摘要：海洋油氣開采面臨諸多挑戰(zhàn)，5G技術(shù)為其信息化建設(shè)提供了新的機(jī)遇。該文探討了5G技術(shù)在海洋油田中的應(yīng)用，重點(diǎn)分析了網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案、遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作系統(tǒng)的構(gòu)建，并結(jié)合案例進(jìn)行了分析，旨在為海洋油田的智能化發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：5G；海洋油氣開采；信息化平臺；遠(yuǎn)程監(jiān)控；網(wǎng)絡(luò)覆蓋

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）01-0089-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID） ：

0 引言

隨著全球能源需求的不斷增長，海洋石油資源作為重要的能源來源，逐漸成為石油開采的關(guān)鍵領(lǐng)域。然而，海上油田的開發(fā)面臨著復(fù)雜的自然環(huán)境、技術(shù)要求高、作業(yè)條件嚴(yán)苛等諸多挑戰(zhàn)，如何提高生產(chǎn)效率、保障安全性以及推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，成為海洋油氣開采領(lǐng)域亟待解決的問題。信息化技術(shù)，尤其是5G 技術(shù)，作為現(xiàn)代通信領(lǐng)域的重要突破，具有高速率、低時(shí)延、大連接等優(yōu)勢，已在多個(gè)行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在海洋油氣開采中，5G技術(shù)的引入為解決傳統(tǒng)作業(yè)方式中的瓶頸提供了新的解決方案。通過5G網(wǎng)絡(luò)，平臺能夠?qū)崿F(xiàn)高效的遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作，實(shí)時(shí)采集和傳輸海上設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度，減少人工干預(yù)，出現(xiàn)異常時(shí)快速響應(yīng)，極大提升作業(yè)安全性與自動(dòng)化水平。5G還能夠有效支持大規(guī)模數(shù)據(jù)處理和設(shè)備互聯(lián)，推動(dòng)海洋油田的智能化管理。

1 平臺概況

某海上采油平臺距岸10多海里，高達(dá)36米，面積超3600平方米，是我國海上首座純密閉外輸臺。作為海上油氣生產(chǎn)中心和樞紐，承擔(dān)著28座井組的油氣處理與外輸任務(wù)，同時(shí)集油氣處理外輸、海上生產(chǎn)自動(dòng)化監(jiān)控、生活保障等多功能于一體。2024年8月，該平臺相繼開通了全國首個(gè)海上采油平臺5.5G站點(diǎn)和5G-A三載波聚合站點(diǎn)，標(biāo)志著我國海上油田數(shù)字化轉(zhuǎn)型取得重大突破。此外，平臺還配備8大自動(dòng)化系統(tǒng)，對生產(chǎn)海域?qū)嵤?4小時(shí)跟蹤監(jiān)控，能夠遠(yuǎn)程關(guān)停無人值守平臺的油井、關(guān)閉工藝流程，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)一鍵關(guān)斷，確保了海上作業(yè)的高效與安全[1]。

2 5G 技術(shù)在海洋油氣開采信息化中的應(yīng)用

2.1 基于5G 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案

該平臺的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案包括5G基站布局、信號傳輸路徑規(guī)劃、設(shè)備選擇以及針對海洋環(huán)境的特殊應(yīng)對措施，以確保平臺在深海作業(yè)區(qū)域的全面穩(wěn)定覆蓋。

2.1.1 5G 基站布局與信號傳輸路徑規(guī)劃

5G基站的布局是依據(jù)平臺的功能區(qū)劃和深海作業(yè)區(qū)域的分布進(jìn)行精確規(guī)劃的。平臺作業(yè)區(qū)涵蓋鉆井平臺、油氣分離處理區(qū)、存儲區(qū)及生活區(qū)等多個(gè)功能區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)νㄐ诺姆€(wěn)定性、帶寬需求以及低時(shí)延要求各不相同。為實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋，平臺上部署了多個(gè)5G基站，并采用分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具體包括：

1） 核心基站與接入基站相結(jié)合的混合布局：核心基站通常設(shè)置于平臺的主要控制室，負(fù)責(zé)高帶寬、低時(shí)延的數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)發(fā)；而接入基站則分布于各個(gè)生產(chǎn)、操作與生活區(qū)域，以確保局部區(qū)域內(nèi)的信號覆蓋。平臺的信號布局采用了小區(qū)化策略，每個(gè)基站負(fù)責(zé)覆蓋一個(gè)特定小區(qū)，這些小區(qū)之間設(shè)有精確的重疊區(qū)域，以保障設(shè)備在平臺不同位置時(shí)的持續(xù)信號連接[2]。

2） 高頻帶的毫米波基站與低頻帶的Sub-6GHz基站組合：毫米波基站適用于高數(shù)據(jù)流量區(qū)域，如數(shù)據(jù)中心和控制室等；而Sub-6GHz基站則負(fù)責(zé)大范圍覆蓋區(qū)域，如生產(chǎn)平臺外圍區(qū)域和遠(yuǎn)離主控區(qū)的工作區(qū)域。這種混合布局使得5G網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)各工作區(qū)域的實(shí)際需求，合理分配頻譜資源，從而確保信號的穩(wěn)定性與傳輸速率。

