責任公司，海南海口　570216

 2北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，北京　102206

    4大慶油田信息技術公司北京分公司，北京   100040）

摘要：油氣生產物聯網（A11）系統是《中國石油“十二五”信息技術總體規劃》的重要建設項目，分為三個子系統：生產數據采集與控制子系統、數據傳輸子系統、現場監控與管理子系統。本文主要介紹一種由無線網橋+LTE230無線異構網絡構建的數據傳輸子系統應用方案，該方案既利用了230MHz頻段LTE系統的信號傳播距離遠，穩定性高、繞射能力強和廣覆蓋的特點，同時發揮了網橋點到點通信靈活、低成本和高傳輸速率的優勢，可以完全滿足福山油田油氣生產物聯網對生產數據、控制數據和視頻圖像實時傳輸的需求。

關鍵詞： 無線傳輸  異構網絡 油氣生產物聯網系統

Abstract: IOT of Oil andGas Production (A11) system is a major construction project in China Petroleum "Twelve Five" IToverall plan, the system consists of three parts: production dataacquisition and control subsystem, the data transmission subsystem, on-sitemonitoring and management subsystem. This paper describes a wireless bridge +LTE230 wireless heterogeneous network solution, the solution has both the characteristicsof 230MHz band LTE system: long distance of signal propagation, high stability,and strong and wide coverage of diffraction, and advantages of wireless bridge:point to point communication flexibility, low cost and high transmission rate.The solution is able to meet the demand of real time transmission of productiondata, control data and video images in Fushan IOT of Oil and Gas Production.

Key words: Wireless transmission; Heterogeneous networks; IOT of oil and gas production system

1引言

近年來，隨著物聯網技術的不斷應用，國內油公司加快了油氣生產物聯網的建設。中國石油油氣生產物聯網（A11）系統是《中國石油“十二五”信息技術總體規劃》的重要建設項目，通過建立覆蓋油氣井區、計量間、集輸站、聯合站、處理廠規范、統一的數據管理平臺，實現生產數據自動采集、遠程監控、生產預警，支持油氣生產過程管理，進一步提高油氣田生產決策的及時性和準確性。目前，中國石油油氣生產物聯網項目已率先在中石油的油氣田進行了試點示范建設。

油氣生產物聯網系統按照物聯網的體系架構分為三部分，即數據采集與控制子系統、數據傳輸子系統、生產現場監控與管理子系統^[１]。數據傳輸子系統作為油氣生產物聯網中的重要組成部分，主要是利用數據通信技術，實現生產數據、控制數據和視頻圖像的實時傳輸，為生產數據自動采集、遠程監控、生產預警，生產過程管理等應用提供一個穩定、可靠、安全、高效的數據傳輸平臺。

在網絡傳輸方面，主要采用有線和無線方式，根據地理特征、場站分布、傳輸效率、成本控制、維護管理等諸多因素，油氣生產物聯網的前端數據傳輸網絡通常采用無線傳輸技術，所部署無線網絡系統有以下特點：

(1)場站分布不均衡，點對點距離遠近不一，要求無線網絡系統支持長距離傳輸，網絡覆蓋面積廣；

(2)現場數據采集、監控數據項繁雜、數據流量大，要求無線網絡系統傳輸效率高，冗余處理能力強；

(3)氣候條件多變、自然環境惡劣,要求無線網絡系統設備質量可靠、性能穩定、自愈能力強、維護率低；

(4)安裝、調試、維護數量龐大，要求無線網絡系統設備價格適中、可控成本。

目前常用的無線數據傳輸方式有GPRS/3G、數傳電臺，LTE1800、LTE230，McWill和無線網橋等，它們在工作頻段、傳輸速率、覆蓋范圍、擴容性及建設運行成本等方面各有優劣勢。近兩年來，隨著4G無線傳輸技術的不斷發展成熟，物聯網建設中LTE1800和LTE230等4G新技術的應用也越來越廣泛。各油田物聯網的數據傳輸子系統的建設可從實際出發，選擇一種或多種無線傳輸方式的組合，以滿足實際生產的需求。

