桂 林 呂艷艷 宋志翔
1.中國移動通信集團江蘇有限公司南京分公司;2.中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院
地震勘探是用于尋找石油、天然氣、煤炭等礦產(chǎn)資源的主要手段,高品質地震數(shù)據(jù)獲取是地震勘探乃至整個油氣工業(yè)的核心目標。野外地震數(shù)據(jù)采集是油氣地震勘探工程中的關鍵工序。傳統(tǒng)野外勘探任務采用有纜設備進行數(shù)據(jù)采集,資源消耗較大。同時,有纜設備相對笨重,布放設備時人力資源消耗大,采集道數(shù)多,排列故障對施工效率影響很大。
隨著技術的演進,新推出的節(jié)點設備可實現(xiàn)無纜部署,相比有纜設備,無線節(jié)點采集設備的優(yōu)勢明顯,無線接入方式省去了大量測線電纜,更輕便可靠、部署簡單、易于操作,每人可攜帶100個,可減小用工量約45%,提高施工效率約40%,兼具高裝載和高回收周轉率?,F(xiàn)有無線節(jié)點采集設備主要使用WiFi技術,由于WiFi技術覆蓋范圍小,且頻率資源為公用頻段,干擾不可控,只能滿足小范圍、少量節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸。而傳統(tǒng)4G技術上行數(shù)十兆速率也無法滿足石油勘探領域數(shù)字地震儀的數(shù)據(jù)傳輸要求。
5G具備Gbps級傳輸能力及廣闊的覆蓋范圍,可以極大改善無線傳輸瓶頸。本項目從設備部署、傳輸效率、質量控制、工作成本幾個維度進行了有纜設備、節(jié)點設備和5G智能節(jié)點儀的方案部署效果對比,詳細內容見表1所示。
表1 有纜設備、節(jié)點設備和5G智能節(jié)點儀部署分析表
本項目野外智能節(jié)點油氣勘探系統(tǒng)應用了先進的5G尊享專網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術,具有低功耗、實時質控、大帶寬海量帶道等優(yōu)勢,使地震采集生產(chǎn)方式由勞動密集型轉向技術密集型。
按常規(guī)應用計算,按1 ms采樣率計,每個采集站每秒產(chǎn)生的純數(shù)據(jù)量是3 KB,即24 Kbps。1000個采集站的速率需求是24 Mbps,1萬道采集站的速率需求是240 Mbps,10萬道采集站的速率需求是2.4Gbps+。同時,野外環(huán)境要求網(wǎng)絡服務范圍達到千米級。
5G可達到高于10 Gbps的速率,將5G技術引進到節(jié)點設備中來,可以解決當前節(jié)點設備的技術難題,系統(tǒng)可實現(xiàn)10萬帶道能力及同步采集和實時質量監(jiān)控。根據(jù)目前3GPP 5G演進計劃,2022年后R17版本將凍結,基于此標準可實現(xiàn)每平方千米百萬級鏈接,預計8~10年后包括數(shù)字地震儀領域都將演進至下一代通信技術。依托5G網(wǎng)絡特性,結合邊緣計算等技術,可以有效切合野外勘探智能化轉型對無線網(wǎng)絡的應用需求,保障核心數(shù)據(jù)的安全管理要求,有效推動相關業(yè)務發(fā)展。
本項目依托5G大帶寬、海量連接特性,通過部署專用端到端5G尊享專網(wǎng)支持地震勘探作業(yè)現(xiàn)場的海量節(jié)點數(shù)據(jù)回傳。由于野外勘探任務作業(yè)區(qū)域環(huán)境復雜,作業(yè)地區(qū)需滾動調整,需開發(fā)小型化、輕量化、可移動,部署靈活、安全級別高的獨立5G勘探系統(tǒng)。
基于實際應用場景需求的5G智能地震節(jié)點系統(tǒng),采用了北斗導航、5G通信等國產(chǎn)自主可控技術,融合新一代信息通信技術,攻克了物探數(shù)據(jù)采集中的無線通信協(xié)議、數(shù)據(jù)傳輸與存儲標準、高精度時間同步與空間定位、高速大容量數(shù)據(jù)通信、低功耗等技術難關,實現(xiàn)了節(jié)點儀的自主同步與定位、實時無線數(shù)據(jù)采集-傳輸-存儲與質控、節(jié)點狀態(tài)遠程監(jiān)控與采集控制等功能,支持盲采、實時、準實時多種采集模式。
