段麗華

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基于泄露電纜的海上鉆井平臺手機通信系統(tǒng)的研究

段麗華

（渤海船舶職業(yè)學院 電氣工程系，遼寧 葫蘆島 125005）

本文利用泄漏電纜對傳輸信號邊傳輸邊泄露的特點，設(shè)計一套基于泄漏電纜的通信系統(tǒng)，應用于海上鉆井平臺，實現(xiàn)用手機代替對講機通信，在發(fā)揮對講機通信優(yōu)勢的同時，彌補了對講機通信的不足，同時，應用一根泄漏電纜，來實現(xiàn)集語音通信、數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控于一體，達到對整個鉆井平臺進行可靠、有效的通信與監(jiān)控的目的，相比對講機通信系統(tǒng)而言，本系統(tǒng)功能更加完善，可靠性更勝一籌，具有很大的應用價值和發(fā)展空間。

泄漏電纜 通信 鉆井平臺

0 引言

海上鉆井平臺主要用于鉆探井的海上結(jié)構(gòu)物，它主要分移動式平臺、固定式平臺兩大類，具體包括自升式平臺、坐底式平臺、鉆井船、張力腿式平臺、半潛式平臺、牽索塔式平臺、混凝土重力式平臺、導管架式平臺、深水順應塔式平臺等。無論是哪種平臺，都基本是在遠離海岸線的茫茫大海中，那么在平臺上，尤其是一些面積大的平臺或者如FPSO及周圍一些小平臺上，總控室和工人之間，工人和工人之間的通信就成了一個至關(guān)重要的問題。

目前，大多數(shù)平臺上采用對講機通信，它的優(yōu)點是：1）無需借助任何的通訊運營商，不會產(chǎn)生話費；2）可以一對多，即1號對講機可以同時向2號，3號，4號……等等N個對講機同時發(fā)布命令；3）這也是手機信號變?nèi)趸蛘邲]有時的選擇。它的缺點是：1）通話距離有限，超出通訊距離通話質(zhì)量就會有所下降，不像手機那樣肆無忌憚的到處走動；2）受環(huán)境影響嚴重，在嘈雜的環(huán)境中沒能夠保持通暢無阻的通訊聯(lián)系；3）少有或者沒有視頻和短信、微信功能；4）只能單工通信。而海上鉆井平臺因為空間有限，為了滿足生產(chǎn)、生活的需要，不得不將其有限的大空間再分成多個小空間，造成空間內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，艙室緊湊、過道窄小，層間低矮不一，樓梯坡度大，出入口矮小等問題，這使得對講機的通話質(zhì)量變得更加不理想，無法滿足正常生產(chǎn)生活需求。那么，如何才能揚長避短，發(fā)揮對講機的優(yōu)勢的同時克服它的缺點，增加它的功能呢？這就是今天我們要討論的話題，即應用泄露電纜來實現(xiàn)鉆井平臺上的手機通信系統(tǒng)的研究。

1 系統(tǒng)具體設(shè)計方案

1.1 泄漏電纜及通信系統(tǒng)的組成

如圖1所示，泄漏電纜是一種專門用于泄漏通信的高頻電纜，它的外導體不是全屏蔽的，而是設(shè)有泄漏槽或疏編織孔的。因此，當其工作時，信號中的一部分就會通過這個特設(shè)的泄漏槽或編織孔泄漏到以本電纜為中心的外部區(qū)域，本電纜附近的接收機（包括移動接收機手機）就會收到相應的信號；同時，外部設(shè)備發(fā)出的信號（包括手機發(fā)出的移動信號）也可以通過特設(shè)的泄漏槽或編織孔進入到泄漏電纜的內(nèi)部。換而言之，泄露電纜具有傳輸線和收、發(fā)天線的雙重功能，再加上必要的輔助設(shè)備，就可以組成一個完整的泄漏通信系統(tǒng)了。這個系統(tǒng)可以滿足以泄漏電纜為中心，沿泄漏電纜附近的一定區(qū)域內(nèi)的移動通信。且一根泄漏電纜可以同時傳輸80 MHz、150 MHz、400 MHz、900 MHz等多個頻段，也就是說，只要敷設(shè)一根泄漏電纜，就可以同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)、語音、視頻、寬帶接入等多種通信[3]，可見，“泄漏電纜通信系統(tǒng)”可在一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生均勻的信號場強，幾乎不存在通信盲區(qū)，不易受到干擾信號的影響，能實現(xiàn)信號穩(wěn)定可靠的收發(fā)通信，因而非常適合在鉆井平臺上使用。