3） 小型化基站與無線接入點(diǎn)（Access Points，APs）的部署：在空間有限的區(qū)域，采用小型化基站和無線接入點(diǎn)技術(shù)。這些小型基站不僅具備高效的信號覆蓋能力，而且能夠根據(jù)平臺需求進(jìn)行靈活配置。通過部署分布式天線系統(tǒng)（DAS） ，提高了設(shè)備間的無線數(shù)據(jù)交換速率，并減少了信號盲區(qū)和傳輸瓶頸[3]。

2.1.2 針對海洋環(huán)境的信號傳輸路徑優(yōu)化

海洋環(huán)境的復(fù)雜性為5G信號的穩(wěn)定傳輸帶來了巨大挑戰(zhàn)，尤其是在海洋氣候條件不穩(wěn)定的情況下（如強(qiáng)風(fēng)、鹽霧、濕氣等） ，傳統(tǒng)的無線信號易受嚴(yán)重干擾。因此，需要對信號傳輸路徑進(jìn)行優(yōu)化。

首先，為克服海洋大氣和海浪對信號的衰減，該平臺的5G基站配備了波束成形（Beamforming） 技術(shù)。通過精確控制天線陣列的波束方向，將信號定向傳輸?shù)侥繕?biāo)設(shè)備，從而避免信號泄漏和擴(kuò)散，提高信號傳輸質(zhì)量。波束成形技術(shù)還能根據(jù)環(huán)境變化動(dòng)態(tài)調(diào)整波束的角度和強(qiáng)度，確保平臺上各區(qū)域始終保持穩(wěn)定的信號覆蓋。其次，由于海面和水下環(huán)境的復(fù)雜反射特性，該平臺利用反射多徑技術(shù)（Multipath Propaga?tion） ，部署了多個(gè)天線接收器，以充分利用信號的多徑傳播特性，增強(qiáng)信號的穩(wěn)定性。平臺內(nèi)的基站和天線配置能夠智能化地選擇最優(yōu)的傳輸路徑，減少因反射引起的信號干擾。最后，針對海洋環(huán)境中復(fù)雜的無線電干擾問題，平臺采用了動(dòng)態(tài)頻譜管理技術(shù)。通過動(dòng)態(tài)頻率選擇（DFS） ，自動(dòng)檢測周圍環(huán)境中的信號噪聲，并實(shí)時(shí)切換到干擾較少的頻段，以確保信號傳輸過程中的高可靠性。同時(shí)，平臺所采用的頻率重用技術(shù)能夠確保多個(gè)基站有效共享頻譜資源，避免頻率沖突，進(jìn)而提升網(wǎng)絡(luò)容量[4]。

該平臺5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案如圖1所示。圖中展示了該平臺的各個(gè)5G基站布局情況，其中核心基站位于平臺中央，多個(gè)接入基站則分布在不同的作業(yè)區(qū)與生活區(qū)。

2.2 基于5G 技術(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作系統(tǒng)

基于5G技術(shù)的高速、低時(shí)延特性實(shí)現(xiàn)油田作業(yè)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控與遠(yuǎn)程操作。

2.2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)平臺的運(yùn)營需求及5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)分層、多模塊、可擴(kuò)展的結(jié)構(gòu)。整體系統(tǒng)分為4個(gè)主要層次：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層、應(yīng)用層。每個(gè)層次的設(shè)計(jì)都針對不同功能的需求進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控、故障診斷和遠(yuǎn)程操作的高效協(xié)同[5]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。數(shù)據(jù)采集層通過傳感器與設(shè)備接口采集數(shù)據(jù)，傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理層進(jìn)行處理和分析，最終通過應(yīng)用層將結(jié)果呈現(xiàn)給操作員并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

1） 數(shù)據(jù)采集層。主要負(fù)責(zé)從各類傳感器、設(shè)備和監(jiān)控儀表中獲取作業(yè)數(shù)據(jù)。平臺的作業(yè)設(shè)備，如鉆井設(shè)備、油氣分離設(shè)備、儲油罐等，均安裝有各類傳感器，包括溫度、壓力、流量、振動(dòng)、位置等傳感器。數(shù)據(jù)采集層通過高速數(shù)據(jù)采集模塊（如采集卡、控制器等） ，將傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至數(shù)據(jù)傳輸層。該層還采用智能傳感器與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，過濾噪音信號并進(jìn)行初步的數(shù)據(jù)壓縮，以減少數(shù)據(jù)量，提高傳輸效率。這些傳感器通過有線或無線連接（如Wi-Fi、LoRa） 將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖镜夭杉到y(tǒng)。為提高采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，平臺采用傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即利用低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN） 等技術(shù)構(gòu)建設(shè)備間高效的通信網(wǎng)絡(luò)。傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過初步處理后，由數(shù)據(jù)采集單元進(jìn)行匯總，并傳輸至下一層的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2） 數(shù)據(jù)傳輸層。在5G網(wǎng)絡(luò)的支持下，數(shù)據(jù)傳輸層提供高帶寬、低時(shí)延的數(shù)據(jù)傳輸能力。采集的數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理層。該層的核心組件包括5G基站、無線接入點(diǎn)（AP） 、邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)等?；谄脚_內(nèi)布置的5G網(wǎng)絡(luò)，確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的高速性和穩(wěn)定性。為保障數(shù)據(jù)的可靠性，系統(tǒng)采用多路徑傳輸技術(shù)，即通過多個(gè)信號路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以便在發(fā)生通信干擾時(shí)能夠自動(dòng)切換至備用路徑，從而確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性。

