基于5G通信技術的油氣生產區智能巡檢系統研究

［摘 要］當前，油氣生產區智能巡檢系統功能模塊多設定為獨立形式，巡檢的效率較低，導致最終得出的巡檢誤檢率不斷提高。為此，文章設計了一種基于5G通信技術的油氣生產區智能巡檢系統。該設計根據巡檢需求，首先構建油氣生產區智能巡檢系統架構，然后基于系統架構設計巡檢傳感設備接入硬件和傳感數據處理裝置硬件。該設計在系統軟件設計方面采用多階方式，構建多階油氣生產5G通信智能巡檢功能模塊，并且基于數據存儲合理分布、識別并清理冗余數據等需求，設計系統數據庫軟件，完成軟件設計。最后，文章在選定的5個測試區域進行2個階段的測試。系統測試結果表明：系統的巡檢準確率均達到98%以上，這說明在5G通信技術的輔助下，最終設計的油氣生產區智能巡檢系統更加靈活、多變，具有較強的穩定性，具有實際應用價值。

［關鍵詞］5G通信技術；油氣生產區；智能巡檢；巡檢系統；系統設計

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2024.12.034

［中圖分類號］TP391；TE974 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1673-0194（2024）12-0-04

0 " " 引 言

油氣生產區智能巡檢系統是油氣區域安全生產的基礎保證。傳統的油氣生產巡檢方式多是單向巡檢核驗，覆蓋感應的范圍受限制，且整體巡檢效率下降，導致最終得出的巡檢效果無法達到預期的標準［1］。不僅如此，單向巡檢核驗系統執行力和控制性較弱，這也是導致后期巡檢任務難以處理的關鍵因素之一，安全隱患增多。為解決上述問題，本文設計了基于5G通信技術的油氣生產區智能巡檢系統。所謂5G通信技術，是一種自身具有高速率、低時延、大連接等特性的新一代寬帶移動通信技術，在一定程度上為油氣生產區智能巡檢系統構建提供了新的可能性［2］。本文結合油氣生產場景，詳細設計基于5G通信技術的油氣生產區智能巡檢系統架構，并且基于該系統架構，設計系統硬件和軟件［3］，以期通過該系統增強油氣生產的安全性并提高生產效率，為油氣領域的可持續發展作出貢獻［4］。

1 " " 基于5G通信技術的油氣生產區智能巡檢系統架構構建

為了提高油氣生產區智能巡檢系統的巡檢準確率，本文深入研究了5G通信技術的特性，并基于其高帶寬、低延遲、高可靠性的特點，構建了油氣生產區智能巡檢系統。該系統架構如圖1所示。

根據圖1可知，本文設計的系統主要涉及巡檢傳感設備、5G通信網絡和數據庫等。在硬件設計方面，本文注重傳感設備的接入和數據處理裝置的優化。傳感設備接入部分進行了標準化的接口設計，使得不同類型的傳感設備能夠輕松接入系統，實現數據的統一采集。傳感數據處理裝置則采用了高性能的處理器和算法，能夠對采集到的數據進行實時處理和分析。在軟件設計方面，本文設計了巡檢結果存儲數據庫和巡檢功能模塊。巡檢結果存儲數據庫采用了分布式存儲技術，確保數據的安全性和可擴展性。巡檢功能模塊則實現了巡檢計劃的制訂、巡檢任務的分配、巡檢數據的展示等功能，為巡檢人員提供了便捷的操作界面和強大的功能支持。

2 " " 基于5G通信技術的油氣生產區智能巡檢系統硬件設計

2.1 " 巡檢傳感設備接入

油氣生產區智能巡檢系統以巡檢傳感設備采集的數據為基礎，實現風險預警等功能，因此，在系統使用該傳感數據時，需要將數據接入系統，形成一個循環性的循環體系［5］。本文以巡檢傳感設備成功接入為目標，在巡檢硬件中增設卷積引擎模塊和兩個互聯模塊，然后接入一個Demux-AXI裝置，并且在系統數據采集中設定一個寄存器，實現油氣生產區巡檢傳感設備與系統的關聯。設計的巡檢裝置控制指標和參數如表1所示。

結合表1，在系統中接入巡檢傳感設備。隨后，接入一個輔助性的加速器，同時關聯一個AXI主設備和巡檢監測設備，由卷積引擎模塊來進行引導，結合實際的巡檢需求，增設數據采集、處理類型的傳感裝置，完成基礎硬件環境的設置［6］。

