鄧忠彬 唐明軍 關雙會

(中海油能源發(fā)展股份有限公司油建渤海裝備分公司 天津)

基于COFDM技術的海洋平臺遠程維修系統(tǒng)的設計

鄧忠彬 唐明軍 關雙會

(中海油能源發(fā)展股份有限公司油建渤海裝備分公司 天津)

文章介紹了基于COFDM技術的海洋平臺遠程維修系統(tǒng)的設計原理。海洋平臺遠程維修系統(tǒng)是從實際維修出發(fā),綜合考慮海洋石油行業(yè)特點開發(fā)出的全新的無線高清晰度數字圖像網絡傳輸系統(tǒng)。當海上平臺設備發(fā)生故障時,現場人員能在短時間內架設一套系統(tǒng),并攜帶便攜式音視頻設備到設備現場,將設備情況發(fā)送到網絡,通過網絡實現專家與現場進行遠程視頻和對講,指導現場作業(yè)和設備維修。海洋平臺遠程維修系統(tǒng)的研發(fā)成功為渤海地區(qū)油田海上平臺設備遠程維修提供了較好的范例。

遠程維修;防爆便攜式攝像儀;音視頻接收主機;遠程指揮終端;COFDM

0 引 言

在海洋平臺上,當設備發(fā)生故障時,現場工作人員需要立即找出故障位置,制定維修方案,進行設備搶修。復雜的故障僅靠現場人員往往難以解決,需要有經驗的技術專家趕赴現場進行故障診斷維修,有時還需要多個領域的專家協(xié)同工作。由于井場位置偏僻,特別是海洋平臺,等待專家趕到現場往往費時費力、耽誤生產。

為了滿足海上平臺現場維修的需要,急需研制一套能指導海上設備維修的輔助維修系統(tǒng)用于平臺設備輔助維修。

海洋平臺遠程維修系統(tǒng)就是專門為海上石油平臺設備遠程維修設計的一套無線移動高清數字聲像傳輸系統(tǒng)。能通過網絡實現專家與現場進行遠程視頻和對講,指導現場作業(yè)和設備維修。系統(tǒng)結構簡單,操作方便,采用無線連接,便攜式設計,特別適合海上油田現場遠程維修使用。

海洋平臺遠程維修系統(tǒng)主要由四個部分組成:便攜式防爆攝像儀、無線音視頻發(fā)射主機、音視頻接收主機、遠程專家指揮終端。

1 理論基礎

海上平臺遠程維修系統(tǒng)的核心技術是COFDM調制技術和MPEG2圖像編解碼技術。其中COFDM技術又是核心中的關鍵技術。

1.1 COFDM調制技術基本原理

COFDM(codedorthogonalfrequencydivision multiplexing)即編碼正交頻分復用的簡稱,是一種多載波數字通信發(fā)射技術,是目前世界最先進和最具發(fā)展?jié)摿Φ男盘栒{制技術[1]。

COFDM調制技術(編碼正交頻分復用技術)的基本原理就是將高速數據流通過串并轉換,分配到傳輸速率較低的若干子信道中進行傳輸。編碼是指信道編碼采用編碼率可變的卷積編碼方式,以適應不同重要性數據的保護要求。

COFDM是在無線環(huán)境下的高速傳輸技術。無線信道的頻譜響應曲線大多是非平坦的,而COFDM技術的主要思想就是在頻域內將給定信道分成許多正交子信道,在每個子信道上使用一個子載波進行調制,并且各子載波并行傳輸。這樣,盡管總的信道是非平坦的,具有頻率選擇性,但是每個子信道是相對平坦的,在每個子信道上進行的是窄帶傳輸,信號帶寬小于信道的相應帶寬,因此就可以大大消除信號波形間的干擾。由于在COFDM系統(tǒng)中各個子信道的載波相互正交,它們的頻譜是相互重疊的,這樣不但減小了子載波間的相互干擾,同時又提高了頻譜利用率。

