張輝軍?孔峰

摘要：油氣產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型是順應當今環(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)絡技術作為數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的重要支撐，也將得到廣泛的應用和發(fā)展。目前，無線網(wǎng)絡技術的種類眾多，各有優(yōu)勢，且在市場上都有所建樹。基于此，本文將從多個角度詳細闡述無線網(wǎng)絡技術在油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的應用，以期能夠為相關人員提供一些參考。

關鍵詞：無線網(wǎng)絡；油田油氣；物聯(lián)網(wǎng)；應用路徑

一、引言

石油和天然氣產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟的中流砥柱，其發(fā)展水平對國民經(jīng)濟的快速發(fā)展起著至關重要的作用。技術革新能夠有效提升油氣產(chǎn)業(yè)的營運效率與安全水準，更好地適應未來發(fā)展，而無線網(wǎng)絡技術為油氣產(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。

二、無線網(wǎng)絡技術概述

隨著無線通信技術的普及，傳統(tǒng)網(wǎng)絡已無法滿足用戶的需求，而無線網(wǎng)絡則得到了快速發(fā)展。雖然目前的無線網(wǎng)絡還無法完全脫離有線網(wǎng)絡，但是近幾年來，無線網(wǎng)絡產(chǎn)品已逐步趨于成熟，并以其優(yōu)良的機動性與便利性，扮演著越來越重要的角色。無線網(wǎng)絡是將無線技術和網(wǎng)絡技術結合在一起的產(chǎn)物，從專業(yè)的觀點來看，無線網(wǎng)絡是指利用無線通道進行設備間的通信，從而達到移動化、個性化、寬帶化的目的。簡單來說，無線網(wǎng)絡是指不使用網(wǎng)線卻能提供以太網(wǎng)路連接功能，其應用前景廣闊，市場需求廣泛，技術可行，推動了無線通信技術的進一步完善與產(chǎn)業(yè)化，從而使無線網(wǎng)絡進入快速發(fā)展的黃金時代。無線技術是一種靈活、可移動的技術。在有線網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡裝置的放置位置是由網(wǎng)絡位置所決定，而無線網(wǎng)絡則能在無線信息范圍內(nèi)的任意地點存取網(wǎng)絡。首先，無線網(wǎng)絡的一大優(yōu)勢是它的移動性，可以讓使用者在與無線網(wǎng)絡相連的同時移動且易于安裝。無線網(wǎng)絡可以省去或盡量減少網(wǎng)絡布線的工作量，通常只需在一個或更多的接入點上設置一個或多個接入點，就能形成覆蓋全域的局域網(wǎng)，并且容易進行網(wǎng)絡的規(guī)劃與調(diào)節(jié)。其次，對有線網(wǎng)絡而言，辦公室位置或網(wǎng)絡拓撲的變化都會導致網(wǎng)絡重建，并且再配線是一項昂貴、耗時、浪費和瑣碎的工作，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)絡易于進行故障的定位。如果有線網(wǎng)絡發(fā)生了物理故障，特別是因線路連接不佳而導致的網(wǎng)絡故障，通常難以發(fā)現(xiàn)，維修費用也較高，而無線網(wǎng)絡很容易找到故障原因，只要將故障的設備替換掉，就能重新建立網(wǎng)絡。而且，無線網(wǎng)絡的組態(tài)方法多種多樣，可擴展性很強，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，并在有線網(wǎng)絡中提供無法實施的特征，如“結點之間漫游”。由于無線網(wǎng)絡具有許多優(yōu)勢，近年來，已經(jīng)被廣泛地應用于企業(yè)、醫(yī)院、商店、工廠、學校等領域。

三、無線傳輸網(wǎng)絡在油氣行業(yè)的應用意義

目前，我國石油和天然氣工業(yè)采用無線網(wǎng)絡技術，必須綜合考慮多種因素，增強其應用能力，以適應社會和經(jīng)濟發(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)絡技術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，而運用無線網(wǎng)絡技術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)絡技術簡單方便，還能夠節(jié)約大量的安裝及操作費用。

四、無線傳輸網(wǎng)絡應用中存在的問題

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一步提高。由于鉆井和采油現(xiàn)場的情況復雜，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)的應用將會更加廣泛。在無線通信中，不同技術之間的互補性越來越明顯，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大的漫游需求。當前，無線通信網(wǎng)絡面臨著三大問題。第一，傳輸體系結構不健全。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)的標準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、藍牙技術、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，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，隨著頻段的增加，可以傳送更多的帶寬，但是距離更短。因此，相關人員在網(wǎng)絡容量、延時需求、網(wǎng)絡鏈接（覆蓋面）、電力預算等方面應進行適當?shù)貦嗪狻５谌?，操作安全性存在問題。無線傳輸網(wǎng)絡的安全性需求主要包含四個方面：保密性、身份認證、數(shù)據(jù)完整性、服務不可否認性。在無線通信網(wǎng)絡中，保密是保護信息的重要手段，無線通信網(wǎng)絡的保密服務主要包括：話音和資料保密性、用戶身份和位置保密性、用戶和網(wǎng)絡之間的保密性。

五、無線網(wǎng)絡技術在某油田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的應用策略

（一）無線網(wǎng)絡架構

由于我國石油和天然氣的分布非常廣泛，要將無線技術用于物聯(lián)網(wǎng)，必須先建立一個無線網(wǎng)絡體系結構，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)絡在第一層的基礎上進行互聯(lián)，從而實現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)中進行信息的無線傳輸。

