張輝軍?孔峰

摘要：油氣產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型是順應(yīng)當(dāng)今環(huán)境的必然選擇，也符合我國高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略的需求，而無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的重要支撐，也將得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。目前，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的種類眾多，各有優(yōu)勢，且在市場上都有所建樹?；诖耍疚膶亩鄠€角度詳細(xì)闡述無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，以期能夠為相關(guān)人員提供一些參考。

關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)絡(luò)；油田油氣；物聯(lián)網(wǎng)；應(yīng)用路徑

一、引言

石油和天然氣產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的中流砥柱，其發(fā)展水平對國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。技術(shù)革新能夠有效提升油氣產(chǎn)業(yè)的營運(yùn)效率與安全水準(zhǔn)，更好地適應(yīng)未來發(fā)展，而無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為油氣產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型以及建立物聯(lián)網(wǎng)體系奠定了堅實的基礎(chǔ)。

二、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述

隨著無線通信技術(shù)的普及，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)已無法滿足用戶的需求，而無線網(wǎng)絡(luò)則得到了快速發(fā)展。雖然目前的無線網(wǎng)絡(luò)還無法完全脫離有線網(wǎng)絡(luò)，但是近幾年來，無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品已逐步趨于成熟，并以其優(yōu)良的機(jī)動性與便利性，扮演著越來越重要的角色。無線網(wǎng)絡(luò)是將無線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合在一起的產(chǎn)物，從專業(yè)的觀點來看，無線網(wǎng)絡(luò)是指利用無線通道進(jìn)行設(shè)備間的通信，從而達(dá)到移動化、個性化、寬帶化的目的。簡單來說，無線網(wǎng)絡(luò)是指不使用網(wǎng)線卻能提供以太網(wǎng)路連接功能，其應(yīng)用前景廣闊，市場需求廣泛，技術(shù)可行，推動了無線通信技術(shù)的進(jìn)一步完善與產(chǎn)業(yè)化，從而使無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入快速發(fā)展的黃金時代。無線技術(shù)是一種靈活、可移動的技術(shù)。在有線網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)裝置的放置位置是由網(wǎng)絡(luò)位置所決定，而無線網(wǎng)絡(luò)則能在無線信息范圍內(nèi)的任意地點存取網(wǎng)絡(luò)。首先，無線網(wǎng)絡(luò)的一大優(yōu)勢是它的移動性，可以讓使用者在與無線網(wǎng)絡(luò)相連的同時移動且易于安裝。無線網(wǎng)絡(luò)可以省去或盡量減少網(wǎng)絡(luò)布線的工作量，通常只需在一個或更多的接入點上設(shè)置一個或多個接入點，就能形成覆蓋全域的局域網(wǎng)，并且容易進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與調(diào)節(jié)。其次，對有線網(wǎng)絡(luò)而言，辦公室位置或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓紩?dǎo)致網(wǎng)絡(luò)重建，并且再配線是一項昂貴、耗時、浪費(fèi)和瑣碎的工作，而無線局域網(wǎng)能有效防止或減少上述問題的發(fā)生。最后，無線網(wǎng)絡(luò)易于進(jìn)行故障的定位。如果有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了物理故障，特別是因線路連接不佳而導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)故障，通常難以發(fā)現(xiàn)，維修費(fèi)用也較高，而無線網(wǎng)絡(luò)很容易找到故障原因，只要將故障的設(shè)備替換掉，就能重新建立網(wǎng)絡(luò)。而且，無線網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)方法多種多樣，可擴(kuò)展性很強(qiáng)，可以迅速地從少數(shù)使用者的小型局域網(wǎng)發(fā)展成數(shù)以千計的龐大網(wǎng)絡(luò)，并在有線網(wǎng)絡(luò)中提供無法實施的特征，如“結(jié)點之間漫游”。由于無線網(wǎng)絡(luò)具有許多優(yōu)勢，近年來，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于企業(yè)、醫(yī)院、商店、工廠、學(xué)校等領(lǐng)域。

