文松青 尤立華 劉遠東 王銀強 欒翔

新疆油田油氣儲運公司

新疆油田油氣管道多分布于荒漠戈壁，具有交通運輸不便、通信基礎(chǔ)差等特點。該油田的管道陰極保護數(shù)據(jù)仍以人工測量為主，首先經(jīng)人工實地測量獲得陰極保護數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進行整理，最后匯總并傳輸至主管部門。顯而易見，這種通信方式時效性差，過程繁瑣，無法滿足智能化油田建設(shè)的需要。

隨著科技的進步，陰極保護電位自動采集儀應(yīng)運而生，實現(xiàn)了陰極保護數(shù)據(jù)采集的自動化，已逐步推廣到各大油田?，F(xiàn)階段，油氣管道陰極保護數(shù)據(jù)通信主要采用GSM/GPRS模塊或者基于物聯(lián)網(wǎng)的NB-IoT模塊。這兩種通信方式都嚴重依賴通信基站，鑒于新疆油田油氣管道部分分布于沙漠腹地，移動基站少、通信基礎(chǔ)差，這兩種方式并不完全適用于該地區(qū)陰極保護數(shù)據(jù)的遠傳通信。因此，分析陰極保護數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)現(xiàn)狀，對比市場主流無線通信方式，研究開發(fā)適用于該油田的陰極保護數(shù)據(jù)遠傳通信方式，既是基于實際的客觀需要，又具有工程指導(dǎo)意義。

1 現(xiàn)有系統(tǒng)通信方式

基于GSM/GPRS模塊通信技術(shù)的核心是采用一樁一卡的運行模式，其主要特征是單點采集，單點傳輸，低復(fù)雜度，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。陰極保護采集儀采集陰極保護數(shù)據(jù)，通過集成在陰極保護采集儀內(nèi)的GSM/GPRS模塊將數(shù)據(jù)打包傳輸至通信基站，在通信基站接入路由器傳輸至后端數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和完整性管理平臺，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件處理后供主管部門調(diào)閱。

基于物聯(lián)網(wǎng)的NB-IoT通信技術(shù)，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與圖1大同小異。不同的是，NB-IoT可以實現(xiàn)陰極保護數(shù)據(jù)的單點采集、集散傳輸功能，減少了所需通信模塊的數(shù)量。

圖1 基于GSM/GPRS模塊通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of communication system based on GSM/GPRS model

上述兩種數(shù)據(jù)通信方式復(fù)雜度較低，但高度依賴移動網(wǎng)絡(luò)，維護成本高。對于分布于沙漠腹地，通信基礎(chǔ)差、交通不便的地區(qū)，采用這兩種通信方式，易造成數(shù)據(jù)傳輸延時，甚至丟失。其中，GSM/GPRS通信方式為單工通信，功耗過高，嚴重縮短了陰極保護采集儀內(nèi)電池使用壽命，增加了維護成本。

2 無線傳輸方式的比較

由于該油田油氣管道大多分布于荒漠戈壁，不具備有線通信的條件，所以數(shù)據(jù)通信方式只能采用無線傳輸。表1為五種無線通信方式的對比。

（1）ZigBee無線通信技術(shù)。ZigBee是一種短距離無線通信技術(shù)，具有短距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗的特點[1-2]。工作頻率2.4 GHz（全球），最大傳輸距離2.5 km，功耗約500 mW。ZigBee通信技術(shù)由于通信距離較短，隨著組網(wǎng)規(guī)模增大，會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)臃腫不堪。

表1 五種無線通信方式的比較Tab.1 Comparison of five wireless communication modes

（2）GSM/GPRS無線通信技術(shù)。GPRS/GSM通信技術(shù)相對簡單，設(shè)備易于架設(shè)，數(shù)據(jù)傳輸速率較快；但對通信基站依賴性強，在基站通信繁忙或網(wǎng)絡(luò)信號差的地區(qū)，易發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸延時，甚至丟失，且GSM/GPRS通信模塊功耗過大。