2.2 " 傳感數據處理裝置

設計傳感數據處理裝置是確保系統高效運行的關鍵環節。該裝置的架構如圖2所示。

根據圖2可知，傳感數據處理裝置主要涉及的硬件有供電電源、主控模塊、全球定位系統（Global Positioning System，GPS）模塊和5G的通用分組無線業務（General Packet Radio Service，GPRS）模塊等［7］。其中，油氣生產區智能巡檢系統的內部局域網通信采用USB 3.0通信接口，5G通信網采用5G通信技術的新無線（New Radio，NR）通信協議傳輸傳感數據，模塊選擇摩托羅拉生產的G24模塊，實現數據處理單元與傳感器、存儲設備和其他外部組件之間的關聯［8］；供電電源采用鋰電池組供電，該電池組結合油氣生產區，采用磁盤陣列（Redundant Arrays of Independent Disks，RAID）技術，利用傳感裝置進行主控電源的設定。這部分需要注意的是，主控電源需要與內部設定的小型電路形成關聯。除此之外，還需要增設冗余電源，以應對突發電源故障的情況；GPS模塊包括GPS天線和數據接收裝置；主控模塊采用TI公司的浮點數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）控制器TMS320F283芯片作為核心控制單元；數據庫存儲模塊是接入固態硬盤（Solid State Disk，SSD）進行數據的存儲，以此滿足對大量數據的存儲需求。

3 " " 基于5G通信技術的油氣生產區智能巡檢系統軟件設計

3.1 " 多階油氣生產區智能巡檢功能模塊設計

初始的油氣生產區巡檢功能模塊多為單向形式，雖然可以實現預期的巡檢處理目標，但是缺乏針對性與穩定性，難以全面控制，無法達到預期的巡檢標準。為解決這一問題，此次結合5G通信技術，設計了多階油氣生產區智能巡檢功能模塊。具體的巡檢功能模塊如圖3所示。

在基于5G通信技術的多階油氣生產區智能巡檢功能模塊基礎上，本文針對實際的巡檢需求，細化了對應的巡檢模塊內容。實時監測與數據采集模塊利用5G高速網絡，實現對油氣生產各環節的實時監測，通過高精度傳感器，采集溫度、壓力、流量、氣體濃度等關鍵參數，為后續分析提供數據基礎；智能預警與診斷模塊是基于采集到的數據和相關信息，利用人工智能算法進行實時分析。當檢測到異常參數或潛在故障時，自動觸發預警機制，此時需要計算出自動預警延時，具體公式如下：

（1）

式（1）中，D表示自動預警延時，k表示診斷頻次，?表示感應范圍，y表示感應次數，d表示單元觸發頻率，w表示獨立觸發區域，a表示重疊區域。結合當前測定，實現對自動預警延時的計算。將該數值設定為自動觸發預警標準，為預防性維護提供依據。

在智能預警與診斷模塊軟件設計后，設計了遠程控制與調節模塊。該模塊通過5G通信技術實現遠程控制功能。該軟件設計定義了基于5G通信技術的油氣生產區智能巡檢系統中的通信物理層和MAC（介質訪問控制）層規范。NR的設計目標包括支持大數據傳輸、高密度連接，以及對不同類型的移動設備和應用的靈活適配。NR將采用更高的頻譜帶寬，并使用新的多址和調制技術，以實現更高的數據傳輸速率和更低的延遲率。NR的物理層規范定義了無線信號的傳輸方式、頻段劃分以及多天線技術等方面。它支持更高的頻譜利用率和更強的抗干擾能力，從而實現更穩定、更快速的數據傳輸。NR的MAC層規范定義了無線設備接入網絡、資源管理、調度等功能。它允許多個用戶同時共享無線資源，并通過動態分配和調度實現帶寬優化和能效優化。基于5G通信技術，巡檢人員可以在集控中心對油氣生產設備進行遠程調節，從而提高生產效率并增強生產安全性。

定位與追蹤模塊結合5G通信技術，集成GPS或北斗定位系統，精準定位巡檢人員和設備，實時巡檢軌跡追蹤，確保巡檢工作的有效執行。可視化界面與友好交互模塊設計更加直觀、友好的可視化界面。其通過圖形化展示實時數據、預警信息和設備狀態等信息，以便巡檢人員操作和管理，從而提高工作效率。

