基于5G尊享專網的野外智能節點油氣勘探系統研究

桂 林 呂艷艷 宋志翔

1.中國移動通信集團江蘇有限公司南京分公司；2.中國石油化工股份有限公司石油物探技術研究院

0 引言

地震勘探是用于尋找石油、天然氣、煤炭等礦產資源的主要手段，高品質地震數據獲取是地震勘探乃至整個油氣工業的核心目標。野外地震數據采集是油氣地震勘探工程中的關鍵工序。傳統野外勘探任務采用有纜設備進行數據采集，資源消耗較大。同時，有纜設備相對笨重，布放設備時人力資源消耗大，采集道數多，排列故障對施工效率影響很大。

隨著技術的演進，新推出的節點設備可實現無纜部署，相比有纜設備，無線節點采集設備的優勢明顯，無線接入方式省去了大量測線電纜，更輕便可靠、部署簡單、易于操作，每人可攜帶100個，可減小用工量約45%，提高施工效率約40%，兼具高裝載和高回收周轉率。現有無線節點采集設備主要使用WiFi技術，由于WiFi技術覆蓋范圍小，且頻率資源為公用頻段，干擾不可控，只能滿足小范圍、少量節點的數據傳輸。而傳統4G技術上行數十兆速率也無法滿足石油勘探領域數字地震儀的數據傳輸要求。

5G具備Gbps級傳輸能力及廣闊的覆蓋范圍，可以極大改善無線傳輸瓶頸。本項目從設備部署、傳輸效率、質量控制、工作成本幾個維度進行了有纜設備、節點設備和5G智能節點儀的方案部署效果對比，詳細內容見表1所示。

表1 有纜設備、節點設備和5G智能節點儀部署分析表

本項目野外智能節點油氣勘探系統應用了先進的5G尊享專網、大數據和人工智能等技術，具有低功耗、實時質控、大帶寬海量帶道等優勢，使地震采集生產方式由勞動密集型轉向技術密集型。

1 需求分析

按常規應用計算，按1 ms采樣率計，每個采集站每秒產生的純數據量是3 KB，即24 Kbps。1000個采集站的速率需求是24 Mbps，1萬道采集站的速率需求是240 Mbps，10萬道采集站的速率需求是2.4Gbps+。同時，野外環境要求網絡服務范圍達到千米級。

5G可達到高于10 Gbps的速率，將5G技術引進到節點設備中來，可以解決當前節點設備的技術難題，系統可實現10萬帶道能力及同步采集和實時質量監控。根據目前3GPP 5G演進計劃，2022年后R17版本將凍結，基于此標準可實現每平方千米百萬級鏈接，預計8~10年后包括數字地震儀領域都將演進至下一代通信技術。依托5G網絡特性，結合邊緣計算等技術，可以有效切合野外勘探智能化轉型對無線網絡的應用需求，保障核心數據的安全管理要求，有效推動相關業務發展。

2 項目關鍵技術

2.1 系統功能概述

本項目依托5G大帶寬、海量連接特性，通過部署專用端到端5G尊享專網支持地震勘探作業現場的海量節點數據回傳。由于野外勘探任務作業區域環境復雜，作業地區需滾動調整，需開發小型化、輕量化、可移動，部署靈活、安全級別高的獨立5G勘探系統。

基于實際應用場景需求的5G智能地震節點系統，采用了北斗導航、5G通信等國產自主可控技術，融合新一代信息通信技術，攻克了物探數據采集中的無線通信協議、數據傳輸與存儲標準、高精度時間同步與空間定位、高速大容量數據通信、低功耗等技術難關，實現了節點儀的自主同步與定位、實時無線數據采集-傳輸-存儲與質控、節點狀態遠程監控與采集控制等功能，支持盲采、實時、準實時多種采集模式。

2.2 野外5G組網系統設計

為滿足野外組網勘探業務需求，本次采用5G尊享專網進行設計，如圖1所示，5G尊享專網采用定制的核心網、專用頻段專用基站的方式，通過中央站承載5G核心網并將可移動無線5G基站拉遠部署至節點區域，實現勘探區域數據業務通信。

圖1 野外組網定制化設計

網絡架構：新建小型化核心網，包含UPF功能，節點采集數據通過5G空口回傳，實現本地處理能力。

無線網絡：承載車輛上架設4.9 Ghz的5G基站，在需求較大覆蓋范圍場景中，支持拉遠基站的擴容，以實現更大的單次覆蓋面積。

2.3 5G組網策略

（1）地震勘探節點儀數據采集建模

地震節點儀野外布放分為常規布局和高密度布局兩種模式，兩炮間隔時間約為2-5分鐘，按常規應用計算，按1 ms采樣率計，每個采集站每秒產生的純數據量是3 KB，即24 Kbps。不同模式下節點儀采集數據量估算如下。