本文主要以福山油田油氣生產物聯網為實例，介紹一種無線網橋+LTE230無線異構網絡的應用方案。

2數據傳輸網絡選型

2.1 無線數據傳輸技術對比分析

在油氣生產中常用的無線數據傳輸方式有數傳電臺、GPRS/3G、LTE1800、LTE230，McWill和無線網橋等。下面主要簡介無線網橋及LTE230技術，并對目前常用的GPRS/3G 、LTE1800、LTE230及網橋的性能進行簡要對比分析。

無線網橋就是無線網絡的橋接，它可在兩個或多個網絡之間搭起通信的橋梁（無線網橋亦是無線AP的一種分支）。無線網橋除了具備有線網橋的基本特點之外，無線網橋工作在2.4G或5.8G頻段免申請無線執照，因而更方便部署。無線網橋傳輸標準常采用802.11a 、802.11b、802.11g、802.11n標準，802.11n是無線網橋新一代的高帶寬傳輸標準，具備300Mbps高速率以及MIMO天線技術，使得無線網橋性能提升到一個新的高度。無線網橋可以廣泛應用在不同數據傳輸點間的互聯，有四種工作方式：無線覆蓋、點對點，點對多點，中繼連接。特別適用于近距離、遠距離點到點以及點到多點通訊。在物聯網應用中，無線網橋通常是安裝于室外，主要用于連接兩個（點對點PTP連接）或者多個網絡節點（點對多點PTMP連接，類似于無線AP的方式）。無線網橋傳輸具有帶寬高，抗干擾能力強的優勢。

LTE230系統是針對行業物聯網應用的無線通信需求，基于OFDM、自適應編碼調制、自適應重傳等4G核心技術，使用各行業在230MHz頻段已有離散頻譜資源，創新研發、為行業客戶深度定制的無線寬帶通信系統。LTE230具有覆蓋廣、容量大、頻譜效率高、頻譜適應性強、安全性高、可靠性好、部署擴展平滑等特點。針對行業數據采集業務終端分布范圍廣且分散的特點，采用廣覆蓋基站可大幅度減少同等面積的部署成本。LTE230系統工作在230MHz頻段，針對230MHz頻段，國家無線電管理委員會發布的《關于印發民用超短波遙測、遙控、數據傳輸業務頻段規劃的通知》^[2]（國無管[1991]5號）中規定，能源行業擁有專用的授權頻點，由于在油氣生產物聯網中有頻率使用政策上的天然優勢，結合4G LTE先進技術及廣覆蓋優勢，LTE230具有良好的應用價值。

表1 幾種常用無線數據傳輸方式性能比對表

通過對目前常用的GPRS/3G 、LTE1800、LTE230和網橋傳輸方式的綜合對比（參見表1），可總結如下：

(1)無線傳輸的覆蓋范圍很大程度上取決于無線電波的工作頻段，低頻段無線電波較高頻段無線信號的空間傳播衰落慢，傳播距離遠；在存在遮擋和阻隔的傳輸條件下，低頻段能夠更好的繞過遮擋障礙。

(2)復雜地形的適應性決定了無線傳輸系統能否全面滿足目標覆蓋區域的數據傳輸要求。對于傳輸地點分散的情況，要實現全覆蓋數據傳輸要求，高頻無線系統的基站建設數量就要加大，建設成本會因此而增加。

(3)公網的初期建設成本低，但是專線租用費或終端數據流量資費都較高；專網方式初期建設成本高，但運行成本低，在覆蓋區域內新增傳輸數據點，只需增加的終端設備費用，因此專網更具有優勢。

(4)在業務承載能力方面，無線網橋及LTE1800工作頻率較高，具有較強的數據傳輸能力，可傳輸實時生產和視頻監控數據；網橋還可以傳輸高清視頻信號。而LTE230使用低頻，傳輸速率受到限制，只能承載數據傳輸或者圖片數據的傳輸，不能傳輸視頻數據。

