基于無線通信的海上油田監視系統設計與實現

秦 超，賈 璕，孫毓斌

（中海油信息科技有限公司天津分公司，天津 300450）

基于無線通信的海上油田監視系統設計與實現

（中海油信息科技有限公司天津分公司，天津 300450）

針對海上傳統應急通信系統不能滿足應急需求的現狀，提出一種基于無線自組網的海上應急無線通信系統。根據應急通信系統在可靠、健壯、靈活等方面的要求，詳細闡述了該網絡的設計思想和方法，包括網絡分層框架、系統結構和網絡結構。在此基礎上，說明了應急通信網絡的部署方案和有關注意事項。最后，歸納了基于無線自組網的海上應急無線通信系統的實現效果。

無線通信；監視系統；海上油田

隨著海上油田的信息化建設，海上平臺已經由衛星、微波聯合組建一個大寬帶網絡，為平臺上的終端用戶提供了互聯網訪問、VOIP語音電話和其他數據業務等多種通信服務。但為海上平臺服務的船舶，由于成本、安裝空間限制或船只改造難度等原因，只有應急指揮船安裝動中通衛星設備，實現了與陸地之間的實時雙向通信，可在船只航行過程中全程為用戶提供通信服務。

當海上某平臺出現應急情況時（溢油、火災、井噴），啟動應急響應，應急指揮中心第一時間通知應急指揮船趕赴現場，并調度其他作業船舶前往應急點，進行救助作業（滅火、處理漏油、人員救助等）。應急指揮船作為應急救援的中心船，事故現場只能夠通過中心船采集音視頻等各種信息，回傳至應急指揮中心，其他作業船舶無回傳通道，只能通過傳統對講進行指揮調度、溝通協調。因此，需要引入新的技術手段和方法，快速部署應急通信網絡，為各類用戶及時提供多樣化的滿足各種需求的通信服務，對特定區域進行實施監控，對緊急突發事件做出快速響應，并能有效協調各種救援力量實施應急搶險工作。

隨著信息網絡技術的快速發展，許多新興的技術手段逐漸成熟并在應急通信領域展現出其特性，例如Ad Hoc網絡[4]、無線傳感網[5]和無線自組網絡等形式，尤其是目前得到業界廣泛研究的無線自組網（Wireless Self-Organizing Network，WSON）。無線自組網是移動通信網絡和計算網絡的有機結合，具有無基礎設施支持、自動組網、多跳協作轉發等特點，網絡抗毀性和靈活性較強，尤其適合建立海上應急無線通信網絡。

1 海上應急無線通信系統設計

1.1 設計思想

海上應急無線通信系統往往需要工作在復雜環境中，海上氣象環境變化多樣，網絡規模有大有效。這種網絡具有如下顯著特點[1-2]：設計多種具有不同能力和特性的網絡系統，如微波傳輸網、蜂窩移動通信網絡、衛星網絡；包含很多移動速度和處理能力不同的通信單元，并且通信單元之間需要協調通信；業務種類繁多，信息傳輸具有不對稱的特點，如現場應急人員接受的信息通常多余發送的信息，現場應急視頻回傳至后方指揮中心等。

針對上述特點，基于無線自組網的海上應急無線通信系統總體設計思路為：針對海上應急通信場景的實際需求，依托鄰近平臺現有網絡與臨時部署的無線自組網，充分發揮無線自組網快速自動組網，高靈活性的優點，融合周邊平臺現有通信方式，有效整合微波、無線自組網和衛星等多種通信手段的綜合型應急通信網絡，為處置應急突發事件提供一種可靠、靈活、具有較高生存性的通信支撐平臺，使得應急指揮中心能夠及時、準確和順暢的獲取應急現場的各種信息，切實增強應急環境下的通信服務保障能力。

1.2 設計方法

為了構建靈活、健壯、可擴展且通用性強的海上應急通信網絡，基于網絡覆蓋和網絡分層的思想設計了一種通用的應急通信網絡分層框架[5]，如圖1所示。

圖1 海上應急通信網絡分層框架

該框架劃分為數據鏈路層、信息收集層、應用業務層。通信網絡層由當前可用的如衛星、微波等有基礎設施通信網絡和臨時部署的如無線自組網等無基礎設施通信網絡構成，為以上兩層功能的實現提供物理網絡支持；信息收集層負責收集和存儲各個自組網節點的必要信息，各終端的GPS、GIS信息及語音、視頻、管理控制信息；應用業務層提供各種應急通信應用和服務，例如語音電話、視頻電話、視頻會議、視頻監控等。

應用業務層和信息收集層需要數據鏈路層接收和發送數據，應用業務層和數據鏈路層需要信息收集層提供的信息確定所在位置、鏈路狀態和一些管理信息，應用業務層從信息收集層獲取需要的信息，然后使用數據鏈路層提供各種應用和服務。

在分層框架的基礎上，設計系統和網絡結構。從系統結構看，海上應急無線通信系統是一個多層次分布式信息系統，具體包含4個層次，從下到上依次是：網絡設施層、公共服務層、特定功能層和應用系統層。應急通信網絡的系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構

1）通信網絡層涵蓋海上平臺、船舶可能涉及的各種網絡，包括在平臺建設的LTE專用通信網絡、微波網絡及無基礎設施的無線自組織網絡。

2）公共服務層包括視頻監控、全球定位系統（Global Positioning System，GPS）、 地 理信 息 系統（Geographical Information，GIS）服務和氣象信息，為上面的功能模塊提供公共支撐服務。其中，視頻監控包括鄰近平臺、應急指揮船已安裝的和在普通船舶部署的各類攝像頭，用來從多角度獲取應急現場的視頻信息，全面了解應急現場情況；GPS用于輔助終端定位，氣象信息用來了解應急現場天氣狀況。

