基于智慧油氣5G應用建設的探討

蔡權

（勝利油田信息化管理中心，山東 東營 257091）

0 引言

社會對無線連接的需求，主要來自越來越多的移動媒體服務和應用，這種需求推動了移動流量的指數式增長。據推測從2010年到2020年，移動流量上升了1000倍，這一數字后來被修正為250倍。由此顯現，機器類通信將變得越來越重要，而到目前為止人類仍然是通信服務的主要對象。預測顯示通信設備的數量在2020年將達到250億。

機器類和人機無線通信在眾多經濟領域和行業的應用不斷增多，對無線網絡提出了大量而廣泛的需求，具體表現在成本、復雜性、功耗、傳輸速率、移動性、時延和可靠性等方面。例如感知物聯網要求無線時延降低到1ms。IMT-2020針對2020年后的通信愿景，提出了相關的應用情境，包括：增強移動寬帶、超高可靠與低時延通信和海量機器類通信。

1 智慧油氣5G應用建設方案

1.1 高帶寬類業務

高帶寬對應5G eMBB場景，在智慧油氣的應用以視頻監控、機器人/無人機巡檢等為代表，該類業務對傳輸帶寬要求高，實時性及安全隔離性要求次之。該類業務與5G網絡的結合點在于：以5G網絡為傳輸通道，借助5G無線網絡實現靈活接入及大帶寬傳輸[1-3]。該類業務通常需配置相應的視頻終端，主要為高清攝像頭及配套的機器人、無人機、頭盔等。

（1）高清視頻監控。通過架設4K/8K超高清攝像頭，對油田場站、辦公、車間、工廠等室內外區域進行監控。監控視頻通過5G網絡實時回傳到監控中心。主要實現基于高清攝像頭通過5G無線網絡接入，支撐高清/超高清視頻回傳。建設方案涉及：①4K/8K攝像頭通過5G無線網絡與外界通信，支撐監控視頻回傳；②在接入方式上，攝像頭通過有線或WIFI采用以太網方式連接5G CPE。而在效益方面，超高清視頻最大的優勢是高分辨率，是繼視頻數字化、高清化之后的新一輪重大技術革新。超高清畫面的信息可以實現更為精準的智能分析，5G網絡正式商用后，監控設備將進一步走進8K分辨率時代，這意味著更高清的畫面，更豐富的視頻細節，視頻監控分析價值更高。

（2）機器人巡檢。巡檢機器人對通信帶寬、移動性要求較高。目前，巡邏機器人通信方式主要有線、近距離無線等通信方式，工作范圍、數據回傳、實時控制操作都受到一定的限制。未來，利用5G網絡的高速率、低時延、大帶寬等特性，通過5G網絡回傳相關檢測數據，進行智能分析，判斷缺陷、故障等，甚至可進行簡單帶電操作。本文機器人巡檢業務指的是通過機器人搭載高清攝像頭和紅外等傳感器，檢查采集現場圖像、溫度、污穢、六氟化硫泄露等信息。智能機器人通過5G無線網絡接入，支撐智能機器人巡檢視頻回傳；在接入方式上，通過智能機器人搭載5G CPE實現視頻回傳，從而實現無人智能巡檢。

建設方案涉及：①機器人通過5G無線網絡與外界通信，支撐巡邏視頻回傳；②在接入方式上，機器人通過有線或WIFI采用以太網方式連接5G CPE。效益方面，目前，巡檢機器人通信方式主要有線、近距離無線等，其工作范圍、數據回傳、實時控制操作都受到一定的限制[4]。使用5G可擺脫此限制，實現對巡檢高清視頻的采集、實時回傳和展示。隨著應用的深入，后續可在巡檢視頻的基礎上，對視頻進一步分析，結合大數據、人工智能等方式，實現對采集的視頻的實時分析，及時發現油氣設施運行存在的問題及時報警提示，及時響應，從而為大量的視頻信息提供有針對性的分析服務。

（3）無人機智能巡檢。利用無人機搭載高清攝像頭，檢查采集輸油管線、儲油罐等的物理特性（如彎曲形變、物理損壞等），將采集到的高清視頻數據實時回傳視頻數據到數據中心，并且可借助于后臺人工智能分析，實時判斷故障點，甚至進行簡單的清除障礙操作。主要實現基于無人機通過5G無線網絡接入，支撐無人機巡檢視頻回傳，在接入方式上，無人機可搭載5G CPE，或者通過控制臺接入5G CPE，本期建議通過控制臺接入5G CPE的方式實現視頻回傳。網絡建設連接示圖如下圖1所示。效益方面，實現對巡檢高清視頻的采集、實時回傳和展示。隨著應用的深入，后續可在巡檢視頻的基礎上，對視頻進一步分析，結合大數據、人工智能等方式，實現對采集的視頻的實時分析，及時發現油氣設施存在的問題及時報警提示，及時響應，從而為大量的視頻信息提供有針對性的分析服務[5]。

