探討5G+工業(yè)智能化技術(shù)在海上石油工業(yè)的研究與應(yīng)用

劉帥 黃華山

摘要：海上石油平臺等海上裝置是開展海洋石油勘探開發(fā)的重要設(shè)施，具有高技術(shù)、高風(fēng)險(xiǎn)、高投入的特點(diǎn)。其中遍布整個(gè)設(shè)施的各類螺栓和油氣傳輸管道的安全狀態(tài)，直接關(guān)系著海上油氣生產(chǎn)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行和人員財(cái)產(chǎn)安全。我國正大力推進(jìn)能源領(lǐng)域的智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展，因此如何更好地將智能化技術(shù)與海洋石油工業(yè)相結(jié)合，全面提升海上石油生產(chǎn)的智能化水平，是目前重點(diǎn)的研究和發(fā)展方向。本項(xiàng)目圍繞海上石油生產(chǎn)實(shí)際需求，通過對5G+工業(yè)智能化技術(shù)進(jìn)行深度研究并落地實(shí)施，解決了傳統(tǒng)運(yùn)維中對海上設(shè)施的螺栓、管道的監(jiān)控難、維護(hù)難問題，顯著推進(jìn)了海上石油平臺生產(chǎn)智能化、管理智能化的發(fā)展。實(shí)際應(yīng)用情況表明，5G+工業(yè)智能化技術(shù)能夠真正解決海上設(shè)施運(yùn)維的難點(diǎn)和盲點(diǎn)，并具有良好的應(yīng)用拓展性，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：5G專網(wǎng)???海上石油平臺???傳感器???螺栓/管道

中圖分類號：TN929.5

Discussion?on?the?Research?and?Application?of?5G+?Industrial

Intelligent?Technology?in?the?Offshore?Oil?Industry

LIU?Shuai1??HUANG?Huashan2

（1.?Hainan?Branch?of?CNOOC?（China）?Co.，?Ltd.，?Haikou，?Hainan?Province，?570100?China;?2.Zhanjiang?Branch，?CNOOC?Information?Technology?Co.，?Ltd.，?Zhanjiang，?Guangdong?Province，?524057?China）

Abstract：?Offshore?installations?such?as?offshore?oil?platforms?are?important?facilities?for?offshore?oil?exploration?and?development，?with?the?characteristics?of?high?technology，?high?risks?and?high?investment，?among?which，?the?safety?status?of?various?bolts?and?oil?and?gas?transmission?pipelines?throughout?the?entire?facility?is?directly?related?to?the?continuous?and?stable?operation?of?offshore?oil?and?gas?production?and?the?safety?of?personnel?and?property.?China?is?vigorously?promoting?the?intelligent?transformation?and?development?of?the?energy?field，?so?how?to?better?combine?intelligent?technology?with?the?offshore?oil?industry?to?comprehensively?improve?the?intelligent?level?of?offshore?oil?production?is?the?current?key?research?and?development?direction.?Focusing?on?the?actual?needs?of?offshore?oil?production，?this?project?solves?the?problems?of?the?difficult?monitoring?and?maintenance?of?the?bolts?and?pipelines?of?offshore?facilities?in?traditional?operation?and?maintenance?through?the?in-depth?research?and?implementation?of?5G+?industrial?intelligent?technology，?which?significantly?promotes?the?development?of?the?intelligent?production?and?management?of?offshore?oil?platforms.?The?actual?application?situation?shows?that?5G+?industrial?intelligent?technology?can?truly?solve?difficulties?and?blind?spots?in?the?operation?and?maintenance?of?offshore?facilities，?and?it?has?good?application?scalability?and?broad?application?prospects.