為滿足野外組網(wǎng)勘探業(yè)務需求,本次采用5G尊享專網(wǎng)進行設計,如圖1所示,5G尊享專網(wǎng)采用定制的核心網(wǎng)、專用頻段專用基站的方式,通過中央站承載5G核心網(wǎng)并將可移動無線5G基站拉遠部署至節(jié)點區(qū)域,實現(xiàn)勘探區(qū)域數(shù)據(jù)業(yè)務通信。
圖1 野外組網(wǎng)定制化設計
網(wǎng)絡架構:新建小型化核心網(wǎng),包含UPF功能,節(jié)點采集數(shù)據(jù)通過5G空口回傳,實現(xiàn)本地處理能力。
無線網(wǎng)絡:承載車輛上架設4.9 Ghz的5G基站,在需求較大覆蓋范圍場景中,支持拉遠基站的擴容,以實現(xiàn)更大的單次覆蓋面積。
(1)地震勘探節(jié)點儀數(shù)據(jù)采集建模
地震節(jié)點儀野外布放分為常規(guī)布局和高密度布局兩種模式,兩炮間隔時間約為2-5分鐘,按常規(guī)應用計算,按1 ms采樣率計,每個采集站每秒產(chǎn)生的純數(shù)據(jù)量是3 KB,即24 Kbps。不同模式下節(jié)點儀采集數(shù)據(jù)量估算如下。
①常規(guī)布局數(shù)據(jù)量估算
x方向10-25米間隔,y方向100-250米間隔,按最大算1平方公里內1000個節(jié)點。
單節(jié)點數(shù)據(jù)量:24 Kbps×10 s=240 Kb。
單平方公里數(shù)據(jù)量(1000節(jié)點):240 Kb×1000=240 Mb。
一炮面積約35平方公里,數(shù)據(jù)量:240 Mb×35=8.4 Gb=1.05 GB。
②高密度布局數(shù)據(jù)量估算
x方向10米間隔,y方向20-150米間隔;按最大算1平方公里內5000個節(jié)點。
單節(jié)點數(shù)據(jù)量:24Kbps×10s=240Kb。
單平方公里數(shù)據(jù)量(5000節(jié)點):240Kb×5000 =1.2Gb。
一炮面積約35平方公里,數(shù)據(jù)量:1.2Gb×35=42Gb=5.25GB。
此外,每平方公里內會有一兩個移動點,數(shù)據(jù)傳輸2-5Mbps,不是全時傳輸。
(2)5G頻率應用策略研究
中國移動已獲得2.6GHz和4.9GHz頻段共260M帶寬5G頻譜,與中國廣電達成框架協(xié)議合作,共用700MHZ頻段實現(xiàn)5G廣覆蓋。4.9GHz是中國移動行業(yè)應用頻譜,與公網(wǎng)隔離,干擾可控,可以提供高可靠網(wǎng)絡,且?guī)Y構配置靈活,可根據(jù)業(yè)務需求定制網(wǎng)絡性能??紤]到未來不固定位置的室外流動作業(yè)需求,項目采用4.9G基站,避開公網(wǎng)2.6G頻點干擾。
(3)地震節(jié)點儀分布及數(shù)據(jù)傳輸需求模型
節(jié)點儀數(shù)據(jù)傳輸需求分析如圖2所示。設置r=1.6km(4.9G頻段),5G單基站覆蓋接入節(jié)點儀數(shù)量:正方形內常規(guī)布局下,節(jié)點儀數(shù)量最大約8000支;正方形內高密度布局下,節(jié)點數(shù)量最大約40000支。
圖2 節(jié)點儀數(shù)據(jù)傳輸需求分析
根據(jù)前述分析,在空曠地區(qū),覆蓋半徑在數(shù)千米,覆蓋范圍內節(jié)點儀最高可達數(shù)萬??紤]目前5G單基站7200用戶接入能力,通過部署拉遠站、分批次接入及滾動作業(yè)方式,可在數(shù)秒內完成5G網(wǎng)絡(基站)覆蓋范圍的數(shù)千節(jié)點儀的數(shù)據(jù)上傳。
通過尊享專用5G核心網(wǎng)將可移動無線基站部署至節(jié)點作業(yè)區(qū)域,實現(xiàn)勘探區(qū)域數(shù)據(jù)業(yè)務通信,系統(tǒng)支持拉遠基站的擴容,本方案主要包括基站、核心網(wǎng)、網(wǎng)管軟件定制化研發(fā)。5G尊享專網(wǎng)示意圖如圖3所示。