3） 數(shù)據(jù)處理層。該層用于對接收到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理。系統(tǒng)利用邊緣計(jì)算技術(shù)，在平臺上的邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，包括數(shù)據(jù)去噪、異常檢測和初步的故障診斷。通過將部分計(jì)算任務(wù)下沉到邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，減少了對中心服務(wù)器的依賴，并降低了數(shù)據(jù)的傳輸延遲。對于復(fù)雜的分析任務(wù)，數(shù)據(jù)會被發(fā)送到云端服務(wù)器，利用大數(shù)據(jù)分析平臺和機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行更深層次的數(shù)據(jù)分析和決策支持。

4） 應(yīng)用層。應(yīng)用層是用戶操作界面和監(jiān)控系統(tǒng)的核心，通過各種圖形用戶界面（GUI） 和控制臺提供遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)操作和故障診斷功能。平臺的操作員可以通過控制臺實(shí)時(shí)查看設(shè)備狀態(tài)、操作歷史記錄、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等，并根據(jù)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。該層的設(shè)計(jì)高度集成了智能報(bào)警、可視化操作和決策支持等功能，能夠快速響應(yīng)不同的作業(yè)需求，支持操作人員進(jìn)行高效決策。

2.2.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作系統(tǒng)的功能模塊包括設(shè)備監(jiān)控、故障診斷、遠(yuǎn)程操作等多個(gè)模塊。

1） 設(shè)備監(jiān)控模塊。設(shè)備監(jiān)控模塊是系統(tǒng)的核心模塊之一。它通過從各類傳感器采集數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的工作狀態(tài)。該模塊基于5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延特性，能夠在幾毫秒內(nèi)將設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)更新到控制系統(tǒng)中，確保操作員實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行情況。具體功能包括：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示，以可視化的圖表和儀表盤形式呈現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量、振動(dòng)等；當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常或偏離正常工作范圍時(shí)，系統(tǒng)能夠通過AI算法自動(dòng)識別并發(fā)出報(bào)警，幫助操作員及時(shí)做出反應(yīng)。

2） 故障診斷模塊。該模塊集成了先進(jìn)的故障診斷算法，能夠基于傳感器數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，通過模式識別、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，對設(shè)備進(jìn)行健康評估，并預(yù)測可能發(fā)生的故障。具體功能包括：實(shí)時(shí)故障診斷，即根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，利用算法進(jìn)行異常檢測，實(shí)時(shí)識別故障模式，降低誤報(bào)警和漏報(bào)警的概率；利用機(jī)器學(xué)習(xí)模型分析設(shè)備的工作趨勢，預(yù)測設(shè)備的未來健康狀態(tài)，提前識別潛在故障并進(jìn)行預(yù)警；通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，準(zhǔn)確定位故障原因，為維修團(tuán)隊(duì)提供有效的決策支持。

3） 遠(yuǎn)程操作模塊。該模塊基于5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對平臺作業(yè)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。操作人員通過控制臺進(jìn)行設(shè)備啟動(dòng)、停止、調(diào)節(jié)和狀態(tài)監(jiān)控等操作，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)反饋操作結(jié)果，確保設(shè)備按照預(yù)定任務(wù)運(yùn)行。功能包括：基于圖形化的界面，操作員可以直觀地進(jìn)行設(shè)備控制和調(diào)整，如調(diào)整泵站流量、啟動(dòng)/停止油氣分離設(shè)備等；提供實(shí)時(shí)的反饋機(jī)制，以確保操作的準(zhǔn)確性；進(jìn)行遠(yuǎn)程操作時(shí)，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，以確保操作符合安全規(guī)范；當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備異?；驖撛谖ｋU(xiǎn)時(shí)，操作員可以通過遠(yuǎn)程操作模塊快速關(guān)閉設(shè)備或啟動(dòng)緊急預(yù)案，從而保障平臺安全。

3 結(jié)束語

綜上所述，本文探討了5G技術(shù)在海洋油氣開采信息化中的應(yīng)用，并提出了基于5G的網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案和遠(yuǎn)程監(jiān)控與操作系統(tǒng)。5G技術(shù)的應(yīng)用可以顯著提高海洋油田的生產(chǎn)效率和安全性，推動(dòng)其向智能化轉(zhuǎn)型。未來，隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展，其在海洋油氣開采中的應(yīng)用將更加廣泛和深入。

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