5G通信技術在高含硫天然氣生產場站的推廣應用研究

左應祥 韓光譜 馬清 何軍 文其志

(1.西南油氣田公司重慶氣礦工藝研究所，重慶 400021；2.重慶氣礦工藝研究所，重慶 400021；3.重慶慶云石油工程技術有限責任公司，重慶 400021；4.新津川港燃氣有限公司，四川 成都 611430)

0 引言

隨著改革開放步伐，我國經濟進入高速發展時期，對能源的需求，日益增長，尤其在對天然氣的需求上，達到了歷史高峰。同時，隨著社會的發展和時代的進步，無論是從國家法律法規要求層面，還是從民眾自身心理安全預期層面，把對人的生命安全的重視程度提得越來越高。在高含硫天然氣生產場站，充分利用先進的5G通信技術，可以有效地保障生產場站人員的生命安全，防止和減少對環境造成破壞。

1 5G通信技術在高含硫天然氣生產場站智慧系統的要求

5G通信技術是第五代移動通信網絡技術，具有高帶寬、大連接、低時延特性。5G通信技術通過構建分布式的核心網絡，利用網絡切片技術，將物理網絡劃分成多個虛擬網絡，可以優化網絡資源分配，滿足多元化需求。結合物聯網、云計算、大數據等技術，可以有效降低作業活動安全風險，實現智能化生產管理。基于現有油田，在原有設計方案的基礎上加入先進的5G邊緣計算、SPN、SDN、NFV、大數據、人工智能等技術，形成全新的基于5G的智慧油氣田解決方案，包括：基于5G的油氣水井物聯網解決方案、基于5G的站場無人值守解決方案和基于5G的管線監測解決方案等。借助先進信息技術和專業技術，全面感知油氣田動態，自動操控油氣田行為，預測油氣田變化趨勢，持續優化油氣田管理，科學輔助油氣田決策，使計算機信息系統智能的管理油氣田。

2 在高含硫天然氣生產場所5G通信系統技術的組成

2.1 高清視頻監控及回傳系統

在每個重點區域均設置高清攝像頭，如大門、加熱爐、泵房、罐區等重點區域全覆蓋，視頻通過 5G通信技術實時傳輸至服務器，調度室可通過視頻監控客戶端隨時查看站場內的異常狀況，以及調閱回放歷史錄相。對重點區域內的跑冒滴漏或各種險情進行有效地監視。同時實時的高清視頻圖像分析，通過各種算法規則的設定來檢測圖像中的某種行為并發出報警，包括區域入侵監測、絆線檢測、遺失檢測、遺留檢測、方向檢測、徘徊檢測、人群流量統計等。

2.2 機器人站內輔助功能

利用機器人搭載高清攝像頭和熱成像攝像頭，對溫度敏感區域進行測溫，如加熱爐、站內氣水管線、泵體、罐體等，一旦出現溫度越限的情況機器人就能及時報警；高清攝像頭對過熱部分進行觀察分析。實時回傳的視頻和數據能夠自動保存到后端的平臺，可以進行事后的計算分析，以供后期的運營維護管理決策。基于5G大帶寬以及低時延技術的排險機器人可以在高溫、毒氣等情況下，靠近險情發生地點，將近距離的高清視頻回傳至指揮中心，以判斷險情發生原因，指導排險工作；同時利用機器人搭載的機械臂，在人員無法靠近的情況下對閥門進行關閉操作，或將火源撲滅。機器人的輔助排險能夠極大的減小排險過程中的人員傷亡，提高搶險的安全系數。

2.3 VR/AR輔助控制

VR/AR作業輔助以頭戴式計算機為載體，基于平臺提供的人工智能服務，通過智能感知、智能交互，適配企業標準化作業流程；將智能眼鏡與開發生產基礎工作標準化管理成果、規程相結合，實現場站基礎工作質量標準信息化支撐，讓場站員工在生產現場操作有據可依。在生產巡檢等方面，利用機器深度學習、圖像學習、人工智能識別等高新技術，結合VR/AR技術，將反饋信息疊加顯示在眼鏡上，為一線員工帶來全新作業體驗，助推企業實現智能化升級轉型。

3 5G通信技術在高含硫天然氣生產場所的推廣應用研究

3.1 AR智能作業輔助系統研究

語音識別：通過AI降噪算法，可在工業噪聲中識別語音，經過AI訓練，有效提高語音指令準確性的輸入。智能作業輔助：使用頭戴式計算機替代手持終端，將作業指導的多維信息實時疊加至操作部位，實現作業指導“可視化”，聯動語音提示模塊，可自動播報作業要點與難點，形成全方位指導，提升作業質量，降低誤操作風險。設備工藝擬合：將設備3D工藝動畫匹配到設備實景中，將理論與實踐融合在一起，使得作業要求和指導更加生動和易于理解，促使關鍵、復雜的操作變得更加容易和安全。基于AR的人臉識別擴展：將人臉識別技術應用于進出站驗證，代替以往員工通過手持終端手工錄入準入碼的過程，更方便快速高效。

