萬(wàn)青霖

(中海油信息科技有限公司北京分公司， 北京 100027)

海洋石油平臺(tái)多種通信方式的應(yīng)用概述

萬(wàn)青霖

(中海油信息科技有限公司北京分公司， 北京 100027)

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外各種通信技術(shù)和通信手段發(fā)展迅速，通信方式的理論研究也日趨完善，應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用范圍逐漸增多。為了適應(yīng)中國(guó)海洋石油工業(yè)發(fā)展的新形式，引進(jìn)并應(yīng)用世界先進(jìn)的通信技術(shù)和通信設(shè)施勢(shì)在必行。結(jié)合海上油氣田開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)中的實(shí)際情況，以海上平臺(tái)多種通信方式的應(yīng)用研究為重點(diǎn)，分析闡述了海上平臺(tái)主要使用的通信方式和通信設(shè)施，以及各自在信息傳輸方面的特點(diǎn)，提出了幾種常用通信方式在海洋石油工業(yè)的適用范圍，為海洋工程同行業(yè)選擇安全、可靠、合理、經(jīng)濟(jì)的通信方式提供參考。

石油平臺(tái)；通信技術(shù)；應(yīng)用分析；水聲通信

0 引言

隨著中國(guó)海洋石油工業(yè)的迅速發(fā)展，建設(shè)“海洋強(qiáng)國(guó)”、保障國(guó)家能源安全、供應(yīng)油氣資源成為中國(guó)海油義不容辭的責(zé)任和使命?！笆濉逼陂g，中國(guó)海油累計(jì)生產(chǎn)原油約3.1億噸，天然氣1 015億立方米，從北向南建立了渤海油田、東海油田、南海東部油田和南海西部油田四大油氣生產(chǎn)基地，在海上建成了81座油氣田，上百座海洋石油生產(chǎn)平臺(tái)。為了確保海上各種勘探、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、管理和安全等活動(dòng)的順利實(shí)施，保證應(yīng)用于海洋石油工業(yè)的各種技術(shù)、裝置正常運(yùn)行，必須依靠先進(jìn)的通信技術(shù)、合理的通信方式作保障。該文將系統(tǒng)闡述微波擴(kuò)頻通信、光纖通信和衛(wèi)星通信在海洋石油平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用情況，分析說(shuō)明上述三種通信方式在海上平臺(tái)應(yīng)用的特征優(yōu)勢(shì)及適用范圍，同時(shí)也對(duì)水聲通信在未來(lái)海洋石油工業(yè)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了理論分析[1～3]。

1 微波擴(kuò)頻通信

微波擴(kuò)頻通信是一種通過(guò)放大傳輸信息的射頻信號(hào), 利用偽隨機(jī)噪聲碼(PN碼)對(duì)原信號(hào)碼進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制的通訊方式。在海上平臺(tái)通信系統(tǒng)建設(shè)中，微波擴(kuò)頻通信主要應(yīng)用于海上油田內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)，作為中心平臺(tái)與其生產(chǎn)平臺(tái)之間語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖像的傳輸通道。微波擴(kuò)頻通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在油田群的中心平臺(tái)設(shè)置中心站，在油田群生產(chǎn)平臺(tái)設(shè)置外圍站，每端站點(diǎn)由語(yǔ)音模塊、數(shù)字模塊、復(fù)用器、信道機(jī)和外置天線組成[4]。

圖1為中國(guó)海油文昌油田內(nèi)部通信系統(tǒng)，文昌13-1/13-2油田包括兩個(gè)井口生產(chǎn)平臺(tái)和一個(gè)中心平臺(tái)FPSO生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置, FPSO與兩生產(chǎn)平臺(tái)的距離分別為2 km和5 km。在油田通信系統(tǒng)中，生產(chǎn)平臺(tái)將微波擴(kuò)頻通信作為與FPSO之間話音、數(shù)據(jù)的傳輸通道，再以FPSO作為中轉(zhuǎn)站，建立到陸地岸臺(tái)的話音通信。整個(gè)油田通信系統(tǒng)的鏈路采用雙套設(shè)備同時(shí)工作的方式，一個(gè)復(fù)用器接兩臺(tái)信道機(jī)，并能自動(dòng)判斷選擇信道較好的一臺(tái)鏈路作為主鏈路進(jìn)行通信，當(dāng)鏈路發(fā)生變化時(shí)能馬上切換到另外一臺(tái)鏈路進(jìn)行通信，不會(huì)出現(xiàn)中斷的情況。生產(chǎn)平臺(tái)上的擴(kuò)頻天線選用定向天線，F(xiàn)PSO上的天線為全向天線，并且船頭船尾各放兩套信道機(jī)，以保證信號(hào)收發(fā)質(zhì)量[5]。