圖1 無人機智能巡檢網絡連接示意圖

（4）基于AR/VR智能運檢。運維檢修作為油氣企業核心業務單元之一，在保障油氣設備安全健康、支撐油氣設施安全運行等方面發揮了重大作用。本期主要實現基于AR頭盔、VR攝像機通過5G無線網絡接入，支撐巡檢、專家指導等場景的應用。接入方式上，在示范區域固定場所部署5G CPE，AR、VR通過WiFi方式接入到CPE實現通信。建設方案涉及：1)VR攝像機、AR頭盔及頭顯通過5G無線網絡接入，支撐VR/AR視頻傳輸；2)在接入方式上，攝像機及頭顯通過WIFI接入5G CPE。收益方面，AR/VR用于培訓和檢修，通過AR/VR等技術，可以為員工培訓提供虛擬或增強現實的沉浸式體驗，提升培訓效果。在設備檢修時，AR/VR可以為檢修工程師提供設備的模擬虛擬實物的拆解檢修步驟，包括拆機、裝機、更換零部件等的沉浸式技術指導，還可以與遠方專家進行實時連線，幫助現場工程師診斷故障、聯合制定檢修方案等[6]。目前AR/VR的通信主要采用有線或WIFI等方式，存在或范圍受限、布線麻煩、WIFI通信不可靠、頭戴設備笨重等問題，使用體驗亟需提升。

1.2 低時延類業務

油田一般處于相對荒涼的地帶，自然條件惡劣，交通不便，區域跨度大。部分處于高寒地區，冬季長時間處于零下幾十度的低溫，采油區域面積廣，且極為分散。

這些相對環境惡劣的環境下，采油井油氣產出率與設備運行狀態的管理與監控就不能僅僅依靠人工巡視的手段，而需要遠程智能終端監控系統的辦法來應對。智能油井遠程監控系統可實時監測采油機的運行狀態和井口生產數據；可及時發現設備故障并自動報警；可實現采油機的遠程啟、停控制。

5G的低時延特性可很好地服務油氣遠程控制類業務，包括遠程操作控制、車輛控制等。該類業務的5G應用模式通常為：油氣控制終端通過5G網絡接入到油氣控制中心，實現端到端低時延高可靠通訊。

以聯合站設備5G遠程控制為例，其建設方式為：

（1）在聯合站部署各類采集器，采集信息經傳送器（集中器）由5G CPE上傳到控制中心；

（2）控制中心下發遠程控制指令，操控PLC/RTU執行相應操作。

1.3 大連接類業務

石油物聯網是物聯網的一個分支。石油物聯網是利用各種在線的、實時測量的感知設備，諸如安裝在油氣水井、管道、油氣處理、加工、儲運設備上的各種儀表、射頻識別標簽（RFID）和油氣田勘探開發生產現場的視頻攝像機、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議連接到企業網或/和互聯網相，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。5G的大連接特性可極大助力石油物聯網的發展。

具體實施可在油田5G無線網絡覆蓋區域內，選取信息采集業務集中器多個，各配置CPE終端1臺。終端CPE設備安裝在現有集中器所處位置，設備下聯采用以太網口與集中器對接，上聯采用設備天線，接入5G無線網絡，數據發送至油田生產調度指揮中心[7]。

2 結語

通過5G+MEC的部署，實現生產設備和工業產品的泛在接入，將網絡能力、計算能力、存儲能力、行業應用等實現在企業內部的落地，滿足用戶“數據不出場”、超低時延的需求，極大地簡化了部署方案，實現了企業全流程信息自感知、全要素事件自決策、全周期場景自迭代，為油氣行業實現網絡化、數字化、智能化升級提供了一個可靠、可預期的網絡環境。同時，進一步降低了企業經營成本、提升了生產效率和產品質量，為企業模式升級奠定了基礎，也大大降低了企業投入成本，提高了企業的創新效率，帶動了其轉型升級，助力了油氣企業的高質量發展。