无线异构网在油气生产物联网的应用

2015/9/14 16:19:53

无线异构网在油气生产物联网的应用

Applicationof Wireless Heterogeneous Networks

inIOT of Oil and Gas Production

邓若虹¹，赵世睿²，薛广民³，王庆伟⁴

（1、3南方石油勘探开发有限责任公司，海南海口　570216

2北京中油瑞飞信息技术有限责任公司，北京　102206

4大庆油田信息技术公司北京分公司，北京 100040）

摘要：油气生产物联网（A11）系统是《中国石油“十二五”信息技术总体规划》的重要建设项目，分为三个子系统：生产数据采集与控制子系统、数据传输子系统、现场监控与管理子系统。本文主要介绍一种由无线网桥+LTE230无线异构网络构建的数据传输子系统应用方案，该方案既利用了230MHz频段LTE系统的信号传播距离远，稳定性高、绕射能力强和广覆盖的特点，同时发挥了网桥点到点通信灵活、低成本和高传输速率的优势，可以完全满足福山油田油气生产物联网对生产数据、控制数据和视频图像实时传输的需求。

关键词：无线传输异构网络油气生产物联网系统

Abstract: IOT of Oil andGas Production (A11) system is a major construction project in China Petroleum "Twelve Five" IToverall plan, the system consists of three parts: production dataacquisition and control subsystem, the data transmission subsystem, on-sitemonitoring and management subsystem. This paper describes a wireless bridge +LTE230 wireless heterogeneous network solution, the solution has both the characteristicsof 230MHz band LTE system: long distance of signal propagation, high stability,and strong and wide coverage of diffraction, and advantages of wireless bridge:point to point communication flexibility, low cost and high transmission rate.The solution is able to meet the demand of real time transmission of productiondata, control data and video images in Fushan IOT of Oil and Gas Production.

Key words: Wireless transmission; Heterogeneous networks; IOT of oil and gas production system

1引言

近年来，随着物联网技术的不断应用，国内油公司加快了油气生产物联网的建设。中国石油油气生产物联网（A11）系统是《中国石油“十二五”信息技术总体规划》的重要建设项目，通过建立覆盖油气井区、计量间、集输站、联合站、处理厂规范、统一的数据管理平台，实现生产数据自动采集、远程监控、生产预警，支持油气生产过程管理，进一步提高油气田生产决策的及时性和准确性。目前，中国石油油气生产物联网项目已率先在中石油的油气田进行了试点示范建设。

油气生产物联网系统按照物联网的体系架构分为三部分，即数据采集与控制子系统、数据传输子系统、生产现场监控与管理子系统^[^１^]。数据传输子系统作为油气生产物联网中的重要组成部分，主要是利用数据通信技术，实现生产数据、控制数据和视频图像的实时传输，为生产数据自动采集、远程监控、生产预警，生产过程管理等应用提供一个稳定、可靠、安全、高效的数据传输平台。

在网络传输方面，主要采用有线和无线方式，根据地理特征、场站分布、传输效率、成本控制、维护管理等诸多因素，油气生产物联网的前端数据传输网络通常采用无线传输技术，所部署无线网络系统有以下特点：

(1)场站分布不均衡，点对点距离远近不一，要求无线网络系统支持长距离传输，网络覆盖面积广；

(2)现场数据采集、监控数据项繁杂、数据流量大，要求无线网络系统传输效率高，冗余处理能力强；

(3)气候条件多变、自然环境恶劣,要求无线网络系统设备质量可靠、性能稳定、自愈能力强、维护率低；

(4)安装、调试、维护数量庞大，要求无线网络系统设备价格适中、可控成本。

目前常用的无线数据传输方式有GPRS/3G、数传电台，LTE1800、LTE230，McWill和无线网桥等，它们在工作频段、传输速率、覆盖范围、扩容性及建设运行成本等方面各有优劣势。近两年来，随着4G无线传输技术的不断发展成熟，物联网建设中LTE1800和LTE230等4G新技术的应用也越来越广泛。各油田物联网的数据传输子系统的建设可从实际出发，选择一种或多种无线传输方式的组合，以满足实际生产的需求。