圖1 文昌油田微波擴(kuò)頻通信示意圖

信息傳輸時(shí)，先將信號(hào)利用微波擴(kuò)頻通信技術(shù)，使其帶寬擴(kuò)展至數(shù)兆寬的頻帶上，然后將信號(hào)調(diào)制到空間傳輸?shù)妮d頻上進(jìn)行發(fā)送。在經(jīng)過(guò)接收端的解調(diào)后，利用PN碼進(jìn)行解擴(kuò)，然后還原成原來(lái)的窄帶信號(hào)，通過(guò)窄帶濾波器進(jìn)行濾波后，大部分噪聲信號(hào)被濾掉，誤碼率大大降低，信噪比得以提高。 實(shí)際應(yīng)用證明，文昌油田內(nèi)部FPSO與兩生產(chǎn)平臺(tái)之間，通過(guò)微波擴(kuò)頻通信方式，在信息發(fā)射時(shí)增加擴(kuò)頻過(guò)程，在信息接收時(shí)增加解擴(kuò)過(guò)程，擴(kuò)頻和解擴(kuò)的結(jié)果提高了整個(gè)油田信息傳輸過(guò)程的抗干擾能力，增加了隱蔽性。

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，綜合分析微波擴(kuò)頻通信在海上油田的應(yīng)用特點(diǎn)如下：(1) 系統(tǒng)構(gòu)建容易，微波擴(kuò)頻通信系統(tǒng)無(wú)需鋪設(shè)海底線路，很容易越過(guò)水面建立視距通信，提供耐用、無(wú)差錯(cuò)的數(shù)字通道。(2) 信噪比低，利用微波擴(kuò)頻通信技術(shù)，通過(guò)擴(kuò)頻和解擴(kuò)使系統(tǒng)信噪比得到大幅提升。(3) 抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用PN碼擴(kuò)頻技術(shù)在信號(hào)接收端進(jìn)行解擴(kuò)，其他噪聲信號(hào)因與PN碼不相關(guān)，解擴(kuò)后輸出低，與PN碼信號(hào)相關(guān)會(huì)有很高的峰值輸出。擴(kuò)頻和解擴(kuò)過(guò)程不會(huì)改變信息信號(hào)，但抑制了干擾信號(hào)。(4) 保密性能好，擴(kuò)頻系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)字加密，其它信號(hào)電平比噪聲電平低，難以被發(fā)現(xiàn)，保密性好。(5) 對(duì)其他系統(tǒng)不形成干擾，因?yàn)閿U(kuò)頻信號(hào)的功率譜密度低，所以不會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)造成干擾。目前，國(guó)內(nèi)外諸多國(guó)家和地區(qū)都劃出了微波擴(kuò)頻通信的專(zhuān)用頻帶，在劃定頻帶內(nèi)不需申請(qǐng)使用頻率，可以無(wú)照使用。因此，微波擴(kuò)頻通信系統(tǒng)針對(duì)海上油田無(wú)線通信系統(tǒng)存在的干擾、選址和泄密等問(wèn)題進(jìn)行合理地解決，在海上油田內(nèi)部平臺(tái)間近距離通信系統(tǒng)中得到了廣泛地應(yīng)用。

2 光纖通信

光纖是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導(dǎo)工具。按照信息傳輸模式來(lái)劃分，光纖分為單模光纖和多模光纖，如圖2所示。單模光纖(Single Mode)是只能傳導(dǎo)一種模式的光纖，使用的光波長(zhǎng)為1 310 nm或1 550 nm。單模光纖避免了模式色散，具有傳輸頻帶寬、容量大、距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是目前海上平臺(tái)間信息傳輸主要采用的通信方式之一。多模光纖中傳輸?shù)哪Ｊ蕉噙_(dá)數(shù)百個(gè)，各個(gè)模式的傳播常數(shù)和群速率不同，使光纖的帶寬窄、色散大、損耗也大，只適用于中短距離和小容量的光纖通信系統(tǒng)。由于色散或像差等因素，多模光纖的傳輸性能較差，傳輸頻帶窄、容量小、距離短，在海上油田中使用較少[6]。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖傳輸系統(tǒng)是通過(guò)光纜進(jìn)行連接的，光纜可分為1根光纖(單纖)、2 根光纖(雙纖)等，如圖3所示。