（3）NB-IoT低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)。NB-IoT是工作于授權(quán)頻譜下的蜂窩通信技術(shù)[3]，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)平滑升級。NB-IoT具有廣覆蓋、低功耗、低成本和大連接等特點[4]。

（4）LoRa低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)。LoRa是工作于全球免費頻段的無線擴頻通信技術(shù)[5-6]，具有遠距離、低功耗（電池壽命長）、多節(jié)點、低成本的特性。最大發(fā)射功率為30 dBm（1W），接收電流5 mA，射頻電流150 mA，接收靈敏度低至-148 dBm[7-8]，在空曠環(huán)境中傳輸距離可達20 km[9]。

（5）北斗短報文通信。中國的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是全球四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)之一[10]，最大的特色是北斗短報文通信，現(xiàn)已逐步推廣應(yīng)用到各行各業(yè)中。北斗短報文最大的優(yōu)勢是全方位覆蓋、無盲區(qū)，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性與安全性，適用于其他通信手段無法覆蓋的地區(qū)[11-12]；但其通信容量小，運行費用高，不適合大數(shù)據(jù)量的傳輸。

綜合上述分析，ZigBee、GSM/GPRS和NB-IoT因其自身的特點，都不能很好地適應(yīng)新疆油田陰極保護采集儀間的數(shù)據(jù)通信。LoRa通信技術(shù)作為一種無線鏈狀通信技術(shù)，能夠滿足油氣管道陰極保護數(shù)據(jù)采集中線狀、小流量通信拓撲的要求，并且可以自由組網(wǎng)形成不同的通信拓撲結(jié)構(gòu)。此外，Lo-Ra具有較低成本、較高電池壽命和適用于不需要頻繁通信的應(yīng)用程序或設(shè)備的特點，很好地契合了油氣管道陰極保護數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。因此，最終確定陰極保護采集儀間的數(shù)據(jù)通信采用LoRa通信技術(shù)；北斗短報文以其無覆蓋盲區(qū)的優(yōu)勢，可以作為沙漠腹地等通信基礎(chǔ)較差地區(qū)的數(shù)據(jù)遠傳手段。

3 油田陰極保護數(shù)據(jù)通信方案

3.1 LoRa通信+移動基站系統(tǒng)

如前文所述，基于LoRa通信技術(shù)的陰極保護采集儀間數(shù)據(jù)通信是最適合新疆油田油氣管網(wǎng)的。在通信基礎(chǔ)較好的地方，可以利用現(xiàn)有移動基站實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠傳，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。陰極保護采集儀利用LoRa通信自組網(wǎng)的優(yōu)勢建立完整、可靠的鏈狀通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)陰極保護數(shù)據(jù)在陰極保護采集儀間的互聯(lián)互傳；部分集成有GSM/GPRS通信模塊的陰極保護采集儀將數(shù)據(jù)打包傳輸至通信基站，在通信基站接入路由器傳輸至后端數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和完整性管理平臺，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件處理后供主管部門調(diào)閱。

圖2 LoRa通信+移動系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall structure of LoRa and mobile base station system

為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕帢O保護數(shù)據(jù)在陰極保護采集儀間冗余傳輸，形成神經(jīng)網(wǎng)鏈狀通信拓撲。通信網(wǎng)絡(luò)即使同時出現(xiàn)若干個故障單元都不會對整個通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響，具有可靠性高、誤碼率低、魯棒性強等優(yōu)勢。對于50 km的油氣管道（該油田油氣管道站間距約為50 km），若采用通信距離為4.5 km的LoRa模塊，可在20～30 s內(nèi)完成陰極保護采集儀間的數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)傳送至GSM/GPRS通信模塊，完成陰極保護數(shù)據(jù)遠傳。總體來說，本通信方案的時效性是較好的。

由于LoRa工作于全球免費頻段，本通信方案的投資費用主要為LoRa通信模塊和少量GSM/GPRS通信模塊的材料費和安裝建設(shè)費用，另有少量GSM/GPRS通信模塊的流量費。GSM/GPRS通信模塊的減少以及LoRa的低功耗，大大降低了系統(tǒng)的維護成本。從長遠看，經(jīng)濟效益遠優(yōu)于GSM/GPRS通信方案。