三、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)在油氣行業(yè)的應(yīng)用意義

目前，我國石油和天然氣工業(yè)采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，必須綜合考慮多種因素，增強(qiáng)其應(yīng)用能力，以適應(yīng)社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。從目前石油天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展情況來看，采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以在以下三個方面取得很好的效果。第一，提高安全水平。安全是石油企業(yè)的生命線，也是石油企業(yè)正常生產(chǎn)的最大保證，而運(yùn)用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以從三個方面提高石油天然氣產(chǎn)業(yè)的安全生產(chǎn)水平。一是有效地解決了有線傳送不能解決的安全問題，以減少人身傷亡的可能；二是無需布線，可防止發(fā)生電火花和其他事故；三是便于搭建移動工作站和人員定位，可以在人員遭遇危險的時候，對其進(jìn)行快速地定位和處置。第二，提升鏈路可靠性及生產(chǎn)效率。通過對有線傳輸鏈路的預(yù)防性備份，可以防止在傳輸失敗時產(chǎn)生不良后果，有效避免發(fā)生各種安全事故，提高生產(chǎn)的效率，并且采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡單方便，還能夠節(jié)約大量的安裝及操作費(fèi)用。

四、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中存在的問題

在石油和天然氣的勘探和開發(fā)中，傳統(tǒng)的無線技術(shù)主要用于通信、無人監(jiān)測等方面，傳統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳送裝置防爆性能和抗干擾性能有待進(jìn)一步提高。由于鉆井和采油現(xiàn)場的情況復(fù)雜，以及電纜傳輸具有約束性，所以在今后的發(fā)展中，無線數(shù)據(jù)的應(yīng)用將會更加廣泛。在無線通信中，不同技術(shù)之間的互補(bǔ)性越來越明顯，例如無線局域網(wǎng)可以解決中距離的高速數(shù)據(jù)訪問，而5G則可以滿足大范圍的無縫覆蓋和強(qiáng)大的漫游需求。當(dāng)前，無線通信網(wǎng)絡(luò)面臨著三大問題。第一，傳輸體系結(jié)構(gòu)不健全。目前的蜂窩通信系統(tǒng)主要依賴于集中式的控制與管理，而新一代移動通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)將會朝著暫時性的方向發(fā)展，比如，直接模式HIPERLAN/2和鄰近的終端直接通訊、藍(lán)牙技術(shù)、IEEE802.11中的Ad Hoc方式、IEEE802.16中的Ad Hoc（MANET）、IEEE802.15的PAN（PAN）。第二，網(wǎng)絡(luò)帶寬不能滿足用戶的需要。電磁波承載的信息量與接收的能量大小有關(guān)，且與帶寬成比例，而大部分信息傳送都是采用比較窄的波段（也就是? f/f<<1），頻譜利用頻率的合理程度與傳輸?shù)哪芰坑嘘P(guān)，隨著頻段的增加，可以傳送更多的帶寬，但是距離更短。因此，相關(guān)人員在網(wǎng)絡(luò)容量、延時需求、網(wǎng)絡(luò)鏈接（覆蓋面）、電力預(yù)算等方面應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)貦?quán)衡。第三，操作安全性存在問題。無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的安全性需求主要包含四個方面：保密性、身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)完整性、服務(wù)不可否認(rèn)性。在無線通信網(wǎng)絡(luò)中，保密是保護(hù)信息的重要手段，無線通信網(wǎng)絡(luò)的保密服務(wù)主要包括：話音和資料保密性、用戶身份和位置保密性、用戶和網(wǎng)絡(luò)之間的保密性。

五、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在某油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用策略