圖2 單模、多模光纖示意圖

圖3 光芯、光纜結(jié)構(gòu)圖

圖4 東方1-1氣田光纖通信示意圖

以中國(guó)海油東方氣田為例，東方1-1氣田距離湛江陸地終端約300 km。整個(gè)氣田包括一個(gè)CEP中心平臺(tái)和一個(gè)無(wú)人井口生產(chǎn)平臺(tái)，兩座平臺(tái)相距約4 km,平臺(tái)間布設(shè)動(dòng)力/光纖海底復(fù)合電纜，生產(chǎn)平臺(tái)上的電力由中心平臺(tái)通過(guò)動(dòng)力電纜提供，中心平臺(tái)與生產(chǎn)平臺(tái)之間的通信聯(lián)系通過(guò)光纖電纜實(shí)現(xiàn)。兩座平臺(tái)之間的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖像的傳輸通道使用8芯單模光纖，主要設(shè)備包括光纜、光端機(jī)，如需要，還可使用光滑環(huán)。光纖與CEP中心平臺(tái)上的程控交換機(jī)和閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)相連，生產(chǎn)平臺(tái)上布設(shè)電話和攝像探頭，生產(chǎn)平臺(tái)通過(guò)光纜與中心平臺(tái)進(jìn)行語(yǔ)音聯(lián)系，并將監(jiān)視圖像信號(hào)傳輸至中心平臺(tái)，如圖4所示。

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，綜合分析光纖通信在海上油田的應(yīng)用特點(diǎn)如下：

(1) 通訊數(shù)據(jù)量大、頻帶寬。光纖通訊載波頻率比電信號(hào)大千萬(wàn)倍，所以它的通信容量約可增加1 000倍～10 000倍。

(2) 不受電磁波干擾、信號(hào)損耗低。光纖為非金屬的介質(zhì)材料，石英材質(zhì)，不受電磁波的干擾，光纖光波長(zhǎng)約為1 550 nm，衰減可降至0.2 dB/km，傳輸距離遠(yuǎn)。

(3) 抗腐蝕、線徑細(xì)、重量輕。光纖的直徑只有0.1 mm左右，直徑比電纜細(xì)、重量輕，便于制造多芯光纜。

由此可見(jiàn)，光纖通信系統(tǒng)作為海上平臺(tái)之間的主要通信方式，能夠有效地保證兩座平臺(tái)之間的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和圖像的傳輸。但是鑒于光纖質(zhì)地脆、機(jī)械強(qiáng)度低等屬性，在海上平臺(tái)布設(shè)光纖通信系統(tǒng)時(shí)需要全面考慮光纜海底敷設(shè)、施工操作和日常維修等方面的影響。

3 衛(wèi)星通信

圖5 衛(wèi)星通信示意圖

衛(wèi)星通信是指利用人造衛(wèi)星作為中繼站來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)或反射無(wú)線電波，在兩個(gè)或多個(gè)設(shè)在地球表面上的無(wú)線電通信站之間進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N通信方式[7]。

圖5為中國(guó)海油文昌油田衛(wèi)星通信示意圖，該油田位于我國(guó)南海，距離湛江300 km，包括兩個(gè)井口生產(chǎn)平臺(tái)和一個(gè)FPSO生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置。由于微波頻段的信號(hào)是直線傳輸?shù)?，所以地面微波接力通信都是“視距”通信，因此微波擴(kuò)頻通信只能實(shí)現(xiàn)海上油田平臺(tái)內(nèi)部近距離的通信傳輸，為實(shí)現(xiàn)文昌油田與陸上的聯(lián)系，只能依靠衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