具體的通信系統(tǒng)如圖2所示[1]：總控室里有主機、語音/數(shù)據(jù)基站、數(shù)據(jù)解調(diào)器和視頻監(jiān)視器等構(gòu)成。主機提供了包括主板（濾波器和放大器）、主機的供電單元、分配器、隔離單元等四個部分的至語音基站、數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器以及視頻監(jiān)視器的接口。主機可支持語音/數(shù)據(jù)信道，語音/數(shù)據(jù)基站由接收器、發(fā)射器和控制器三個部分組成，可以根據(jù)具體需要設(shè)置成全雙工、半雙工或單工操作方式，濾波器和放大器用于路由無線電信號到接收器與發(fā)射器的合路與分路。

圖1 泄漏電纜

1.2 平臺室外通信系統(tǒng)設(shè)計

在平臺船艙室外，泄漏電纜被分割成一段一段的，段與段之間均由雙向無線中繼器相互聯(lián)系在一起，這樣系統(tǒng)安裝更為靈活方便，用戶需要采集哪里的信息就將泄纜安裝到哪里，不用就可以拆除。拆除其中的某一段不會影響其他段的性能，只要還在中繼器的傳輸范圍內(nèi)就可以順利的將本段兩側(cè)的兩段泄纜信號相聯(lián)系、傳輸。這非常的適用于如FPSO等的平臺之間的通信，也在很大程度上降低了系統(tǒng)的成本。本系統(tǒng)中，平臺會根據(jù)自己的實際情況，在需要的地方安裝可視監(jiān)控設(shè)備、環(huán)境監(jiān)控等裝置，在實現(xiàn)和對講機一樣通信的同時，又能采集到其他重要的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，完善了通信功能。

這里的無線中繼器應用雙向中繼器，它設(shè)于泄漏電纜段與段之間的間隙中間，用來放大補償信號沿泄漏電纜傳輸時因向外泄露而造成的損失。另外，為了終止泄漏電纜中電流的流動，電纜未端還需要安裝終端裝置，使整個系統(tǒng)阻抗達到平衡狀態(tài)。

圖3 平臺室外通信系統(tǒng)框圖

1.3 平臺室內(nèi)通信系統(tǒng)設(shè)計

因為泄露電纜輻射半徑有限，所以要是像普通通信系統(tǒng)一樣只安裝室外，那么室內(nèi)幾乎沒有信號，變成盲區(qū)，所以平臺的室內(nèi)也需裝有通信系統(tǒng)。

泄漏電纜敷設(shè)方式分橫向敷設(shè)和縱向敷設(shè)兩種[5]，各有特點，各平臺可以根據(jù)各自建筑的特點鋪設(shè)。無論哪種敷設(shè)，都要保證泄露電纜的輻射方向指向室內(nèi)。當遇到拐彎處（如圖4所示），或?qū)娱g高度低矮，樓梯坡度較大時，可以適當?shù)恼{(diào)整中繼器的安裝位置和方向，或通過添加一小段泄漏電纜的方式來使得信號順利有效的傳輸。再依據(jù)建筑物的特點和高度決定敷設(shè)數(shù)量，同時也可以在需要的地方安裝如煙霧報警等監(jiān)控設(shè)備，在滿足基本通信的同時，提高了室內(nèi)的安全性，具體系統(tǒng)以圖4為例。

1.4 基于泄漏電纜的通信傳輸系統(tǒng)

利用泄漏電纜窄帶無線電通道傳輸語音信號，采用Cable Modem技術(shù)實現(xiàn)寬帶接入；采取TCP/IP通信協(xié)議，每部具有監(jiān)控或者檢測功能的設(shè)備以及手機都有一個IP地址，實現(xiàn)雙向語音通訊、數(shù)據(jù)通訊和視頻信號共線傳輸。

1.4.1語音通信系統(tǒng)[4]