3.2 LoRa通信+北斗短報文系統(tǒng)

對于深處沙漠腹地的油氣管網(wǎng)，沒有條件采用移動基站進行通信。為獲得沙漠腹地油氣管網(wǎng)的陰極保護狀態(tài)，可以采用北斗短報文的方式，完成沙漠腹地陰極保護數(shù)據(jù)的遠傳，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。前端至后端通信流程為：①陰極保護采集儀利用LoRa通信自組網(wǎng)的優(yōu)勢建立完整、可靠的鏈狀通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)陰極保護數(shù)據(jù)在陰極保護采集儀間的互聯(lián)互傳；②部分集成有北斗發(fā)射模塊的陰極保護采集儀將陰極保護數(shù)據(jù)加密并發(fā)射傳輸?shù)奖倍沸l(wèi)星；③衛(wèi)星運營商將收到的短報文調(diào)制解調(diào)后推送到客戶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；④網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳輸至后端數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和完整性管理平臺，經(jīng)數(shù)據(jù)處理軟件處理后供主管部門調(diào)閱。

圖3 LoRa通信+北斗短報文系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of LoRa and Beidou short message system

陰極保護采集儀每小時采集1次陰極保護數(shù)據(jù)，為降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元功耗，延長電池使用壽命，采集的數(shù)據(jù)先緩存在陰極保護采集儀內(nèi)，定時集中遠傳。目前，民用北斗通信卡通信頻率為60 s-1，單次報文長度為78 bit。采用通信距離為4.5 km的LoRa模塊對油氣管道實行交叉度為3的交叉覆蓋。仍以50 km站間距為例，北斗發(fā)射模塊每日需上傳數(shù)據(jù)大小約為2 880 bit。換句話說，單個北斗發(fā)射終端約需37 min完成上一天的陰極保護數(shù)據(jù)遠傳工作。

與移動基站的網(wǎng)絡(luò)透傳模式相比，北斗通信發(fā)射終端會對所傳數(shù)據(jù)進行加密處理，安全性更高。此系統(tǒng)的投資主要為建設(shè)成本和北斗短報文通信費。建設(shè)成本包括北斗發(fā)射終端和LoRa通信模塊的材料費和安裝費用。仍以50 km站間距、通信距離4.5 km、交叉度為3的通信拓撲為例，其總投資約為40萬元，略高于LoRa通信+移動基站系統(tǒng)。與GSM/GPRS通信系統(tǒng)相比，其維護成本大大降低，從長遠看，該通信方案仍遠優(yōu)于GSM/GPRS通信方案，更為重要的是，它提供了一種無公網(wǎng)地區(qū)的陰極保護數(shù)據(jù)遠傳方案。

4 結(jié)論

分析了陰極保護數(shù)據(jù)采集通信的應(yīng)用現(xiàn)狀，比較了市場主流無線通信方式的差異，結(jié)合新疆油田的具體實際，提出了針對少數(shù)移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到區(qū)域的陰極保護數(shù)據(jù)遠傳方案，最終確立了適用于新疆油田油氣管網(wǎng)的陰極保護數(shù)據(jù)通信方式，即采用LoRa通信+移動基站通信系統(tǒng)和LoRa通信+北斗短報文通信系統(tǒng)。采用神經(jīng)網(wǎng)鏈狀通信拓撲網(wǎng)絡(luò)，提高了陰極保護采集儀間數(shù)據(jù)通信的可靠性。利用北斗短報文通信，解決了無人區(qū)、無公網(wǎng)地區(qū)的數(shù)據(jù)遠傳難題。在公網(wǎng)較好的地區(qū)，采用移動基站的方式，降低了整個系統(tǒng)的運行費用。此外，LoRa擴頻通信的低功耗，在很大程度上降低了電池的功耗，增強了續(xù)航時間，降低了維護成本。上述通信方案能滿足智能化油田建設(shè)的需要，對工程實際具有一定的指導(dǎo)意義。