本文主要以福山油田油气生产物联网为实例，介绍一种无线网桥+LTE230无线异构网络的应用方案。

2数据传输网络选型

2.1 无线数据传输技术对比分析

在油气生产中常用的无线数据传输方式有数传电台、GPRS/3G、LTE1800、LTE230，McWill和无线网桥等。下面主要简介无线网桥及LTE230技术，并对目前常用的GPRS/3G 、LTE1800、LTE230及网桥的性能进行简要对比分析。

无线网桥就是无线网络的桥接，它可在两个或多个网络之间搭起通信的桥梁（无线网桥亦是无线AP的一种分支）。无线网桥除了具备有线网桥的基本特点之外，无线网桥工作在2.4G或5.8G频段免申请无线执照，因而更方便部署。无线网桥传输标准常采用802.11a 、802.11b、802.11g、802.11n标准，802.11n是无线网桥新一代的高带宽传输标准，具备300Mbps高速率以及MIMO天线技术，使得无线网桥性能提升到一个新的高度。无线网桥可以广泛应用在不同数据传输点间的互联，有四种工作方式：无线覆盖、点对点，点对多点，中继连接。特别适用于近距离、远距离点到点以及点到多点通讯。在物联网应用中，无线网桥通常是安装于室外，主要用于连接两个（点对点PTP连接）或者多个网络节点（点对多点PTMP连接，类似于无线AP的方式）。无线网桥传输具有带宽高，抗干扰能力强的优势。

LTE230系统是针对行业物联网应用的无线通信需求，基于OFDM、自适应编码调制、自适应重传等4G核心技术，使用各行业在230MHz频段已有离散频谱资源，创新研发、为行业客户深度定制的无线宽带通信系统。LTE230具有覆盖广、容量大、频谱效率高、频谱适应性强、安全性高、可靠性好、部署扩展平滑等特点。针对行业数据采集业务终端分布范围广且分散的特点，采用广覆盖基站可大幅度减少同等面积的部署成本。LTE230系统工作在230MHz频段，针对230MHz频段，国家无线电管理委员会发布的《关于印发民用超短波遥测、遥控、数据传输业务频段规划的通知》^[2]（国无管[1991]5号）中规定，能源行业拥有专用的授权频点，由于在油气生产物联网中有频率使用政策上的天然优势，结合4G LTE先进技术及广覆盖优势，LTE230具有良好的应用价值。

表1 几种常用无线数据传输方式性能比对表

通过对目前常用的GPRS/3G 、LTE1800、LTE230和网桥传输方式的综合对比（参见表1），可总结如下：

(1)无线传输的覆盖范围很大程度上取决于无线电波的工作频段，低频段无线电波较高频段无线信号的空间传播衰落慢，传播距离远；在存在遮挡和阻隔的传输条件下，低频段能够更好的绕过遮挡障碍。

(2)复杂地形的适应性决定了无线传输系统能否全面满足目标覆盖区域的数据传输要求。对于传输地点分散的情况，要实现全覆盖数据传输要求，高频无线系统的基站建设数量就要加大，建设成本会因此而增加。

(3)公网的初期建设成本低，但是专线租用费或终端数据流量资费都较高；专网方式初期建设成本高，但运行成本低，在覆盖区域内新增传输数据点，只需增加的终端设备费用，因此专网更具有优势。

(4)在业务承载能力方面，无线网桥及LTE1800工作频率较高，具有较强的数据传输能力，可传输实时生产和视频监控数据；网桥还可以传输高清视频信号。而LTE230使用低频，传输速率受到限制，只能承载数据传输或者图片数据的传输，不能传输视频数据。