Key?Words：?5G?private?network;?offshore?oil?platform;?Sensor;?Bolt/pipeline

我國是一個(gè)海洋大國，管轄海域約有300萬km?，另外還有長達(dá)18000km的海岸線，擁有十分豐富的海洋資源。海洋開發(fā)關(guān)系國家安全和權(quán)益。隨著國際形勢的變化和我國綜合國力的增長，發(fā)展海洋事業(yè)、建設(shè)海洋強(qiáng)國的重要性和迫切性日益突顯，海洋工程科技已被列入國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃[1]。

海上平臺（offshore?platform?）是高出海面且具有水平臺面的一種桁架構(gòu)筑物，供進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)或其他活動用[2]。其中海上石油平臺主要用來開采油、氣和對油、氣進(jìn)行初步處理隨著深海一號等深水半潛式生產(chǎn)儲油平臺投入使用，我國海上石油平臺已開始全面由淺水向深水海域進(jìn)軍。

近年來，在全球能源變革、國際政治經(jīng)濟(jì)局勢多變的格局下，中國海油的智能油田、未來油田等建設(shè)力度進(jìn)一步加大，全力以數(shù)字化轉(zhuǎn)型塑造未來發(fā)展優(yōu)勢。國家四部委聯(lián)合編制《能源領(lǐng)域5G應(yīng)用實(shí)施方案》，也提出了要圍繞智能電廠、智能電網(wǎng)、?智能煤礦、智能油氣、綜合能源、智能制造與建造等方面拓展一批5G典型應(yīng)用場景[3]。本文探討的5G+工業(yè)智能化技術(shù)在海上石油平臺的應(yīng)用模式，緊密圍繞海上石油工業(yè)的實(shí)際需求，在提高現(xiàn)場工作效率、保障油氣生產(chǎn)安全等方面發(fā)揮了重要作用。

1國內(nèi)發(fā)展情況

我國5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)越加完善和成熟，用戶對5G業(yè)務(wù)的認(rèn)可度也快速升高。面向工業(yè)制造行業(yè)應(yīng)用的5G物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)是重要增長點(diǎn)，根據(jù)信通院統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，我國5G行業(yè)應(yīng)用覆蓋國民經(jīng)濟(jì)97個(gè)大類中的40個(gè)，應(yīng)用場景累計(jì)達(dá)到5萬個(gè)[4]。中國的工業(yè)制造基于5G技術(shù)數(shù)字化改造，實(shí)現(xiàn)了從機(jī)械模式到數(shù)字智能化的快速轉(zhuǎn)型，很好地解決了早期工業(yè)制造中存在的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集困難和數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟环€(wěn)定性等問題，能夠提供低時(shí)延和高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，滿足超大容量的生產(chǎn)制造設(shè)備的連接。隨著工業(yè)制造數(shù)字化的政策指導(dǎo)越發(fā)完善，和運(yùn)營商5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)也日益成熟，全國各地工廠企業(yè)積極進(jìn)行5G工業(yè)制造數(shù)字化的升級改造，推動我國工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整扎實(shí)成效，并邁向全球價(jià)值鏈中高端。

2系統(tǒng)研究內(nèi)容與特點(diǎn)

本項(xiàng)目研發(fā)的5G+工業(yè)智能化技術(shù)，通過傳感器等設(shè)備采集前端生產(chǎn)數(shù)據(jù)；經(jīng)由5G專網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸通道傳輸回集中管理平臺，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控管理。本項(xiàng)目組建了具備相關(guān)專業(yè)技術(shù)能力的研究團(tuán)隊(duì)，并配置了研究所需的各類輔助儀器設(shè)備。研究和測試在陸地進(jìn)行，落地實(shí)施則選取了中海油位于南海西部的一座深水石油平臺開展。在實(shí)驗(yàn)場地、硬件設(shè)施上完全滿足系統(tǒng)的研究與應(yīng)用開發(fā)條件。

3主要研究內(nèi)容

依據(jù)中海油“建設(shè)智能油田”總體規(guī)劃，須實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)管理模式向現(xiàn)代化、數(shù)字化、智能化跨越，通過智能化技術(shù)應(yīng)用，有效解決平臺現(xiàn)場實(shí)際問題，打造“海上智能平臺”建設(shè)目標(biāo)。本項(xiàng)目旨在圍繞海上石油工業(yè)的生產(chǎn)作業(yè)需求，持續(xù)推進(jìn)智能化應(yīng)用在油氣生產(chǎn)的深入融合，完成海上石油平臺5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，同時(shí)基于5G網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)多個(gè)智能化系統(tǒng)，由此開展本次5G+工業(yè)智能化技術(shù)應(yīng)用于海上石油平臺的研究及落地實(shí)施。本項(xiàng)目系統(tǒng)主要由三個(gè)技術(shù)板塊組成，下面分別進(jìn)行講述。