3.2 無人機巡檢研究

巡檢無人機主機：主要負責飛行及數據采集工作，通過搭載不同的負載設備從而達到不同的作業目的。掛載可見光相機，拍攝高清照片，通過系統導出至第三方內業處理軟件，合成全景圖片后倒入系統進行查看。掛載可見光相機，拍攝高清視頻，可實時查看巡檢畫面，并保存視頻影像。云端控制系統：系統具有任務處理、數據加密及處理等功能，所有的數據指令全部通過云端控制系統進行上傳和下發。可選擇云存儲模式保存巡檢影像成果。本地飛行控制端：在本地部署的飛行控制端，將各類飛行控制功能、任務管理模塊、航線規劃模塊等集成其中，并具有本地保存巡檢數據成果的功能，包括視頻成果和圖片成果等。

3.3 智能機器人巡檢研究

激光導航引導機器人路徑；采用激光導航，現場環境適應性高。可通過路徑導航，根據系統規劃的路徑運行。也可以自由導航，無需路徑，確定目標點，機器人在移動過程中會進行自主避障和動態規劃。機器人智能領工：可引領運維人員到達指定地點，查看歷史巡檢錄像，實現內網遠程操控，并在指定地點巡檢工作。機器人自動智能巡檢：機器人按照對應地圖自主生成巡檢路線。實現對指示燈的識別，展示巡檢任務軟件平臺與展示歷史記錄的功能。巡檢結果與告警可在平臺與工作臺展示。溫度敏感區域機器人測溫與分析：通過搭載高清攝像頭和熱成像攝像頭，對溫度敏感區域進行測溫，溫度越限的情況下機器人能及時報警；高清攝像頭能對過熱部完成智能讀表、故障分析等功能。

3.4 5G技術應用管理模塊研發

高含硫氣田5G通信及應用系統是由AR智能作業輔助系統、智能機器人巡檢研究、無人機巡檢研究等多個子系統組合而成的綜合復雜的系統，為了使各個子系統之間互相協調，數據共享，統籌規劃、統一標準，保證系統的兼容性和工業建設質量。

3.4.1 AR智能作業輔助系統

在工作開始前，系統根據檢修任務，自動匹配推薦合適的檢修工具。工作開始時，在工作場景中疊加多維信息，展示簡單友好的操作界面，跟隨系統實時指引，結合語音提醒，讓用戶輕易上手逐步完成生產操作，簡化操作難度，避免操作紕漏或者操作錯誤。

3.4.2 無人機巡檢研究

系統具備數據實時傳輸功能、數據管理、任務規劃及圖像識別四大功能模塊。系統支持5G實時高清畫面回傳、飛行軌跡與對應航跡影像同步記錄、圖像預警識別統計、遠程航線下發與航線共享等關鍵功能。用于輔助無人機開展線路巡檢工作，實現無人機巡檢工作工單化，自動化，可視化，同時采用機器學人工智能對線路上的隱患進行自動識別和發現，為無人機管網維護提供有力支撐。

3.4.3 智能機器人巡檢研究

系統研究對象包括智能控制研究，導航與定位技術研究，在線監測方法與作業技術研究三大功能模塊。根據系統規劃的巡檢路徑、巡檢點進行控制，并根據系統規劃路線進行導航，與實時定位產生巡檢軌跡。同時系統自動生成巡檢圖像、巡檢視頻、異常報警、巡檢軌跡等相關統計數據。大幅提高作業效率、降低勞動成本、減少維護人員的風險。

3.5 5G邊緣計算應用研究

為實現場站立體空間全方位防控，提高過去依靠肉眼或“遠水救不了近火”的窘境，以人工智能和5G邊緣計算為手段，在井站部署高清攝像頭，監控視頻通過5G網絡上傳至大貓坪中心站5G邊緣云，通過部署于其上的安防平臺進行邊緣側的視頻識別推斷和存儲，將視頻和推斷結果上報至DCC，并通過大屏、喇叭、短消息等與井站進行聯動，實現實時監控、自動發現問題、主動預警。

4 結語

5G作為工業互聯網的重要支撐載體，將“打通”各生產要素，配合智能化技術，實現不同生產要素間的高效協同，從而提高生產效率，使工業互聯網的智能感知、泛在連接、實時分析、精準控制等需求得到滿足，實現操作空間集中化、操作崗位機器化、運維輔助遠程化、服務環節線上化，把員工從現場解放出來，實現少人、無人作業。通過構建 “5G+邊緣云計算+大數據+人工智能”新架構，建立“智慧油氣田”。