2.2 無線數據傳輸網絡選型

福山油田位于海南省西北部澄邁縣境內，澄邁多屬平原臺地，地勢南高北低，南部為丘陵山地，中部為河積平原，北部為臺地和海積平原。由于福山油田地形地貌有一定起伏變化，加之當地樹高且茂密，對無線信號的傳播造成了遮擋，部分區域由于地形遮擋形成了信號空洞，采取傳統的技術手段不能很好的實現建設的預期效果。該區域林衰嚴重，平均路損為平原開闊地區的一倍以上，空氣濕度大，無線信號的衰減比較嚴重，地面無線傳播在一兩公里內急劇衰減，從站點選擇上，很難找到理想的直視傳播路徑。

福山油田油氣生產物聯網在無線傳輸系統設計階段，進行了無線信號傳播實地勘測和仿真。所測結果表明：以生產監控中心基站為基點，LTE230無線信號東向覆蓋約為7-8公里，其他方向覆蓋約為10-15公里，無線網橋信號覆蓋范圍約為3-5公里。

LTE230具有復雜地形的適應性強及綜合成本低等優勢；按照油田總的井數及單個井場數據傳輸量計算，LTE230的傳輸能力能滿足實時生產數據及部分圖片數據的傳輸需求。網橋的優點是數據傳輸頻帶寬、傳輸速率快，能夠滿足生產數據、圖片及視頻數據的需求。故采用無線網橋與LTE230蜂窩覆蓋相結合組成異構網，整體上既能全面覆蓋，最大限度降低復雜地形地貌對無線傳播造成的不利影響，同時基礎建設規模能夠受控，降低初期建設成本。

綜上所述，綜合考慮福山油田規模小井數不多以及數據傳輸環境的實際情況，本文選擇無線網橋+LTE230無線異構網絡的無線數據傳輸應用方案。

2.3 數據傳輸量估算

福山油田油氣生產物聯網傳輸的數據主要有三類，一類是實時生產和控制數據，如油氣水井、計量間、站庫的油壓、套壓、溫度、功圖、電參等實時采集的生產，第二類是控制數據；第三類是用于監控管理的實時視頻圖像或圖片、語音數據。

（1）實時生產數據傳輸估算

實際勘察福山油田單個井場的機采井、注水井或自噴井數量通常不超過10個，井場及單井實時生產數據量見表2：

表2 井場及單井采集數據計算表

計算參考：1 Byte = 8 Bits ；1 KB = 1024 Bytes ；1 MB = 1024 KB ；164500Bits=164500/1024Kbit=160.644Kb；假設采用10秒刷新一次數據的頻率，單個井場生產數據傳輸帶寬要求約為：160.644Kb/10s=16 Kbps，即單個井場的要求數據傳輸速率不得低于16Kbps。

（2）實時視頻及圖片數據估算

福山油田井、站場采用200萬高清視頻監控設備，根據實際帶寬可選擇主、輔碼流進行視頻傳輸，具體參數見表3：

表3 200萬像素云臺攝像機相關參數表

一臺高清攝像機視頻數據傳輸帶寬要求為4096Kbps/1024，即為4Mbps。

根據攝像機每張高清圖片壓縮后為100KB，按照150KB估算,采集周期為1分鐘，則每個井場進行圖片采集的數據流量要求為：150K*8/60，即為20Kbps。

通過分析可以得出，無線網橋+LTE230無線異構網絡可以滿足福山油田的數據流量需求。

3無線異構網絡應用方案

根據上面的分析得出，無線數據傳輸方式更適用于海南福山油田，在無線組網方式中，采用無線網橋+LTE230雙網異構的方式既能滿足數據傳輸頻帶寬、傳輸速率的需求，也能實現全面覆蓋，最大限度降低復雜地形地貌對無線傳播造成的不利影響。通過對數據流量的估算可得出，無線網橋+LTE230雙網異構的組網方式能滿足對帶寬的要求，因此本文選擇無線網橋+LTE230雙網異構的應用方案。

無線網橋+LTE230雙網異構的應用方案具體部署如下：整個無線傳輸網的架構以網橋寬帶為主，LTE230窄帶為輔；無線網橋對重點井以“點”覆蓋， LTE230以“面”覆蓋；同時兼顧中心站點附近或地勢平坦遮擋物少的井場，采用無線網橋傳輸方式，距中心站點遠或遮擋物密集的井場，則采用LTE230傳輸方式的原則。無線網橋選用奧維通設備，LTE230系統選用普天公司設備，福山油田油氣生產物聯網無線異構網絡架構見圖1。