3.1?5G專網(wǎng)

3.1.1?目標(biāo)和內(nèi)容

通過建設(shè)5G專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全平臺信號覆蓋，上下行各1Gpbs的速率。

5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)包含核心網(wǎng)（5GC）、5G?NR基站和防火墻，能夠滿足全生活樓的信號覆蓋，并在生產(chǎn)甲板、主甲板、4個(gè)立柱等防爆區(qū)域部署防爆微基站。

3.1.2?主要功能和技術(shù)指標(biāo)

5G網(wǎng)絡(luò)部署后可實(shí)現(xiàn)海上石油平臺生活樓、生產(chǎn)區(qū)、船體等日常工作區(qū)域的全船覆蓋，技術(shù)指標(biāo)滿足端到端時(shí)延小于20ms，傳輸速率達(dá)1000Mbs。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上，5G專網(wǎng)與公網(wǎng)隔離，數(shù)據(jù)無法通過5G信號以外網(wǎng)的形式進(jìn)行訪問；同時(shí)，5G專網(wǎng)需同企業(yè)內(nèi)網(wǎng)聯(lián)通，實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)與內(nèi)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交互。

3.2?靜設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

3.2.1?目標(biāo)和內(nèi)容

螺栓是海上石油平臺等海上設(shè)施的重要的部件之一，長期受到風(fēng)力作用會因結(jié)構(gòu)振動以及廠區(qū)現(xiàn)場的機(jī)械振動導(dǎo)致發(fā)生松動，如果未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，則可能導(dǎo)致平臺螺栓松動結(jié)構(gòu)處的部件發(fā)生破壞甚至掉落，從而影響和威脅著人們正常的生活秩序以及生命財(cái)產(chǎn)的安全。因此及早發(fā)現(xiàn)螺栓松動損傷，并及時(shí)修復(fù)，防止損傷進(jìn)一步積累是十分必要和重要的[5]。另外，海上油氣輸送管道由于長期受到海洋高鹽高濕惡劣環(huán)境影響以及磨損消耗，管體會出現(xiàn)變薄現(xiàn)象，在油氣輸送壓力下可能會出現(xiàn)破裂的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致油氣泄漏等重大事故，因此有必要對管道的關(guān)鍵部位進(jìn)行實(shí)時(shí)的壁厚監(jiān)測。

靜設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)包含部署于平臺高振動點(diǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)等重要連接點(diǎn)螺栓的螺栓松動監(jiān)測系統(tǒng)和振動監(jiān)測系統(tǒng)，以及部署于管線高沖蝕點(diǎn)、易腐蝕點(diǎn)的管壁測厚系統(tǒng)?[6]?。從而實(shí)現(xiàn)對關(guān)鍵設(shè)備的震動、壁厚、螺栓松動等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測和告警。

3.2.2?主要功能和技術(shù)指標(biāo)

無線振動檢測。

加速度測量通道：三軸（X/Y/Z），加速度量程：±8g，加速度分辨率：10～3.5Hz；全頻段范圍內(nèi)測量誤差：±3dB；工作溫度：-40～85℃，工作濕度：10%～90%RH。

無線壁厚檢測。

厚度測量量程：3～50mm；被測管道溫度范圍：-40～120℃；測量誤差：±0.02mm；工作溫度：-40～120℃；工作濕度：10%～90%RH。

無線螺栓松動檢測。

可根據(jù)現(xiàn)場螺栓規(guī)格，選擇不同監(jiān)測形式。

模擬轉(zhuǎn)數(shù)字量模式：根據(jù)檢測磁場方向的變化量，采用模擬角度測量芯片計(jì)算螺栓轉(zhuǎn)動的角度變化，編碼后，經(jīng)485（modbus）環(huán)形總線上傳數(shù)據(jù)到軟件平臺，最小適用M30的螺栓。

數(shù)字量模式：根據(jù)檢測磁場方向的變化量，計(jì)算螺栓轉(zhuǎn)動的角度變化，編碼后經(jīng)485或無線模塊上傳數(shù)據(jù)到軟件平臺，最小適用M20的螺栓。

開關(guān)量無線模式：根據(jù)螺栓角度的變化，控制開關(guān)的通斷，輸出通斷信號，經(jīng)485或無線模塊上傳數(shù)據(jù)到軟件平臺，最小適用M10的螺栓。

