王 鵬，劉傳彬，牟啟同

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452）

0 引言

隨著我國(guó)對(duì)石油的需求越來(lái)越旺盛，進(jìn)口石油占比超過(guò)70%，國(guó)內(nèi)陸地油田的開發(fā)開采難度越來(lái)越大，所以海上油氣開發(fā)繼續(xù)快速擴(kuò)張，石油公司比以往任何時(shí)候都更熱切希望從遠(yuǎn)離陸地的海上獲取石油。海上鉆井平臺(tái)、移動(dòng)式采油平臺(tái)、FPSO（浮式儲(chǔ)卸油裝置）等設(shè)施數(shù)量的增加，并繼續(xù)向深水區(qū)擴(kuò)散。海上油氣開發(fā)生產(chǎn)正朝著一種名為“一體化運(yùn)營(yíng)”的新模式（又稱為數(shù)字油田、智能油田、e 油田、未來(lái)油田）發(fā)展。一體化運(yùn)營(yíng)（IO）是海上油氣勘探、開采和生產(chǎn)的一種新的工作形式[1]。顧名思義，一體化運(yùn)營(yíng)是通過(guò)信息與通信技術(shù)，將設(shè)施、專業(yè)知識(shí)、流程、業(yè)務(wù)單元、作業(yè)參與方以及其他資源和活動(dòng)相互連接、整合。一體化運(yùn)營(yíng)可以簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)流程，提高作業(yè)效率，預(yù)計(jì)石油和天然氣采收率將提高2%～5%，產(chǎn)量將提高3%～8%，運(yùn)營(yíng)支出將減少15%～30% ，油井性能將提高2%～8% ，海上一線勞動(dòng)力將減少25%。

一體化運(yùn)營(yíng)標(biāo)志著海洋油氣行業(yè)的突破。它讓任何地點(diǎn)的人力資源為海上作業(yè)設(shè)施提供技術(shù)支持成為可能。它可以減少一線海上設(shè)施的勞動(dòng)力，將熟練和有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)人員轉(zhuǎn)移到更安全的陸地辦公室或控制中心。在那里他們可以訪問(wèn)和分析來(lái)自海上設(shè)施遠(yuǎn)傳回來(lái)的數(shù)據(jù)，并減少?zèng)Q策中的風(fēng)險(xiǎn)[2]。海上一體化運(yùn)營(yíng)通信如圖1 所示。

圖1 微波通信助力海洋油氣田一體化運(yùn)營(yíng)Fig.1 Integrated operation enabled by offshore microwave communication

海上移動(dòng)設(shè)施與陸地終端或控制中心之間的通信聯(lián)絡(luò)需求大大增加。工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，商業(yè)模式的變化和更嚴(yán)格的法律法規(guī)要求和監(jiān)管限制，要求對(duì)設(shè)備進(jìn)行更嚴(yán)格地監(jiān)測(cè)、更遠(yuǎn)程地控制和更智能地維護(hù)，甚至對(duì)傳統(tǒng)的組織模式帶來(lái)沖擊，將更多的工作任務(wù)和作業(yè)人員從海上轉(zhuǎn)移到陸地。這些趨勢(shì)大大增加了對(duì)海上通信能力的需求。

1 海上作業(yè)設(shè)施通信網(wǎng)絡(luò)需求和挑戰(zhàn)

1.1 海上設(shè)施通信網(wǎng)絡(luò)典型應(yīng)用場(chǎng)景分析

海上油氣田的一體化運(yùn)營(yíng)，讓諸多應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬、穩(wěn)定性和可靠性等有更高的要求。典型的應(yīng)用場(chǎng)景：（1）海上設(shè)施與陸地辦公室之間的不間斷視頻會(huì)議連線；（2）海上設(shè)施工藝流程和設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集和遠(yuǎn)傳；（3）現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制；（4）地質(zhì)數(shù)據(jù)的傳輸、建模及可視化；（5）通過(guò)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，陸地專家對(duì)來(lái)自海上作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)、記錄和分析；（6）為了海上一線作業(yè)人員提供互聯(lián)網(wǎng)接入、電視等娛樂方式。