圖3 5G尊享專網(wǎng)示意圖
(1)小型化核心網(wǎng)定制化設計
為了保證整體組網(wǎng)的簡潔、安全,本項目定制一套專用5GC,部署i5GC控制面(AMF、SMF、UDM),i5GC用戶面(UPF)以及管理維護系統(tǒng)(EM)。本產(chǎn)品體積減小80%,適合野外采集車輛部署,且能滿足節(jié)點采集的相關技術性能要求。5GC功能模塊對比如圖4所示。
圖4 5GC功能模塊對比
i5GC采用通用X86架式服務器作為基礎設施硬件,系統(tǒng)結構基于標準ETSI NFV架構設計,主要功能組件作為VNF部署在虛擬基礎設施之上。
(2)5G基站定制化研發(fā)
本方案5G基站為BBU-AAU架構,基帶單元映射為單獨的一個物理設備BBU,AAU集成了射頻單元與天線單元。BBU支持車載堆疊,定制化AAU支持掛載在車載天線架設平臺。
(3)網(wǎng)管軟件定制化設計與研發(fā)
核心網(wǎng)網(wǎng)管基于云計算、虛擬化、微服務、容器化和B/S架構,定制核心網(wǎng)網(wǎng)管產(chǎn)品ElasticNet UME(CN)(UME:Unified Management Expert)。ElasticNet UME(CN)對標ETSI NFVI規(guī)范中的EM管理實體(以下簡稱EMS),針對行業(yè)專網(wǎng)運維管理需求,專用5GC EMS簡化了大網(wǎng)EMS網(wǎng)管的配置,組件輕量化,降低網(wǎng)管部署資源。EMS同步部署在通信車內,管理業(yè)務的專用5GC網(wǎng)元,包括AMF、SMF、UDM、UPF等專網(wǎng)網(wǎng)元(含容災機房5GC網(wǎng)元)。5G網(wǎng)管軟件如圖5所示。
圖5 5G網(wǎng)管軟件
專用5GC EMS網(wǎng)管具備管理節(jié)點輕量化、快速開通、自服務、自動故障定位、遠程免維等管理特性。EMS提供客戶端接口,支持本地及遠程運維。
為滿足野外組網(wǎng)勘探業(yè)務需求,設計可移動5G基站掛載方案,具備在各種情況下的高可靠和高穩(wěn)定運行能力,保障人員、信息、設備和安全,具有強兼容性,具備技術發(fā)展和業(yè)務拓展能力。
(1)一體化通信車
依據(jù)相關標準,進行承載裝配的總體設計、改造等工作,提供人員和設備作業(yè)所需要的基本條件。根據(jù)提供的設備技術參數(shù),合理設計機架及部署方式,預留操作維護空間??紤]工作環(huán)境、設備運行等要求配備空調、油機等保障通信可靠性。具體方案如下:
以依維柯VAN-45-33-H2-單排-側拉門為基型車,利用車載技術平臺來實現(xiàn)移動通信。車廂部分根據(jù)需求,設計安裝2組機柜,規(guī)劃預留人員操作維護空間,為設備運行提供安全、可靠的保障。通信天線架設平臺設計為可升降模式,工作時天線可升高至距地10米以上;車輛轉場時,天線可完全收回至車廂內。車頂天窗與天線采用邏輯電路設計,天窗未完全打開時,天線升降機構將鎖止。反之天線未完全收回至車內時,天窗將不能關閉。通信車側視圖及俯視圖如圖6所示。
圖6 通信車側視圖及俯視圖
(2)拖車
使用拖車方案承載5G拉遠站,可實現(xiàn)基站擴容,實現(xiàn)更大的單次覆蓋面積,保證無線網(wǎng)絡的實時通信。本次移動拉遠基站車的改造選用了拖車底盤,車輛內部可安裝移動基站主機設備、電源系統(tǒng)、配電柜、控制系統(tǒng)等主要設備,車輛中部裝有電動升降桅桿一根,工作時通信信號天線可升至距地13米,車頂上置有通信信號發(fā)射平臺,與升降桅桿相連。為保證車輛工作時的穩(wěn)定性,底盤下部四角附近安裝有支撐腿,車輛工作時向下打開與地面接觸。
本項目采用5G尊享專網(wǎng)定制化建設,基于野外勘探需求,采用4.9GHz專用頻段,可移動端到端獨立專網(wǎng),通過中央站承載5G核心網(wǎng)并將可移動無線5G基站拉遠部署至節(jié)點作業(yè)區(qū)域。本項目主要技術創(chuàng)新如下:
一是定制輕量化核心網(wǎng)。本項目使用核心網(wǎng)下沉技術,配置一套專用輕量化5GC,更適合野外采集車輛部署,且能滿足節(jié)點采集的相關技術性能要求,實現(xiàn)野外探測數(shù)據(jù)業(yè)務交換、管理,實現(xiàn)數(shù)據(jù)不出測試區(qū),保障數(shù)據(jù)安全,還可以大大節(jié)約資源,降低維護難度和成本。
二是使用4.9GHz專用頻段。4.9GHz幀結構配置靈活,與公網(wǎng)進行隔離,避免干擾且可根據(jù)業(yè)務需求定制網(wǎng)絡性能。
三是可移動專用5G基站,配置專用AAU和BBU設備,為特殊業(yè)務需求的行業(yè)提供專網(wǎng)的個性化服務,實現(xiàn)智能節(jié)點采集數(shù)據(jù)的無線傳輸,通過調節(jié)基站位置及參數(shù)滿足作業(yè)區(qū)全覆蓋、節(jié)點儀全接入,保障野外采集車輛進行作業(yè)時可實時傳輸數(shù)據(jù)及基本通信。
四是搭建大數(shù)據(jù)平臺,實時分析處理采集數(shù)據(jù),基于實時數(shù)據(jù)回傳能力,可實現(xiàn)節(jié)點采集的QC,根據(jù)采集實際情況,進行排障處理,大大提高了現(xiàn)場作業(yè)效率。系統(tǒng)實現(xiàn)了首款基于5G的地震采集施工系統(tǒng)的創(chuàng)新和分布式多核數(shù)據(jù)分割技術創(chuàng)新。
一是實現(xiàn)了大規(guī)模地震節(jié)點儀集中接入,由5G智能節(jié)點儀進行數(shù)據(jù)采集,通過野外5G組網(wǎng),回傳至云端數(shù)據(jù)中心,僅需1-2秒鐘就可以完成數(shù)萬節(jié)點儀的接入、數(shù)據(jù)上傳,大幅提升采集效率。
二是通過部署在現(xiàn)場5G中央站的數(shù)據(jù)分析平臺進行實時數(shù)據(jù)分析,再由5G回傳至節(jié)點儀設備進行實時質量控制,可以對節(jié)點設備工作模式、參數(shù)進行精密調整,提升采集精度。
三是基于5G實時上傳的大數(shù)據(jù)分析,可以對油氣勘探系統(tǒng)各部分工藝參數(shù)進行優(yōu)化建議及分析,提升油氣地震勘探作業(yè)及數(shù)據(jù)分析效率。
目前,智能節(jié)點的研發(fā)工作進展順利,通過了各項設計、技術驗證審查和單個智能節(jié)點的室內測試,已完成一套系統(tǒng)的設計開發(fā)及內場測試,正在進行外場試點。實測報告及現(xiàn)場如圖7所示。
經(jīng)驗證,基于5G實時傳輸和質控的野外智能節(jié)點油氣勘探系統(tǒng)可以實現(xiàn)大規(guī)模地震節(jié)點儀集中接入、數(shù)據(jù)實時回傳和實時預處理,大幅提升油氣地震勘探作業(yè)及數(shù)據(jù)分析效率。
隨著地震勘探技術的發(fā)展,大道數(shù)、高覆蓋次數(shù)成為地震行業(yè)技術設計的趨勢,超級地震隊高效生產(chǎn)成為行業(yè)主要的生產(chǎn)模式,地震采集生產(chǎn)道數(shù)越來越大,采集生產(chǎn)效率也越來越高(日效可達幾萬炮),每炮幾萬道的地震排列產(chǎn)生了海量地震數(shù)據(jù),這些地震數(shù)據(jù)的實時傳輸對有線儀器的數(shù)據(jù)傳輸能力提出了極大挑戰(zhàn)。通過本項目的研究,利用5G專網(wǎng)解決其“最后一公里”的接入,可以大大節(jié)省傳輸布線的成本和復雜度,極大提高數(shù)據(jù)采集的效率。
基于5G尊享專網(wǎng)的解決方案可以為傳統(tǒng)行業(yè)的末端海量接入提供快速、高效的接入方式,同時部署定制化的核心網(wǎng)、輕量網(wǎng)管結合算力下沉,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)不出廠,數(shù)據(jù)傳輸高保密等要求,為傳統(tǒng)行業(yè)的數(shù)字化、信息化轉型提供強大助力。本項目就是將傳統(tǒng)行業(yè)與5G專網(wǎng)的完美融合,極大推動了地震勘探技術的技術變革。