（一）無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

由于我國石油和天然氣的分布非常廣泛，要將無線技術(shù)用于物聯(lián)網(wǎng)，必須先建立一個無線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，可以把整個電網(wǎng)分成3個層次：第一層是中心網(wǎng)，即全國范圍內(nèi)的石油和天然氣生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)；第二層是省際企業(yè)網(wǎng)；第三層是城市企業(yè)網(wǎng)。第二層和第三層的網(wǎng)絡(luò)在第一層的基礎(chǔ)上進(jìn)行互聯(lián)，從而實現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)中進(jìn)行信息的無線傳輸。

（二）無線組網(wǎng)設(shè)計

在石油、天然氣生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)中，針對石油、天然氣生產(chǎn)的地理、環(huán)境特點，進(jìn)行無線組網(wǎng)的設(shè)計，構(gòu)建一個數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使相關(guān)人員能實時了解石油生產(chǎn)的實際狀況，并對其進(jìn)行優(yōu)化，同時，無線公網(wǎng)、易建網(wǎng)、專用網(wǎng)三種不同的無線組網(wǎng)方式，可以有效構(gòu)建安全、高速的無線傳輸網(wǎng)。

（三）無線組網(wǎng)方案

在無線組網(wǎng)中，應(yīng)根據(jù)油氣生產(chǎn)的實際需求以及頻帶特性進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計，確保無線資源的有效管理，達(dá)到終端對終端的無線通信。無線網(wǎng)絡(luò)采用的是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)都有一個可以自動選擇路徑的節(jié)點，實現(xiàn)自動管理、自動修復(fù)、自動組織，而利用WMB可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)骨干和無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通訊。在體系結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)終端和設(shè)備可以共同組成一個用戶，并最終形成多個融合的異構(gòu)網(wǎng)，因此，WMR必須具有多個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同管理和控制能力，使該終端可以在同一時間與一個訪問系統(tǒng)相連，從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的容量和能量控制。

在無線傳輸技術(shù)的實施中，為了確保在接入網(wǎng)絡(luò)時不受環(huán)境的影響，保證接收到的信息及終端的數(shù)據(jù)質(zhì)量，必須要增大網(wǎng)絡(luò)的容量。又因為無線通信技術(shù)對數(shù)據(jù)的傳輸速率有很高的要求，所以在物聯(lián)網(wǎng)中必須要有充足的存儲空間，同時，為了保證睡眠技術(shù)和收發(fā)技術(shù)的效率和節(jié)約性，也需要對能源進(jìn)行控制。此外，無線傳輸技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用包含了切換和定位的管理，在實際應(yīng)用中會采用幾種轉(zhuǎn)換技術(shù)，實現(xiàn)橫向和縱向的轉(zhuǎn)換。所謂橫向轉(zhuǎn)換，就是通過移動的方式，從一個網(wǎng)絡(luò)平臺轉(zhuǎn)移到另外一個基站；而垂直轉(zhuǎn)換則是指在不同的網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行跨網(wǎng)轉(zhuǎn)換，使不同類型的無線設(shè)備能夠進(jìn)行無縫連接。由于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的傳輸技術(shù)、傳輸速率、某些頻率等因素的影響，加上其結(jié)構(gòu)不同，為了實現(xiàn)實時、精確的切換，必須提高定位精度，有以下3個步驟：首先要進(jìn)行一次掃描，再檢測終端，利用未使用的AP以分組的形式傳送Beacon，并使用一個性能較好的AP；其次是進(jìn)行身份驗證，在此階段，用戶可以使用AP進(jìn)行交換完成身份驗證，從而確保信息訪問的安全；最后在AP上注冊，獲得AP的原始信息，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳遞。

（四）采用NB技術(shù)解決方案

1.技術(shù)體制

NB技術(shù)是一種低功率廣域網(wǎng)LPWAN連接技術(shù)，具有很小的帶寬和使用許可的頻段，主要用在智能儀表、路燈、農(nóng)業(yè)等對功率敏感且數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的應(yīng)用場合，用于傳輸文字信息。NB和LTE的體系結(jié)構(gòu)類似，NB網(wǎng)可以建立在LTE網(wǎng)絡(luò)上，在LTE的基礎(chǔ)上做一些特別的改進(jìn)，使得NB技術(shù)可以適應(yīng)一些特殊的情況。