1.2 COFDM技術應用于無線移動圖像傳輸的優(yōu)點

COFDM技術增強了抗頻率選擇性衰落和抗窄帶干擾的能力。在單載波系統(tǒng)中,單個衰落或者干擾可能導致整個鏈路不可用,但在多載波的COFDM系統(tǒng)中,只會有一小部分載波受影響。此外,糾錯碼的使用還可以幫助其恢復一些載波上的信息。通過合理地挑選子載波位置,可以使COFDM的頻譜波形保持平坦,同時保證了各載波之間的正交。因此,COFDM系統(tǒng)具有良好的抗多徑干擾能力.在多載波的OFDM系統(tǒng)中,通過子載波的聯合編碼,達到了子信道間的頻率分集的作用,解決了常規(guī)系統(tǒng)中的多徑干擾問題,由于具有良好的抗多徑干擾能力,可支持非視距傳輸(NLOS),系統(tǒng)可以在城市、海洋平臺等地形復雜的環(huán)境下正常工作[2]。

1.3 基本結構

為了滿足海上設備維修使用要求,我們在遠程維修系統(tǒng)的音視頻編碼和無線傳輸設計上采用了無線數字聲音、圖像傳輸COFDM技術。利用COFDM技術真正實現了高速數據流“有阻擋非通視和高速移動條件下”的寬帶高速傳輸。其基本結構如圖1所示。

圖1 音視頻發(fā)射、接收的基本結構

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 便攜式防爆攝像機設計

便攜式防爆攝像機要滿足海上平臺的使用要求。必須具備可變焦控制功能、現場監(jiān)視功能,具有防爆能力。攝像機和無線傳輸模塊封裝在防爆外殼內,外部具備變焦按鈕便于控制攝像機變焦操作,以便更加仔細地觀察設備情況。技術特點如下:

1)防爆等級:ExdⅡCT4;

2)防護等級:IP68;

3)10倍光學變焦

2.2 音視頻發(fā)射機設計

2.2.1 硬件設計原理

系統(tǒng)硬件采用先進的MPEG-2音視頻編解碼技術和COFDM編碼正交頻分復用技術,加強了抗動態(tài)多徑干擾能力,同時由于采用了UHF頻段,使得系統(tǒng)具有了很好的繞射能力,在海洋平臺上即使有房屋的阻擋,也可以經過繞射,將聲音、圖像傳回到平臺辦公室,通過網絡傳輸到指揮中心。音視頻發(fā)射機硬件設計原理如圖2所示。

2.2.2 技術特點

1)多頻段直接變頻技術:150 MHz～900 MHz;

2)多帶寬COFDM調制技術:8 MHz、4 MHz、2 MHz;

3)多模式視頻壓縮:MPGE4兼容MPEG2;

4)高接收門限電平:靈敏度-103 dBm;

5)高質量視頻質量:無馬賽克,保存最后一幀好圖;支持高速移動傳輸。

圖2 音視頻發(fā)射機硬件設計原理

2.3 音視頻接收主機設計

2.3.1 硬件設計原理

音視頻接收主機由音視頻接收部分和網絡編碼器部分組成。主要完成音視頻接收任務并進行網絡編碼。無線音視頻接收機設計原理如圖3所示。

2.3.2 音視頻接收主機的特點

1)圖像高解析度,352×288(MPEG4),25幀/s;2)圖像語音傳輸所需總帶寬64 kbps～1 200 kbps可調;

圖3 無線音視頻接收機設計原理

3)音頻傳輸可實現平臺與總公司中心控制室語音通訊;

4)可全程錄像,隨時查詢錄像資料;

5)視頻壓縮標準:MPEG-2;

6)視頻速率:25幀/s;

7)接收靈敏度:-106 dBm。

2.3.3 音視頻編解碼設計

海上平臺遠程維修系統(tǒng)音視頻部分以MSP430F149單片機為核心處理器,采用TI公司TMS320DM642專用圖像處理芯片進行音視頻編解碼[3]。

OFDM調制解調過程可用IFFT和FFT來實現,而在傅氏運算方面DSP的優(yōu)勢遠超MCU,故選擇TMS320DM642作為數據泵實現各種算法,并充分利用它提供的硬件資源來實現高性價比的數字PLC通信模塊。

圖像采集單元結構圖如圖4所示,采用PHILIPS公司的第二代實時MPEG-2編碼芯片SAA6752將模擬音視頻信號數字化并以MPEG2格式進行壓縮,以TMS320DM642為核心處理器進行COFDM調制,調制后的數字信號在無線編碼調制后經天線發(fā)射到空中。