①常規布局數據量估算

x方向10-25米間隔，y方向100-250米間隔，按最大算1平方公里內1000個節點。

單節點數據量：24 Kbps×10 s=240 Kb。

單平方公里數據量（1000節點）：240 Kb×1000=240 Mb。

一炮面積約35平方公里，數據量：240 Mb×35=8.4 Gb=1.05 GB。

②高密度布局數據量估算

x方向10米間隔，y方向20-150米間隔；按最大算1平方公里內5000個節點。

單節點數據量：24Kbps×10s=240Kb。

單平方公里數據量（5000節點）：240Kb×5000 =1.2Gb。

一炮面積約35平方公里，數據量：1.2Gb×35=42Gb=5.25GB。

此外，每平方公里內會有一兩個移動點，數據傳輸2-5Mbps，不是全時傳輸。

（2）5G頻率應用策略研究

中國移動已獲得2.6GHz和4.9GHz頻段共260M帶寬5G頻譜，與中國廣電達成框架協議合作，共用700MHZ頻段實現5G廣覆蓋。4.9GHz是中國移動行業應用頻譜，與公網隔離，干擾可控，可以提供高可靠網絡，且幀結構配置靈活，可根據業務需求定制網絡性能。考慮到未來不固定位置的室外流動作業需求，項目采用4.9G基站，避開公網2.6G頻點干擾。

（3）地震節點儀分布及數據傳輸需求模型

節點儀數據傳輸需求分析如圖2所示。設置r=1.6km（4.9G頻段），5G單基站覆蓋接入節點儀數量：正方形內常規布局下，節點儀數量最大約8000支；正方形內高密度布局下，節點數量最大約40000支。

圖2 節點儀數據傳輸需求分析

根據前述分析，在空曠地區，覆蓋半徑在數千米，覆蓋范圍內節點儀最高可達數萬。考慮目前5G單基站7200用戶接入能力，通過部署拉遠站、分批次接入及滾動作業方式，可在數秒內完成5G網絡（基站）覆蓋范圍的數千節點儀的數據上傳。

2.4 通信設備定制化研發

通過尊享專用5G核心網將可移動無線基站部署至節點作業區域，實現勘探區域數據業務通信，系統支持拉遠基站的擴容，本方案主要包括基站、核心網、網管軟件定制化研發。5G尊享專網示意圖如圖3所示。

圖3 5G尊享專網示意圖

（1）小型化核心網定制化設計

為了保證整體組網的簡潔、安全，本項目定制一套專用5GC，部署i5GC控制面（AMF、SMF、UDM），i5GC用戶面（UPF）以及管理維護系統（EM）。本產品體積減小80%，適合野外采集車輛部署，且能滿足節點采集的相關技術性能要求。5GC功能模塊對比如圖4所示。

圖4 5GC功能模塊對比

i5GC采用通用X86架式服務器作為基礎設施硬件，系統結構基于標準ETSI NFV架構設計，主要功能組件作為VNF部署在虛擬基礎設施之上。

（2）5G基站定制化研發

本方案5G基站為BBU-AAU架構，基帶單元映射為單獨的一個物理設備BBU，AAU集成了射頻單元與天線單元。BBU支持車載堆疊，定制化AAU支持掛載在車載天線架設平臺。

（3）網管軟件定制化設計與研發

核心網網管基于云計算、虛擬化、微服務、容器化和B/S架構，定制核心網網管產品ElasticNet UME（CN）（UME：Unified Management Expert）。ElasticNet UME（CN）對標ETSI NFVI規范中的EM管理實體（以下簡稱EMS），針對行業專網運維管理需求，專用5GC EMS簡化了大網EMS網管的配置，組件輕量化，降低網管部署資源。EMS同步部署在通信車內，管理業務的專用5GC網元，包括AMF、SMF、UDM、UPF等專網網元（含容災機房5GC網元）。5G網管軟件如圖5所示。

圖5 5G網管軟件

專用5GC EMS網管具備管理節點輕量化、快速開通、自服務、自動故障定位、遠程免維等管理特性。EMS提供客戶端接口，支持本地及遠程運維。

2.5 承載裝備定制化研發

為滿足野外組網勘探業務需求，設計可移動5G基站掛載方案，具備在各種情況下的高可靠和高穩定運行能力，保障人員、信息、設備和安全，具有強兼容性，具備技術發展和業務拓展能力。

（1）一體化通信車

依據相關標準，進行承載裝配的總體設計、改造等工作，提供人員和設備作業所需要的基本條件。根據提供的設備技術參數，合理設計機架及部署方式，預留操作維護空間。考慮工作環境、設備運行等要求配備空調、油機等保障通信可靠性。具體方案如下：