2.實際組網(wǎng)方案及結(jié)果

本文以西南油氣田網(wǎng)絡(luò)接入和服務(wù)系統(tǒng)的科研課題為實例，針對氣礦邊遠(yuǎn)、低效井、閥室的信息化建設(shè)周期長、成本高的問題，通過對無線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的調(diào)查與對比，可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)3G/4G技術(shù)在長距離上具有很高的穩(wěn)定性，而WIFI、Bluetooth等技術(shù)距離又過于短小，ZigBee的通信技術(shù)在遠(yuǎn)程、在物聯(lián)網(wǎng)方面已經(jīng)非常成熟，但是在基站方面的功率要求很高，這些通信技術(shù)沒有一種適合于偏遠(yuǎn)低效井和閥室的數(shù)據(jù)采集和傳輸。而LPWAN技術(shù)在電力、物流、智慧城市等方面得到了廣泛應(yīng)用，適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)低效井、閥室的信息化建設(shè)。該項目在深入分析物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)、業(yè)務(wù)需求、技術(shù)需求的基礎(chǔ)上，確定了系統(tǒng)的整體架構(gòu)：感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感應(yīng)層是指在井下布設(shè)的各種傳感器，如無線壓力、溫度等，并利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將資料傳送至車站的無線網(wǎng)關(guān)，對站點內(nèi)部的無線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再利用網(wǎng)絡(luò)層的無線通信技術(shù)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。在應(yīng)用層，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、顯示、分析和存取，最終達(dá)到監(jiān)測井站數(shù)據(jù)的目的。

3.特點分析及應(yīng)用場景建議

NB技術(shù)是一種基于物聯(lián)網(wǎng)的新技術(shù)，也是一種低速率的遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主要技術(shù)特征有：一是覆蓋廣泛，采用重復(fù)傳輸和Turbo編碼等技術(shù)，使其覆蓋面積能夠提高百倍；二是高的互聯(lián)密度，與目前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相比，NB技術(shù)的上升容量得到了極大的提升，一個基站可以連接50000個終端設(shè)備；三是低功耗，NB技術(shù)支持低功率模式，終端的待機(jī)壽命可達(dá)到10年；四是信號穿透性強(qiáng)，對比GSM和LTE，NB技術(shù)提高了20 dB的增益，增強(qiáng)了信號的穿透性；五是成本低，主要表現(xiàn)在通信模塊制作成本低、基站部署成本低、通信成本低。NB技術(shù)在低功率和不頻繁傳輸數(shù)據(jù)的情況下有著巨大的優(yōu)越性，但是在需要大量數(shù)據(jù)的情況下，NB技術(shù)的優(yōu)越性就變成了一個缺點。由于NB的每個幀都有一定的長度限制，因此在低功耗、低成本的情況下，并不需要太多的數(shù)據(jù)延遲，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要存儲海量的數(shù)據(jù)或頻繁使用的數(shù)據(jù)時，NB技術(shù)是不適用的。

六、西部某作業(yè)區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實例研究

（一）采用TD-LTE（4G）網(wǎng)絡(luò)可在油井密集區(qū)域、計量間、處理站等區(qū)域進(jìn)行組網(wǎng)