3.2 " 系統巡檢結果存儲數據庫設計

本文設計的巡檢結果存儲數據庫的覆蓋范圍較大，且針對不同油氣生產區的巡檢數據，需要分類存儲，以便巡檢傳感數據分析和應用。首先，明確數據庫的設計需求，確定數據的分類標準、預估數據量和設計數據訪問模式；然后，確保數據的存儲合理分布，識別并清理冗余數據。此時，計算出數據的分類處理效率，具體如式（2）所示：

（2）

式（2）中，P表示數據的分類處理效率，?表示數據冗余量，表示堆疊范圍，α表示數據轉換比，m表示訪問分類頻次，χ表示存儲可控差。結合當前測定，預期調整數據的分類處理效率。結合5G通信技術，設置數據庫的執行流程，如圖4所示。

在完成數據的分類和處理后，結合傳感節點獲取的巡檢數據和信息，計算巡檢數據單元存儲量，具體如式（3）所示：

（3）

式（3）中，F表示巡檢數據單元存儲量，n表示基礎巡檢范圍，r表示實際巡檢范圍，i表示數據轉換量，l表示重復巡檢頻次。結合當前測定，在后期的巡檢結果數據存儲中，依據得出的巡檢數據單元存儲量將數據按照順序存儲在數據庫中，以此滿足巡檢需求。

4 " " 系統測試分析

測試分析的目的是分析與驗證基于5G通信技術的油氣生產區智能巡檢系統的應用效果。在測試分析時，考慮到測試結果的真實性與可靠性，本文采用比對方式展開分析。本文選定A油氣生產區作為測試的主要目標，利用專業的設備與裝置進行基礎數據、信息的采集，并且匯總整合數據和信息。

4.1 " 測試準備

結合5G通信技術，設定和預設搭建A油氣生產區智能巡檢系統的測試環境。明確油氣生產區的覆蓋巡檢范圍，并在巡檢的范圍內設置多個巡檢監測節點，節點之間互相搭接，形成循環性的監測結構。標定出此時的巡檢點位，劃分出5個的獨立巡檢區域，采用邊緣節點進行巡檢搭接，并接入輔助性的傳感裝置，具體如圖5所示。

如圖5所示，實現輔助傳感硬件接入，至此完成油氣生產區智能巡檢系統硬件設定。然后，依據油氣生產區的巡檢需求，利用部署的節點實時采集數據。同時，調整巡檢的指標，其中系統控制感應范圍波動比為3.25，群控次數控制在10～16次，轉換單元為5.5，電壓范圍是0～2.5 V，數據輸入模擬值為11.35。基于此，完成系統測試環境設置。

4.2 " 測試過程和結果分析

依據上述設定的系統測試環境，結合5G通信技術，對選定的A油氣生產區進行智能巡檢系統的測試與驗證。首先，先利用5G通信技術將巡檢任務導入系統執行程序，然后在5個區域中隨機標定出5個巡檢核心點，執行巡檢任務，并計算可控巡檢頻率，具體如式（4）所示：

（4）

式（4）中，O表示可控巡檢頻率，τ表示巡檢核心距離，h表示初始巡檢位置，t表示巡檢誤差，?表示重復巡檢均值。結合當前測定，調整系統巡檢頻率，并且針對油氣的生產情況測定計算巡檢的準確率，以該指標衡量系統的性能，具體如式（5）所示：

（5）

式（5）中，S表示巡檢準確率，ι表示巡檢獨立區域，x1和x2分別表示通信位置和實際多次通信位置。結合得出的數據，分兩個階段進行比對分析，分析結果如表2所示。

由表2可知，5個測試區域通過兩個階段的測試，巡檢準確率均可以達到98%以上。該測試結果說明，在5G通信技術輔助下，本文設計的油氣生產區智能巡檢系統更加靈活、多變，具有較強的穩定性，具備應用價值。

5 " " 結束語

為了提高油氣生產區智能巡檢的準確率，本文設計了一種基于5G通信技術的油氣生產區智能巡檢系統。該系統以5G通信技術為核心。最后，本文為了驗證該系統的應用價值，選定A油氣生產區的5個區域進行了測試。從測試分析結果可知，本文設計的巡檢系統具備更高的巡檢準確率，說明該系統具備較好的巡檢性能，其可以實現油氣生產區的監控、實時預警和智能診斷。

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