衛(wèi)星通信的主要設(shè)備包括天線、室外單元和室內(nèi)單元，在湛江陸上終端和文昌油田FPSO上各設(shè)置一套衛(wèi)星無(wú)線電通信站，通信衛(wèi)星相當(dāng)于離地面很高的中繼站，當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)行軌道較高時(shí)，湛江陸上終端和文昌油田FPSO的兩個(gè)無(wú)線電通信站可以與通信衛(wèi)星建立直線傳輸通道。文昌油田與湛江陸地終端之間進(jìn)行信息傳輸時(shí)，通信衛(wèi)星先將一個(gè)無(wú)線電通信站發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行放大、頻率變換和數(shù)據(jù)處理，再轉(zhuǎn)發(fā)至另一個(gè)無(wú)線電通信站，從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、傳真、圖像、數(shù)據(jù)等信號(hào)的傳輸。文昌油田FPSO衛(wèi)星無(wú)線電通信站與程控交換機(jī)相連，兩座生產(chǎn)平臺(tái)也可通過(guò)FPSO上的無(wú)線電通信站實(shí)現(xiàn)與陸上的聯(lián)系。但是由于FPSO會(huì)隨海浪擺動(dòng)，為了使衛(wèi)星天線能一直對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的方向，需在FPSO上增設(shè)衛(wèi)星天線伺服系統(tǒng)，該系統(tǒng)可隨船的擺動(dòng)調(diào)整天線的方向，保證準(zhǔn)確接收到信號(hào)。

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，綜合分析衛(wèi)星通信在海上油田的應(yīng)用特點(diǎn)如下：

(1) 通信距離遠(yuǎn)，且與費(fèi)用無(wú)關(guān)。無(wú)線電通信站的建設(shè)成本不因距離、自然條件而變化。在海洋遠(yuǎn)距離通信上，衛(wèi)星通信比微波、電纜、光纖等有明顯的優(yōu)勢(shì)。

(2) 覆蓋面積大，易實(shí)現(xiàn)多址聯(lián)接通信。衛(wèi)星以廣播方式工作，而不是“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”通信，所有無(wú)線電通信站可共用一顆衛(wèi)星，從而實(shí)現(xiàn)站與站之間的雙邊或多邊通信，使衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的組成更高效和靈活。

(3) 通信線路穩(wěn)定，傳輸質(zhì)量高。衛(wèi)星信號(hào)是在大氣層以外的空間傳輸，宇宙空間可看似均勻介質(zhì)，傳輸信號(hào)穩(wěn)定，不受自然條件的影響和人為干擾。

由此可見(jiàn)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)通常用于海上平臺(tái)或船舶與陸上終端之間遠(yuǎn)距離的通信聯(lián)系，如不考慮衛(wèi)星線路的租用費(fèi)用因素，衛(wèi)星通信是海洋石油開(kāi)發(fā)工程中遠(yuǎn)距離信息傳輸首選的通信方式。

微波擴(kuò)頻通信、光纖通信和衛(wèi)星通信在海上石油平臺(tái)的應(yīng)用情況見(jiàn)表1。

表1 微波擴(kuò)頻、光纖和衛(wèi)星通信應(yīng)用對(duì)比表

4 水聲通信

水聲通信是一種以水為介質(zhì)，在水下收發(fā)信息的通信方式，除了在軍事上應(yīng)用外，現(xiàn)已逐步應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域，建立在水聲基礎(chǔ)上的水下網(wǎng)絡(luò)也正在研究中[8]。

水聲通信的工作原理是首先將語(yǔ)音、文字、圖像等信息，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并由編碼器將信息數(shù)字化處理后，通過(guò)換能器電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)。聲信號(hào)通過(guò)水介質(zhì)，將信息傳遞到接收換能器，聲信號(hào)又被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)解碼器把數(shù)字信息破譯后，電接收機(jī)又將信息變成文字、聲音及圖片。

將來(lái)在海洋石油開(kāi)發(fā)工程中，水聲通信系統(tǒng)可以在一系列海洋作業(yè)里替代潛水員，而且在深海開(kāi)發(fā)中，水聲設(shè)備也將成為順利完成深水任務(wù)的一種重要工具。

利用水聲信道來(lái)進(jìn)行信息傳輸與通過(guò)其它媒質(zhì)進(jìn)行傳輸有很大差異，見(jiàn)表2。水聲信道和無(wú)線電信通訊相比，帶寬窄、載波頻率低，傳播延時(shí)嚴(yán)重，傳輸速率低，多普勒頻移的影響很大。對(duì)于淺海水聲通信，國(guó)際上研究的熱點(diǎn)之一就是多徑傳播效應(yīng)的消除，目前主要有兩類(lèi)比較成熟的措施：(1) 改進(jìn)發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)策略，利用OFDM進(jìn)行信號(hào)調(diào)制；(2) 改進(jìn)發(fā)送機(jī)接收機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如使用高方向增益的發(fā)射機(jī)和先進(jìn)的信道均衡技術(shù)。