（二）無線組網(wǎng)設計

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，進行無線組網(wǎng)的設計，構建一個數(shù)字化的網(wǎng)絡系統(tǒng)，使相關人員能實時了解石油生產(chǎn)的實際狀況，并對其進行優(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，應根據(jù)油氣生產(chǎn)的實際需求以及頻帶特性進行最優(yōu)設計，確保無線資源的有效管理，達到終端對終端的無線通信。無線網(wǎng)絡采用的是網(wǎng)狀網(wǎng)絡，每個網(wǎng)絡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、自動組織，而利用WMB可以實現(xiàn)網(wǎng)絡骨干和無線異構網(wǎng)絡之間的通訊。在體系結構中，網(wǎng)絡終端和設備可以共同組成一個用戶，并最終形成多個融合的異構網(wǎng)，因此，WMR必須具有多個網(wǎng)絡的協(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)絡的容量和能量控制。

在無線傳輸技術的實施中，為了確保在接入網(wǎng)絡時不受環(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)絡的容量。又因為無線通信技術對數(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，為了保證睡眠技術和收發(fā)技術的效率和節(jié)約性，也需要對能源進行控制。此外，無線傳輸技術在物聯(lián)網(wǎng)中的應用包含了切換和定位的管理，在實際應用中會采用幾種轉(zhuǎn)換技術，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)絡之間進行跨網(wǎng)轉(zhuǎn)換，使不同類型的無線設備能夠進行無縫連接。由于異構網(wǎng)絡的傳輸技術、傳輸速率、某些頻率等因素的影響，加上其結構不同，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；其次是進行身份驗證，在此階段，用戶可以使用AP進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)的準確傳遞。

（四）采用NB技術解決方案

1.技術體制

NB技術是一種低功率廣域網(wǎng)LPWAN連接技術，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用場合，用于傳輸文字信息。NB和LTE的體系結構類似，NB網(wǎng)可以建立在LTE網(wǎng)絡上，在LTE的基礎上做一些特別的改進，使得NB技術可以適應一些特殊的情況。

2.實際組網(wǎng)方案及結果

本文以西南油氣田網(wǎng)絡接入和服務系統(tǒng)的科研課題為實例，針對氣礦邊遠、低效井、閥室的信息化建設周期長、成本高的問題，通過對無線物聯(lián)網(wǎng)技術的調(diào)查與對比，可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)3G/4G技術在長距離上具有很高的穩(wěn)定性，而WIFI、Bluetooth等技術距離又過于短小，ZigBee的通信技術在遠程、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，這些通信技術沒有一種適合于偏遠低效井和閥室的數(shù)據(jù)采集和傳輸。而LPWAN技術在電力、物流、智慧城市等方面得到了廣泛應用，適用于偏遠地區(qū)低效井、閥室的信息化建設。該項目在深入分析物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術、業(yè)務需求、技術需求的基礎上，確定了系統(tǒng)的整體架構：感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、網(wǎng)絡層和應用層。感應層是指在井下布設的各種傳感器，如無線壓力、溫度等，并利用無線網(wǎng)絡技術將資料傳送至車站的無線網(wǎng)關，對站點內(nèi)部的無線網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)處理，再利用網(wǎng)絡層的無線通信技術向服務器發(fā)送數(shù)據(jù)。在應用層，可以對數(shù)據(jù)進行處理、顯示、分析和存取，最終達到監(jiān)測井站數(shù)據(jù)的目的。

3.特點分析及應用場景建議

NB技術是一種基于物聯(lián)網(wǎng)的新技術，也是一種低速率的遠程物聯(lián)網(wǎng)技術，主要技術特征有：一是覆蓋廣泛，采用重復傳輸和Turbo編碼等技術，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)技術相比，NB技術的上升容量得到了極大的提升，一個基站可以連接50000個終端設備；三是低功耗，NB技術支持低功率模式，終端的待機壽命可達到10年；四是信號穿透性強，對比GSM和LTE，NB技術提高了20 dB的增益，增強了信號的穿透性；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，當物聯(lián)網(wǎng)設備需要存儲海量的數(shù)據(jù)或頻繁使用的數(shù)據(jù)時，NB技術是不適用的。

六、西部某作業(yè)區(qū)無線網(wǎng)絡架構實例研究

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

利用TD-LTE（4G）技術，可以有效地彌補光纖網(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)絡中，可借助移動沙丘對TD-LTE（4G）網(wǎng)絡的影響，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)域的機房內(nèi)，并與eNodeB的BBU BBU主控傳輸板LMPT進行通信。為了提高系統(tǒng)的可靠性，eCNS與匯集層交換器之間采用負載分攤或主備用模式。基站eNodeB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)絡管理設備、eCNS設備的路徑規(guī)劃，可以滿足業(yè)務、網(wǎng)絡管理和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)絡的安全性，可以對TD-LTE中的獨立VPN進行邏輯隔離，相關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致信號品質(zhì)不佳。

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

無線網(wǎng)橋技術是當前最受歡迎的寬帶局域網(wǎng)技術，具有帶寬高、傳輸速度快、能夠進行短程視頻傳送、沒有頻率復用、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)合站中設置了1套網(wǎng)橋同步。所有設備全部采用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)絡體系結構已基本完成，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進行優(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、結束語

隨著我國信息化進程的加快，無線網(wǎng)絡技術在國內(nèi)得到廣泛應用與發(fā)展，將無線技術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結構，從而進行體系結構的分析，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)絡技術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，相關人員必須要考慮到無線組網(wǎng)的設計、無線網(wǎng)絡的體系架構和無線組網(wǎng)的方案，確保無線技術得到有效運用。

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

參? 考? 文? 獻

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