基站發(fā)送進入漏泄電纜的信號，是頻帶中心為頻率f1的射頻信號，經(jīng)選通放大，使f1頻帶信號形成下行信號，產(chǎn)生漏泄場供沿途所有移動設(shè)備（手機）接收；手機發(fā)射信號是頻帶中心頻率為f2的射頻信號，經(jīng)選通放大，使f2的頻帶信號形成上行信號最終至基站，基站收到f2頻帶信號或解調(diào)送出系統(tǒng)或以f1頻帶轉(zhuǎn)發(fā)送入系統(tǒng)，完成系統(tǒng)手機間的異頻雙工通信。

圖4 平臺室內(nèi)通信系統(tǒng)框圖

1.4.2數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[2]

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包拈2部分，ILC (In-Line ControIler)和HEC (Head End Controller)。ILC在地下為數(shù)據(jù)終端和泄漏電纜網(wǎng)絡(luò)提供接口，它把連續(xù)的數(shù)據(jù)流從監(jiān)測設(shè)備轉(zhuǎn)換成射頻RF信號，并把它送到泄漏電纜。相反，它又能把射頻RF信號從泄漏電纜取出并轉(zhuǎn)換成連續(xù)的數(shù)據(jù)流。

HEC剛好與ILC相反。它從遠端的ILC中收集RF數(shù)據(jù)，并把它轉(zhuǎn)換為連續(xù)的數(shù)據(jù)流，也從計算機提取數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成RF信號發(fā)送出去。

1.5 泄漏電纜的安裝原則

泄露電纜的安裝布放遵循以下幾點原則：

1）泄漏電纜鋪設(shè)時不能扭曲、打結(jié)、盤絞，杜絕發(fā)生打圈、死彎、浪涌等現(xiàn)象，鋪設(shè)在室內(nèi)時要注意保持電纜與墻體之間的距離；

2）要根據(jù)設(shè)計要求的型號和規(guī)格鋪設(shè)泄漏電纜并確定其走向和位置，其泄露方向要盡量對著接受設(shè)備，走線要求排列整齊，拐彎圓滑，外皮完好；

3）泄漏電纜鋪設(shè)沿鋼角線安裝，每隔l m安裝1個非金屬吊夾；

4）泄漏電纜鋪設(shè)時要遇阻力需要收回重新放置，杜絕用猛力拉拽；

5）泄漏電纜和電纜頭的組裝要牢固，電氣接觸良好；

6）室外連接部位務必要經(jīng)過嚴密的防水；

7）泄漏電纜要求無明顯外觀損傷以及變形。水平安裝應做到鋪設(shè)平直，加固穩(wěn)定，以及受力均勻。

2 結(jié)束語

本系統(tǒng)將泄露電纜應用到海上鉆井平臺上，用手機通信取代對講機通信，通話質(zhì)量良好，受環(huán)境干擾小，能夠通過微信等功能實現(xiàn)一對多通信，并且是全雙工通信，除此之外還增加了視頻監(jiān)控，環(huán)境監(jiān)測等功能，因為是局域網(wǎng)，所以一樣不產(chǎn)生通信費用，而在其他功能上又是對對講機功能的完善，因此非常值得推廣和應用。

[1] 孫炳海. 基于泄露電纜的通信技術(shù)在煤礦井中的應用. 教育部中南地區(qū)高等學校電子電氣基礎(chǔ)課教學研究會第二十屆學術(shù)年會論文集, 2010.07.

[2] 王正祥, 郜元昌, 王振, 姚永強. 礦山泄漏電纜通信系統(tǒng)的解決方案[J]. 礦山機械, 2007, 35: 162-164.

[3] 吳佳. 采用泄露電纜實現(xiàn)小區(qū)覆蓋. 系統(tǒng)與方案. 2010:68-70.

[4] 劉聯(lián)會. 漏泄移動通信系統(tǒng)實現(xiàn)方法的研究[J]. . 現(xiàn)代電子技術(shù), 2001, (8): 24-26.

[5] 趙娜. 泄露電纜在室分上的應用研究[D]. 燕山大學, 2010: 7-14.

Research on Mobile Phone Communication System of Offshore Drilling Platform Based on Leaked Cable

Duan Lihua

(Faculty of Electrical Engineering, Bohai Shipbuilding Vocational College, Huludao Liaoning 125005, China)

TE46

A

1003-4862（2018）12-0021-04

2018-07-10

段麗華(1982-)，女，講師。研究方向：電力船舶電氣控制。E-mail: duanlihuaok@126.com