1.2 法律、法規(guī)對(duì)通信的要求

隨著應(yīng)急管理部門、生態(tài)環(huán)境部門的整合和成立，新的法律、法規(guī)進(jìn)一步推動(dòng)了安全、環(huán)保以及能效方面要求的巨大升級(jí)。海洋油氣行業(yè)意識(shí)到通過(guò)采用一體化運(yùn)營(yíng)模式，可以更好地管理緊急情況下的作業(yè)和風(fēng)險(xiǎn)，組織內(nèi)部可以更嚴(yán)格地監(jiān)測(cè)作業(yè)，并減少工人的健康風(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)海洋環(huán)境的威脅。

1.3 構(gòu)建海上通信的需求及挑戰(zhàn)

一個(gè)高可靠性和彈性的通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)一體化運(yùn)營(yíng)目標(biāo)的基礎(chǔ)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最困難的挑戰(zhàn)之一，是從海上設(shè)施到陸地、海上設(shè)施到其他海上設(shè)施的第1 km 連接。這種連接是通信鏈條中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此對(duì)連接有以下關(guān)鍵要求和挑戰(zhàn)。

（1）高可用性和可靠性

與海上油氣作業(yè)相關(guān)的高風(fēng)險(xiǎn)（商業(yè)、環(huán)境和安全）要求有一個(gè)高可用性、可靠性和彈性的通信連接。與海上設(shè)施失去聯(lián)系可能意味著對(duì)設(shè)施和作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)失去控制，很可能因此不得不緊急停產(chǎn)或倉(cāng)促撤離設(shè)施。這會(huì)給作業(yè)方帶來(lái)巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境危險(xiǎn)，并因此損失作業(yè)時(shí)率。

（2）遠(yuǎn)距離

隨著石油儲(chǔ)量的消耗，作業(yè)地點(diǎn)逐漸由近海深入到更深的海洋，以發(fā)現(xiàn)和開發(fā)新的油藏。隨著海上設(shè)施間距離的增加，必須實(shí)現(xiàn)高可靠、長(zhǎng)距離的通信。

（3）海洋環(huán)境中的耐久性

海洋作業(yè)的高鹽分、高濕度的腐蝕性環(huán)境對(duì)電氣和其他設(shè)備造成很大的壓力，通信設(shè)備必須經(jīng)受住海洋環(huán)境的長(zhǎng)期惡劣環(huán)境條件。

（4）高容量（高帶寬）

向一體化運(yùn)營(yíng)轉(zhuǎn)型意味著更多的監(jiān)控，更多的計(jì)算機(jī)或移動(dòng)設(shè)備端應(yīng)用，更多的視頻，以及對(duì)更大帶寬的需求。過(guò)去每秒幾兆比特就足夠了，現(xiàn)在每個(gè)設(shè)施的數(shù)量級(jí)增長(zhǎng)到了每秒幾十甚至幾百兆比特，使得微信通信等傳統(tǒng)通信方式不足以滿足需求。

（5）安全合規(guī)性

日益增加的安全法律法規(guī)要求電氣設(shè)備符合嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)，例如工作在高爆炸性環(huán)境中的防爆性能。

（6）網(wǎng)絡(luò)隔離

不同的應(yīng)用場(chǎng)景使用共同的通信基礎(chǔ)設(shè)施，需要對(duì)通信質(zhì)量有高度的控制，并根據(jù)不同的場(chǎng)景動(dòng)態(tài)提供服務(wù)，例如，將涉及關(guān)鍵作業(yè)任務(wù)的通信與員工娛樂系統(tǒng)通信分離，并設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)。