3）特定功能層是在公共服務層的基礎上，針對不同應用的需求完成特定的功能，主要包括網絡管理、負載均衡、服務質量（Quality of Service，QoS）支持和系統安全等功能，目的是增強整個應急通信系統的適應性和可用性。其中，網絡管理涉及網絡設備的配置、網絡性能的調整、移動終端的管理和故障恢復等；負載均衡以應急指揮船為中心，最大限度利用自組網、衛星、LTE等網絡資源；QoS支持要基于業務緊急程度和用戶身份提供區分優先級的通信服務保障；網絡安全確保信息存儲、傳輸和使用的安全，及應用系統自身的安全。

4）應用系統層負責提供各類應急通信服務（如語言、視頻等），包括應急指揮系統、視頻監控系統和視頻會議系統。應急指揮系統以視頻、現場動態等形式向指揮人員提供應急現場的信息，以便獲得全面的態勢圖，作出科學決策。視頻監控系統用于保存應急現場各個終端攝像頭的視頻信息，方便現場和應急指揮大廳中各層級人員的調取。視頻會議系統用于連接在系統結構上，海上應急無線通信系統是一種多層次的立體式的通信網絡，包括海上的船舶、采油平臺和空中的直升機和衛星等設備，是一個綜合運用各種通信手段來構建的應急通信網絡，其結構如圖3所示。

圖3 系統結構

2 海上應急無線通信系統的部署方案

海上應急無線通信系統首先需要建設一個無線自組網傳輸系統，系統由多臺無線自組網電臺節點組成，實現采油平臺和船舶在海上視距5～20km以上距離內，進行雙向的無線通信。

擬在應急指揮船和平臺各安裝一臺無線自組網電臺，接入船載衛星通信系統或平臺的干線微波。在應急指揮船上儲備4～5套無線自組網單兵電臺，并在應急現場，通過應急人員背負并攜帶至臨時征調的普通應急工作船上。通過無線自組網系統實現應急指揮船與各應急工作船、平臺的互聯互通，并通過衛星和微波鏈路實現與岸上指揮中心的雙向音視頻通信。

每條應急工作船的手持式視頻采集設備通過單兵便攜無線AP接入單兵無線自組網電臺。并通過無線自組網網絡連接至應急指揮船的無線自組網電臺。應急指揮船的無線自組網電臺通過以太接口直接接入船上的衛星動中通通信設備，并通過衛星鏈路，接入至陸地端的衛星主站并訪問地面網絡。實現普通船的視頻采集和數據業務的雙向接入。每條距離應急指揮船在10km以內的普通船，可以實現與應急指揮船的單跳直接連接。距離應急指揮船在10km以外的普通船，如果無法與應急指揮船實現單跳直接連接，可以通過已經與應急指揮船連接的其他普通船的自動中繼，實現與應急指揮船的雙向連接。

船隊內所有船只的無線自組網電臺節點均工作在同一頻點內，共享一段最高6MHz（8.9Mbps）的帶寬。數據帶寬在節點之間按需分配。如果船隊由五條普通船和一條中心船組成，每條普通船可獲得2～8.9Mbps帶寬。

本網絡為IP無線局域專網，每個節點都可以為用戶提供兩路有線IP接口、無線WiFi接口和串口，用于用戶的視頻、音頻和數據等多種應用信息的接入和輸出。并可以通過IP接口與衛星通信、微波、LTE或地面網絡等其他網絡形式對接，實現網絡融合和現場音視頻數據向其他網絡的傳遞。

3 結束語

該系統整體架設完成后，每個自組網節點可以與PC或其他數據設備連接，并通過本系統接入至互聯網或用戶的數據專網，實現對網絡的訪問或數據傳輸。手持視頻采集終端設備與無線自組網節點通過單兵便攜無線AP進行連接，并通過本系統與用戶指揮中心的音視頻調度平臺和指揮員之間實現實時雙向互聯，用于實時指揮決策。每個無線自組網系統可實現最高8.9Mbps的傳輸速率，可同時支持最高2路1 080P或者8路D1圖像的實時傳輸。

[1] Chiti F，Fantaccoi R.A broadband wireless communications system for emergency management[J].IEEE Wireless Communications，2008，7（6）：8-14.

[2] Ansari N，Zhang C.Networking for critical conditions[J].IEEE Wireless Communications，2009，7（4）：73-81.

[3] 王海濤，朱震宇，傅鷹.應急通信網絡設計及關鍵技術探討[J].指揮信息系統與技術，2010，1（5）：28-33.

[4] 鄭少仁，王海濤，趙志峰，等.Ad hoc網絡技術[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[5] 王雪.無線傳感網絡測溫系統[M].北京：北京機械工業出版社，2008.

D e s i g n a n d R e a l i z a t i o n o f O f f s h o r e O i l f i e l d Mo n i t o r i n g S y s t e m B a s e d o n Wi r e l e s s C o mmu n i c a t i o n

Qin Chao，Jia Xun，Sun Yu-bin

Aiming at the situation that the traditional marine emergency communication system can not meet the emergency demand，this paper proposes a maritime emergency wireless communication system based on wireless ad hoc network.According to the requirements of reliability，robustness and flexibility of emergency communication system，the design idea and method of the network are described in detail，including network hierarchical framework，system structure and network structure.On this basis，the deployment of emergency communications network and the relevant considerations.Finally，the effect of the maritime emergency wireless communication system based on wireless ad hoc network is summarized.

wireless communication；monitoring system；offshore oil fi eld

TP277

A

1003-6490（2017）08-0030-02

2017-06-01

秦超（1987—），男，河北保定人，工程師，主要研究方向為無線傳輸系統。