上述設(shè)備均滿足：防爆等級達(dá)到不低于Ex?ib?IIB?T4?Gb，防護(hù)等級達(dá)到IP56。

3.3?設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控平臺

3.3.1?目標(biāo)和內(nèi)容

將前端傳感器采集的信號傳送給數(shù)據(jù)服務(wù)器，監(jiān)控終端連接數(shù)據(jù)服務(wù)器用于信息化監(jiān)控軟件的運(yùn)行。所有的監(jiān)測內(nèi)容均可在一個(gè)大屏軟件中進(jìn)行展示與分析，從而實(shí)現(xiàn)真正的集中式遠(yuǎn)程監(jiān)測。

3.3.2?主要功能和技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)為B/S架構(gòu)，兼容主流瀏覽器與企業(yè)專用瀏覽器。并根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)要求，對服務(wù)器進(jìn)行私有云部署。系統(tǒng)主要功能包括：實(shí)時(shí)記錄及顯示傳感器所監(jiān)測數(shù)據(jù)；自動生成圖表，查看趨勢情況；可記錄并導(dǎo)出歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)傳感器狀態(tài)反饋，包括但不限于傳感器電量、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、傳感器故障信息；能夠設(shè)置傳感器報(bào)警閾值，并根據(jù)閾值設(shè)定進(jìn)行告警；通過日志查詢功能可查詢、查看用戶操作記錄；另外，軟件滿足100人同時(shí)在線并發(fā)操作。

4系統(tǒng)在海上平臺的實(shí)際應(yīng)用

本研究中的5G專網(wǎng)在海南東方市、廣西潿洲島等多處陸地油氣處理終端廠已有成功部署經(jīng)歷，為廠區(qū)內(nèi)的智能巡檢機(jī)器人等智能化業(yè)務(wù)提供了良好穩(wěn)定的專用無線傳輸通道。本次在5G專網(wǎng)基礎(chǔ)上搭載無線振動檢測、無線壁厚檢測、無線螺栓松動檢測等智能化系統(tǒng)的研究成果，已在南海某深水石油平臺上開展建設(shè)并投入運(yùn)行。

本研究的落地應(yīng)用，是南海西部海域首次將無線振動檢測等工業(yè)智能化技術(shù)與油氣生產(chǎn)深度融合。通過覆蓋全平臺生活區(qū)、生產(chǎn)區(qū)、船體等各個(gè)角落的5G無線專用網(wǎng)絡(luò)，將部署于關(guān)鍵位置的傳感器所實(shí)時(shí)采集的信息傳輸回用于集中監(jiān)控管理的軟件平臺，使平臺上的工作人員能夠?qū)崟r(shí)、高效地掌握平臺重要生產(chǎn)信息。同時(shí)，相關(guān)數(shù)據(jù)信息也可以通過海陸無線主干鏈路傳回位于陸地的指揮機(jī)構(gòu)，使陸地職能部門及時(shí)了解、掌握平臺現(xiàn)場情況，為決策制定、高效管理提供有效依據(jù)。

5結(jié)語

如何搶占市場先機(jī)、尋求產(chǎn)業(yè)突破、加快推進(jìn)智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展是當(dāng)今各行各業(yè)面臨的重要課題，也是海洋石油工業(yè)單位正在積極思考和實(shí)踐的重要方向。下一步將在此基礎(chǔ)上持續(xù)開展5G+智能機(jī)器人巡檢、北斗回傳、AR/VR/MR、反恐防范等數(shù)字化智能化應(yīng)用，為管理者提供更智能化的安全管控手段，進(jìn)而不斷加速中國海油南海萬億方大氣區(qū)建設(shè)的步伐。

參考文獻(xiàn)

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[2] 趙振營，孫利元，丁金強(qiáng)，等.山東海洋牧場平臺發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展重點(diǎn)淺析[J].中國水產(chǎn)，2020（9）：49-52.

[3] 本刊.工信部與中行簽署中小企業(yè)金融服務(wù)戰(zhàn)略合作協(xié)議[J].中國石油和化工，2021（7）：77.

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[6] 郭俊辰.?面向工業(yè)環(huán)境的無線信號量化感知技術(shù)研究[D].北京：清華大學(xué)，2021.