信號(hào)最初的設(shè)計(jì)主要考慮非相干方式，但在多徑信道中傳輸高速率的數(shù)據(jù)會(huì)存在嚴(yán)重的時(shí)間擴(kuò)展，因此現(xiàn)在的水聲通信系統(tǒng)廣泛使用多頻移鍵調(diào)制技術(shù)(MFSK)。由于信道本身或接收機(jī)、發(fā)射機(jī)的運(yùn)動(dòng)引起相位的隨機(jī)性，非相關(guān)或差分相關(guān)解調(diào)技術(shù)的使用更加普遍。近來(lái)，擴(kuò)頻通信、OFDM等技術(shù)已經(jīng)被考慮用來(lái)解決或?qū)苟鄰叫?yīng)。由此可見(jiàn)，隨著水聲通信在海洋工程領(lǐng)域運(yùn)用程度的逐步深入，必將給海洋石油開(kāi)發(fā)工程帶來(lái)更為廣闊的應(yīng)用前景。

表2 水聲信道與空間無(wú)線信道對(duì)比表

5 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)內(nèi)外海洋石油工業(yè)的不斷發(fā)展，海洋石油開(kāi)發(fā)工程各種技術(shù)和裝備的不斷進(jìn)步，適用于海上平臺(tái)的通信方式也在不斷地更新和變化，越來(lái)越先進(jìn)的通信技術(shù)為海洋石油的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和管理起到了非常重要的保障作用。該文以微波擴(kuò)頻通信、光纖通信和衛(wèi)星通信在海洋石油平臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用情況為重點(diǎn)，分析說(shuō)明了三種通信方式各自的特征優(yōu)勢(shì)和適用范圍，同時(shí)也對(duì)水聲通信在未來(lái)海洋石油工業(yè)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了初步探析。最后在海洋工程通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，還需要根據(jù)實(shí)際情況，統(tǒng)籌考慮各種通信技術(shù)的特征優(yōu)勢(shì)，選擇最適用的通信方式，進(jìn)而設(shè)計(jì)出安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的通信方案。

[1] 鐘淑蓉. 大容量微波通信技術(shù)的發(fā)展淺探[J].中國(guó)新通信，2012(15):14-45.

[2] 黃睿.衛(wèi)星通信技術(shù)的應(yīng)用體會(huì)及未來(lái)趨勢(shì)展望[J]. 科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013(20):81.

[3] 甘露.光纖干涉環(huán)的研究與應(yīng)用[D]. 北京交通大學(xué)，2015:1-68.

[4] 侯麗麗.光纖通信系統(tǒng)中光監(jiān)控信道及色散補(bǔ)償?shù)难芯縖D]. 北京郵電大學(xué)，2011:1-70.

[5] 常國(guó)鋒.微波通信技術(shù)的概述[J]. 電子制作，2015(01):168.

[6] 陳晗鳴.遠(yuǎn)洋船舶電子郵件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 船海工程，2003(06): 29-31.

[7] 湯坦夷.現(xiàn)代通信技術(shù)在遠(yuǎn)洋船舶的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012(14):50.

[8] 鄭士君,褚建新,陳正杰,等. 遠(yuǎn)洋船舶在線監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J]. 中國(guó)航海，2008(04): 20-25.

Application Analysis of Offshore Platform Based on a Variety of Communication Methods

WAN Qing-lin

(CNOOC Information Technology Co., Ltd, Beijing Branch， Beijing 100027，China )

In recent years, a variety of domestic and international communications technology and the rapid development of means of communication, communication theory was perfected, and the range of applications gradually increased, in order to adapt to new forms of Chinese offshore oil industry development, the introduction and application of advanced communications technologies and communication infrastructure is imperative. This will combine the offshore oil and gas field development, the actual situation existing in the production, applied research communication offshore platforms more focused, we analyzed and discussed the means of communication and communication facilities offshore platforms are mainly used, and their characteristics in transmission of information, and proposed several common means of communication in the scope of the offshore oil industry, choose safe, reliable, reasonable and economical means of communication to provide practical experience in marine engineering and a reference for the industry.

oil platform; communications technology; application analysis; underwater acoustic communication

1001-4500(2016)06-0009-06

2016-06-08

萬(wàn)青霖(1984-)，男，工程師。

F416.22

A