2.2 无线数据传输网络选型

福山油田位于海南省西北部澄迈县境内，澄迈多属平原台地，地势南高北低，南部为丘陵山地，中部为河积平原，北部为台地和海积平原。由于福山油田地形地貌有一定起伏变化，加之当地树高且茂密，对无线信号的传播造成了遮挡，部分区域由于地形遮挡形成了信号空洞，采取传统的技术手段不能很好的实现建设的预期效果。该区域林衰严重，平均路损为平原开阔地区的一倍以上，空气湿度大，无线信号的衰减比较严重，地面无线传播在一两公里内急剧衰减，从站点选择上，很难找到理想的直视传播路径。

福山油田油气生产物联网在无线传输系统设计阶段，进行了无线信号传播实地勘测和仿真。所测结果表明：以生产监控中心基站为基点，LTE230无线信号东向覆盖约为7-8公里，其他方向覆盖约为10-15公里，无线网桥信号覆盖范围约为3-5公里。

LTE230具有复杂地形的适应性强及综合成本低等优势；按照油田总的井数及单个井场数据传输量计算，LTE230的传输能力能满足实时生产数据及部分图片数据的传输需求。网桥的优点是数据传输频带宽、传输速率快，能够满足生产数据、图片及视频数据的需求。故采用无线网桥与LTE230蜂窝覆盖相结合组成异构网，整体上既能全面覆盖，最大限度降低复杂地形地貌对无线传播造成的不利影响，同时基础建设规模能够受控，降低初期建设成本。

综上所述，综合考虑福山油田规模小井数不多以及数据传输环境的实际情况，本文选择无线网桥+LTE230无线异构网络的无线数据传输应用方案。

2.3 数据传输量估算

福山油田油气生产物联网传输的数据主要有三类，一类是实时生产和控制数据，如油气水井、计量间、站库的油压、套压、温度、功图、电参等实时采集的生产，第二类是控制数据；第三类是用于监控管理的实时视频图像或图片、语音数据。

（1）实时生产数据传输估算

实际勘察福山油田单个井场的机采井、注水井或自喷井数量通常不超过10个，井场及单井实时生产数据量见表2：

表2 井场及单井采集数据计算表

数据名称	单位数据量大小（Bit）	单井场最大数量	单位数据量小计（Bit）
状态	2	10	200
油压	32	10	320
套压	32	10	320
回压	32	10	320
温度	32	10	320
功图	16000（500数据点）	10	160000
电参	320（10数据点）	10	3200
总计	16450		164500

计算参考：1 Byte = 8 Bits ；1 KB = 1024 Bytes ；1 MB = 1024 KB ；164500Bits=164500/1024Kbit=160.644Kb；假设采用10秒刷新一次数据的频率，单个井场生产数据传输带宽要求约为：160.644Kb/10s=16 Kbps，即单个井场的要求数据传输速率不得低于16Kbps。

（2）实时视频及图片数据估算

福山油田井、站场采用200万高清视频监控设备，根据实际带宽可选择主、辅码流进行视频传输，具体参数见表3：

表3 200万像素云台摄像机相关参数表

类目	主码流	辅码流
编码模式	H.264	H.264
分辨率	720P（1280*720）	D1（704*576）
帧率（FPS）	25	25
码流控制	固定码流	固定码流
码流	4096Kbps	1536Kbps
帧间隔	50	50

一台高清摄像机视频数据传输带宽要求为4096Kbps/1024，即为4Mbps。

根据摄像机每张高清图片压缩后为100KB，按照150KB估算,采集周期为1分钟，则每个井场进行图片采集的数据流量要求为：150K*8/60，即为20Kbps。

通过分析可以得出，无线网桥+LTE230无线异构网络可以满足福山油田的数据流量需求。

3无线异构网络应用方案

根据上面的分析得出，无线数据传输方式更适用于海南福山油田，在无线组网方式中，采用无线网桥+LTE230双网异构的方式既能满足数据传输频带宽、传输速率的需求，也能实现全面覆盖，最大限度降低复杂地形地貌对无线传播造成的不利影响。通过对数据流量的估算可得出，无线网桥+LTE230双网异构的组网方式能满足对带宽的要求，因此本文选择无线网桥+LTE230双网异构的应用方案。