以依維柯VAN-45-33-H2-單排-側拉門為基型車，利用車載技術平臺來實現移動通信。車廂部分根據需求，設計安裝2組機柜，規劃預留人員操作維護空間，為設備運行提供安全、可靠的保障。通信天線架設平臺設計為可升降模式，工作時天線可升高至距地10米以上；車輛轉場時，天線可完全收回至車廂內。車頂天窗與天線采用邏輯電路設計，天窗未完全打開時，天線升降機構將鎖止。反之天線未完全收回至車內時，天窗將不能關閉。通信車側視圖及俯視圖如圖6所示。

圖6 通信車側視圖及俯視圖

（2）拖車

使用拖車方案承載5G拉遠站，可實現基站擴容，實現更大的單次覆蓋面積，保證無線網絡的實時通信。本次移動拉遠基站車的改造選用了拖車底盤，車輛內部可安裝移動基站主機設備、電源系統、配電柜、控制系統等主要設備，車輛中部裝有電動升降桅桿一根，工作時通信信號天線可升至距地13米，車頂上置有通信信號發射平臺，與升降桅桿相連。為保證車輛工作時的穩定性，底盤下部四角附近安裝有支撐腿，車輛工作時向下打開與地面接觸。

2.6 技術創新

本項目采用5G尊享專網定制化建設，基于野外勘探需求，采用4.9GHz專用頻段，可移動端到端獨立專網，通過中央站承載5G核心網并將可移動無線5G基站拉遠部署至節點作業區域。本項目主要技術創新如下：

一是定制輕量化核心網。本項目使用核心網下沉技術，配置一套專用輕量化5GC，更適合野外采集車輛部署，且能滿足節點采集的相關技術性能要求，實現野外探測數據業務交換、管理，實現數據不出測試區，保障數據安全，還可以大大節約資源，降低維護難度和成本。

二是使用4.9GHz專用頻段。4.9GHz幀結構配置靈活，與公網進行隔離，避免干擾且可根據業務需求定制網絡性能。

三是可移動專用5G基站，配置專用AAU和BBU設備，為特殊業務需求的行業提供專網的個性化服務，實現智能節點采集數據的無線傳輸，通過調節基站位置及參數滿足作業區全覆蓋、節點儀全接入，保障野外采集車輛進行作業時可實時傳輸數據及基本通信。

四是搭建大數據平臺，實時分析處理采集數據，基于實時數據回傳能力，可實現節點采集的QC，根據采集實際情況，進行排障處理，大大提高了現場作業效率。系統實現了首款基于5G的地震采集施工系統的創新和分布式多核數據分割技術創新。

3 實用性分析

一是實現了大規模地震節點儀集中接入，由5G智能節點儀進行數據采集，通過野外5G組網，回傳至云端數據中心，僅需1-2秒鐘就可以完成數萬節點儀的接入、數據上傳，大幅提升采集效率。

二是通過部署在現場5G中央站的數據分析平臺進行實時數據分析，再由5G回傳至節點儀設備進行實時質量控制，可以對節點設備工作模式、參數進行精密調整，提升采集精度。

三是基于5G實時上傳的大數據分析，可以對油氣勘探系統各部分工藝參數進行優化建議及分析，提升油氣地震勘探作業及數據分析效率。

目前，智能節點的研發工作進展順利，通過了各項設計、技術驗證審查和單個智能節點的室內測試，已完成一套系統的設計開發及內場測試，正在進行外場試點。實測報告及現場如圖7所示。

經驗證，基于5G實時傳輸和質控的野外智能節點油氣勘探系統可以實現大規模地震節點儀集中接入、數據實時回傳和實時預處理，大幅提升油氣地震勘探作業及數據分析效率。

隨著地震勘探技術的發展，大道數、高覆蓋次數成為地震行業技術設計的趨勢，超級地震隊高效生產成為行業主要的生產模式，地震采集生產道數越來越大，采集生產效率也越來越高（日效可達幾萬炮），每炮幾萬道的地震排列產生了海量地震數據，這些地震數據的實時傳輸對有線儀器的數據傳輸能力提出了極大挑戰。通過本項目的研究，利用5G專網解決其“最后一公里”的接入，可以大大節省傳輸布線的成本和復雜度，極大提高數據采集的效率。

圖7 節點儀設備及測試場地

4 結束語

基于5G尊享專網的解決方案可以為傳統行業的末端海量接入提供快速、高效的接入方式，同時部署定制化的核心網、輕量網管結合算力下沉，可以實現數據不出廠，數據傳輸高保密等要求，為傳統行業的數字化、信息化轉型提供強大助力。本項目就是將傳統行業與5G專網的完美融合，極大推動了地震勘探技術的技術變革。