圖4 音視頻編碼調制

視頻解碼部分結構如圖5所示。由全向天線接收空中無線信號,經無線編碼解調,數字信號經過TMS320DM642進行COFDM解碼,然后由LSI Logic公司的MPEG-2單片AV解碼器L64021將壓縮的MPEG2音視頻流變換成模擬信號,由視頻輸出和音頻輸出口輸出高清晰音視頻。

圖5 音視頻解調與解碼

3 軟件設計

3.1 指揮終端軟件設計要求

遠程指揮終端是遠在陸地的與平臺能聯網的監(jiān)控計算機。打開瀏覽器,輸入多功能接收機的IP地址,等待下載安裝控件后,即可進入登錄窗口。在瀏覽器中出現的登錄窗口輸入合法的用戶名、密碼,即可進入遠程指揮終端軟件界面。

3.2 軟件平臺具備功能

1)具備WEB SERVER功能,可通過瀏覽器訪問。2)支持語音雙向對講。

3)支持多區(qū)域移動偵測。

4)支持TCP/IP協(xié)議。

5)可通過網絡設置參數、實時瀏覽任何一路或多路的視頻和音頻信號。

6)可通過網絡實時記錄壓縮碼流。

3.3 軟件傳輸模塊實現

軟件傳輸模塊由三個部分組成:1)DSP的主體控制程序設計包括TCM編譯碼程序編寫等;2)RS編譯碼的IP核實現;3)CPLD的控制程序編寫。而整個系統(tǒng)的實現關鍵是DSP程序的編寫。因為除了RS編碼以外,幾乎其他所有的算法都是在DSP內部實現的。因此,結合DSP本身的性能,周密計劃代碼的執(zhí)行效率和執(zhí)行時間,將直接關系到系統(tǒng)是否穩(wěn)定以及是否可以實現。

在集成開發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio)下,選擇了C語言和匯編語言的混合編程模式。一般的判斷、控制程序方向的部分用C編寫,而把計算量很大的算法實現,用匯編語言做成函數,在需要執(zhí)行時,用C語言去調用完成。這樣處理的好處是計算量大的算法部分可以做到免維護,需要維護的部分都是用C語言完成的。傳輸調制部分的程序流程如圖6所示。

圖6 傳輸調制部分軟件流程圖

4 結束語

海洋平臺遠程視頻輔助維修系統(tǒng)現已投入現場使用。實際使用效果非常好。通過遠程視頻和對講專家能實時參與和指導設備維修,節(jié)約了大量的人力和物力。該系統(tǒng)的研制成功,標志著中海油海洋平臺的設備維修工作從簡單的現場維修正向遠程維修服務過渡。為今后海上設備維修建立了新的維保模式。

[1] Zou William,Wu Yiyan.COFDM:an overview[J].IEEE Transaction on Broadcasting,1995,41(1)

[2] 姜 昊,凌志浩.基于音/視頻信息的無線通信裝置設計與實現[A].上海市化學化工學會2006年度學術年會論文摘要集[C].2006

[3] 鄭仁富,劉 杰,黃碧麗.基于DM642的SAA7113H視頻采集模塊的設計[J].微計算機信息,2009,43(2)

PI,2011,25(1):57～59

This article introduces the design principle of the offshore platform remote supporting maintenance system based on COFDM.Staring from the actual maintenance,and based on the characteristics of the marine petroleum industry the new wireless and high-resolution digital image transmission network system is developed.When the equipment of the offshore platform breaks downs,the field staff can set up the system in a short time,and bring the portable audio and video equipment to the working site.The situation will be sent to the network device.Through the network for live remote video and intercom,experts are able to guide the field operations and equipment maintenance.The offshore platform remote video supporting maintenance system for the Bohai oilfield,provides a very good example for the remote maintenance.

Key words:remote maintenance,the portable explosion camera,audio and video receiving host,remote Command Terminal,COFDM

Design of offshore platform remote maintenance system based on COFDM.

Deng Zhongbin,Tang Mingjun and Guan Shuanghui.

TE5

B

1004-9134(2011)01-0057-03

鄧忠彬,男,1968年生,中海油能源發(fā)展油建渤海裝備分公司儀表首席工程師,1989年畢業(yè)于河北承德石油高等技術?？茖W校計算機及應用專業(yè),現從事海洋鉆修機設備的設計及管理工作。郵編:300452

2010-08-28編輯:高紅霞)