无线网桥+LTE230双网异构的应用方案具体部署如下：整个无线传输网的架构以网桥宽带为主，LTE230窄带为辅；无线网桥对重点井以“点”覆盖， LTE230以“面”覆盖；同时兼顾中心站点附近或地势平坦遮挡物少的井场，采用无线网桥传输方式，距中心站点远或遮挡物密集的井场，则采用LTE230传输方式的原则。无线网桥选用奥维通设备，LTE230系统选用普天公司设备，福山油田油气生产物联网无线异构网络架构见图1。

无线网桥传输系统由中心基站、汇聚点和远程终端三部分组成，在地势较高的井场设立汇聚点通信铁塔，塔上部署奥维通54Mbps点对多点无线中心网桥，用于接收汇聚点周围可视范围内井场实时生产视频数据；汇聚点通信塔与中心基站通信塔各部署奥维通350Mbps点对点无线网桥设备，用于基站之间骨干网络传输。

LTE230网络主要由核心网、基站及CPE无线终端组成。井场使用普天CPE202无线终端设备；基站设备(eNodeB)部署在汇聚点通信塔，它汇集周边8—12公里范围内井场传送来的生产数据及视频图片数据，并进行数据的回传；核心网（EPC）部署在生产管理中心附近的中心基站，LTE230基站与核心网之间的通信共用奥维通350Mbps点对点无线网桥骨干网络。

生产数据传输：井站采用国内主流无线RTU控制器，控制器支持双IP链路。在有无线网桥和LTE230双网组合的井场，奥维通终端无线网桥将数据传送至汇聚点中心网桥。当无线网桥出现传输故障时，普天LTE230无线终端自动接管数据传输，并将数据上传至汇聚点的LTE230基站，经汇聚点的350Mbps点对点网桥骨干网将井站生产数据上传至油气生产监控中心。在仅安装LTE230无线终端通信的井场，LTE230无线终端将数据上传至汇聚点LTE230基站，由350Mbps点对点网桥设备将数据上传至油气生产监控中心。

视频数据传输：在无线网桥和LTE230双网组合的井场，实时视频数据通过奥维通终端无线网桥上传至汇聚点中心网桥，然后由点对点网桥骨干网上传至生产监控中心。在仅有LTE230无线终端通信的井场，视频图片直接通过LTE230无线终端上传至汇聚点LTE230基站，由350Mbps点对点网桥骨干网将各井站视频图片上传至油气生产监控中心。

本无线异构网采用两级网关的方式，无线网桥的网关设置在中心侧， LTE230系统的网关设置在终端侧。在工作状态，LTE230系统能够智能识别出广播数据无中心网关响应的情况，一旦中心网关无响应，则立即进行网关接管并切换数据传输网络，由LTE230系统来传输数据。

图1 福山油田油气生产物联网无线异构网络架构图

4 结束语

本方案中由LTE230系统和无线网桥技术组建的无线异构网，既利用了230MHz频段LTE系统的信号传播距离远，稳定性高、绕射能力强和广覆盖的特点，同时发挥了网桥点到点通信灵活、低成本和高传输速率的优势，双网异构又进一步保障了生产数据传输的实时性。无线网桥+LTE230无线异构网在实际应用中运行稳定、可靠、安全、高效，完全可以满足福山油田油气生产物联网对生产数据、控制数据和视频图像实时传输的需求。

福山油田油气生产物联网项目的成功实施，不仅实现了生产操作的自动化、生产管理的流程优化，而且优化了劳动组织结构，提高了工作效率，达到“节人、节能、节约运行成本”的目的，为实现数字化智能化油田奠定了良好的基础。