無線網橋傳輸系統由中心基站、匯聚點和遠程終端三部分組成，在地勢較高的井場設立匯聚點通信鐵塔，塔上部署奧維通54Mbps點對多點無線中心網橋，用于接收匯聚點周圍可視范圍內井場實時生產視頻數據；匯聚點通信塔與中心基站通信塔各部署奧維通350Mbps點對點無線網橋設備，用于基站之間骨干網絡傳輸。

LTE230網絡主要由核心網、基站及CPE無線終端組成。井場使用普天CPE202無線終端設備；基站設備(eNodeB)部署在匯聚點通信塔，它匯集周邊8—12公里范圍內井場傳送來的生產數據及視頻圖片數據，并進行數據的回傳；核心網（EPC）部署在生產管理中心附近的中心基站，LTE230基站與核心網之間的通信共用奧維通350Mbps點對點無線網橋骨干網絡。

生產數據傳輸：井站采用國內主流無線RTU控制器，控制器支持雙IP鏈路。在有無線網橋和LTE230雙網組合的井場，奧維通終端無線網橋將數據傳送至匯聚點中心網橋。當無線網橋出現傳輸故障時，普天LTE230無線終端自動接管數據傳輸，并將數據上傳至匯聚點的LTE230基站，經匯聚點的350Mbps點對點網橋骨干網將井站生產數據上傳至油氣生產監控中心。在僅安裝LTE230無線終端通信的井場，LTE230無線終端將數據上傳至匯聚點LTE230基站，由350Mbps點對點網橋設備將數據上傳至油氣生產監控中心。

視頻數據傳輸：在無線網橋和LTE230雙網組合的井場，實時視頻數據通過奧維通終端無線網橋上傳至匯聚點中心網橋，然后由點對點網橋骨干網上傳至生產監控中心。在僅有LTE230無線終端通信的井場，視頻圖片直接通過LTE230無線終端上傳至匯聚點LTE230基站，由350Mbps點對點網橋骨干網將各井站視頻圖片上傳至油氣生產監控中心。

本無線異構網采用兩級網關的方式，無線網橋的網關設置在中心側， LTE230系統的網關設置在終端側。在工作狀態，LTE230系統能夠智能識別出廣播數據無中心網關響應的情況，一旦中心網關無響應，則立即進行網關接管并切換數據傳輸網絡，由LTE230系統來傳輸數據。

圖1 福山油田油氣生產物聯網無線異構網絡架構圖

4 結束語

本方案中由LTE230系統和無線網橋技術組建的無線異構網，既利用了230MHz頻段LTE系統的信號傳播距離遠，穩定性高、繞射能力強和廣覆蓋的特點，同時發揮了網橋點到點通信靈活、低成本和高傳輸速率的優勢，雙網異構又進一步保障了生產數據傳輸的實時性。無線網橋+LTE230無線異構網在實際應用中運行穩定、可靠、安全、高效，完全可以滿足福山油田油氣生產物聯網對生產數據、控制數據和視頻圖像實時傳輸的需求。

福山油田油氣生產物聯網項目的成功實施，不僅實現了生產操作的自動化、生產管理的流程優化，而且優化了勞動組織結構，提高了工作效率，達到“節人、節能、節約運行成本”的目的，為實現數字化智能化油田奠定了良好的基礎。

參考文獻

［1］《中國石油油氣生產物聯網系統建設規范》[R]，2013

［2］關于印發民用超短波遙測、遙控、數據傳輸業務頻段規劃的通知[R]，國家無線電管理委員會，1991

［3］新型230MHz無線寬帶通信系統技術白皮書[R]，普天信息技術研究院有限公司，2010

作者簡介：鄧若虹，南方石油勘探開發有限責任公司綜合辦公室副主任，高級工程師，主要從事信息技術應用及管理工作，地址：海南省海口市龍華區金濂路16號，郵政編碼：570216，電話：0898—66820428，E-mail：dengruohong@cnpc.com.cn。