利用TD-LTE（4G）技術(shù)，可以有效地彌補(bǔ)光纖網(wǎng)的缺點，解決沙漠腹地地區(qū)難以布線的難題。在TD-LTE4 G網(wǎng)絡(luò)中，可借助移動沙丘對TD-LTE（4G）網(wǎng)絡(luò)的影響，在地形比較平坦的地方，選擇30米的鐵塔作為基站，在沙丘較高的地方，選擇55米的鐵塔作為基站。該系統(tǒng)的主要裝備及配置如下：首先，將中心控制裝置eCNS安裝在各作業(yè)區(qū)域的機(jī)房內(nèi)，并與eNodeB的BBU BBU主控傳輸板LMPT進(jìn)行通信。為了提高系統(tǒng)的可靠性，eCNS與匯集層交換器之間采用負(fù)載分?jǐn)偦蛑鱾溆媚Ｊ健；緀NodeB與核心控制裝置之間的FE/GE接口相連，RRU采用光纖連接到 BBU的基帶處理板LBBBCPRI接口，并將 RRU連接到該塔架上。其次，網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備、eCNS設(shè)備的路徑規(guī)劃，可以滿足業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)管理和X2通信的需要，同時，需要將eCNS裝置安排到每個被管理的eNodeB局點路由中。為了保證網(wǎng)絡(luò)的安全性，可以對TD-LTE中的獨(dú)立VPN進(jìn)行邏輯隔離，相關(guān)人員可以按照實際需求來配置eNodeB的傳送帶寬。

該工程建成后，可以在30米高的鐵塔上布設(shè)一個10公里的基站，實現(xiàn)現(xiàn)場生產(chǎn)的實時數(shù)據(jù)和視頻圖像的傳送；利用55米的鐵塔來布置12公里的基站，以滿足基本的傳送要求，但是個別的單井會由于地勢低洼導(dǎo)致信號品質(zhì)不佳。

（二）在相對偏遠(yuǎn)的單井或TD-LTE（4G）網(wǎng)絡(luò)中，無線網(wǎng)橋是一種有效的輔助手段

無線網(wǎng)橋技術(shù)是當(dāng)前最受歡迎的寬帶局域網(wǎng)技術(shù)，具有帶寬高、傳輸速度快、能夠進(jìn)行短程視頻傳送、沒有頻率復(fù)用、能夠大規(guī)模組網(wǎng)等特點。無線網(wǎng)橋通常是點對點或點對多點傳輸，受傳輸距離和覆蓋范圍的限制，通常每個中心帶網(wǎng)橋都有20個用戶站網(wǎng)橋，根據(jù)地理條件，現(xiàn)有4對點無線網(wǎng)橋。聯(lián)合站是4條無線鏈路的交匯處，為了保證4條無線鏈路的連接和高帶寬的穩(wěn)定性，在聯(lián)合站中設(shè)置了1套網(wǎng)橋同步。所有設(shè)備全部采用POE供電模式，具有體積小、連接方便、傳輸穩(wěn)定等特點，基本能滿足作業(yè)區(qū)域石油和天然氣生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)要求。按照油田總體規(guī)劃，該作業(yè)區(qū)域的無線網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)已基本完成，能夠?qū)崿F(xiàn)對油氣井、計量間、處理站等生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動采集，生產(chǎn)過程實時監(jiān)控，生產(chǎn)環(huán)境自動監(jiān)測。對企業(yè)的生產(chǎn)管理模式和組織架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以使企業(yè)的工作效率得到顯著提升，還可以開發(fā)實時數(shù)據(jù)監(jiān)控和分析系統(tǒng)，實現(xiàn)使用多渠道、多場景的實時數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)有效實現(xiàn)了作業(yè)區(qū)中控室、區(qū)域中心、油田協(xié)同中心、總部決策中心等多層次協(xié)同工作。

七、結(jié)束語

隨著我國信息化進(jìn)程的加快，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用與發(fā)展，將無線技術(shù)用于石油和天然氣生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)，可以優(yōu)化無線傳輸?shù)姆绞讲⒅亟M結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)的分析，確保石油和天然氣的生產(chǎn)信息能高效、安全、及時地傳遞。由此可見，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在石油和天然氣工業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)中起著重要作用，因此在實際使用時，相關(guān)人員必須要考慮到無線組網(wǎng)的設(shè)計、無線網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)和無線組網(wǎng)的方案，確保無線技術(shù)得到有效運(yùn)用。

作者單位：張輝軍 孔峰 數(shù)字絲路新疆產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)有限公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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