對(duì)于海洋油氣行業(yè)移動(dòng)作業(yè)設(shè)施（比如移動(dòng)式鉆井平臺(tái)和移動(dòng)式試采平臺(tái)等），因其作業(yè)地點(diǎn)經(jīng)常變化，作業(yè)周期相對(duì)較短，而且其附近海域可能沒有固定平臺(tái)可以提供通信支持，這更增加了

2 海上常見通信技術(shù)對(duì)比

海上通信的3 項(xiàng)主要技術(shù): （1）無(wú)線傳輸技術(shù)（微波通信）；（2）衛(wèi)星通信；（3）海上光纖通信。3 種通信技術(shù)特點(diǎn)[3]對(duì)比如表1所示。

表1 海上通信技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比Tab.1 Comparison of different media for offshore communications

由于現(xiàn)有的衛(wèi)星通信變得不足以滿足海上石油設(shè)施不斷增加的通信需求，而且海洋光纖通信的部署和運(yùn)行成本高、耗時(shí)長(zhǎng)，特別是在進(jìn)入更深的水域時(shí)，微波是海上設(shè)施對(duì)岸和海上設(shè)施對(duì)海上設(shè)施連接的最兼具通信質(zhì)量和成本效益的方法[4]。然而，由于微波通信系統(tǒng)天生就容易受到多徑衰落、視線受阻和天線對(duì)準(zhǔn)丟失的影響（尤其是漂浮在海面上的設(shè)施以及移動(dòng)作業(yè)設(shè)施），標(biāo)準(zhǔn)的微波通信系統(tǒng)也無(wú)法完全滿足通信需求[5]。

3 基于PointLink 系統(tǒng)的海上微波通信系統(tǒng)的構(gòu)建及應(yīng)用

Ceragon 是一家以色列無(wú)線網(wǎng)絡(luò)方案解決公司，致力于海上通信的研究、制造、培訓(xùn)和整體業(yè)務(wù)。Ceragon 公司研發(fā)的PointLink 通信解決方案是一個(gè)先進(jìn)的微波無(wú)線連接系統(tǒng)，旨在為移動(dòng)對(duì)象，如鉆井平臺(tái)、生產(chǎn)平臺(tái)、浮式生產(chǎn)和儲(chǔ)存裝置（FPSO）等提供無(wú)線通信連接。該解決方案由Ceragon 公司先進(jìn)的Evolution 系列長(zhǎng)距離微波信號(hào)收發(fā)裝置連接到PointLink 陀螺儀穩(wěn)定天線，使海上設(shè)施和陸基設(shè)施的通信時(shí)刻保持穩(wěn)定連接。這個(gè)獨(dú)特的PointLink 解決方案克服了常規(guī)微波通信的技術(shù)和物理不足，為海上設(shè)施提供了高效率和低成本的通信服務(wù)[6]。

（1）滿足高可用性和可靠性要求

PointLink 將高可靠的微波設(shè)備與定制的天線穩(wěn)定技術(shù)以及彈性路徑和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)集成在一起。Evolution 系列長(zhǎng)距離微波信號(hào)收發(fā)裝置非?？煽浚?jīng)抗衰老測(cè)試，平均預(yù)估壽命超過(guò)70年。由于海平面如同鏡面，會(huì)反射微波信號(hào)，海上微波通信受到多徑衰落的影響，但通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)空間分集技術(shù)，可以克服多徑衰落的影響[7]。PointLink采用混合頻率和四分集方案，在傳輸?shù)膬蓚?cè)各安裝兩個(gè)天線，每個(gè)天線以不同的頻率在空間上分離的天線發(fā)射兩個(gè)相同的信號(hào)，并通過(guò)空間上分離的天線接收這兩個(gè)信號(hào)[8]，如圖2所示。通過(guò)這種方式，減輕了海面上多徑衰落和視線暫時(shí)丟失的影響（由于直升機(jī)、起重機(jī)、鉆井機(jī)械等的影響） ，達(dá)到了任務(wù)關(guān)鍵 級(jí) 可 用 性（99.995% ——類似于陸上網(wǎng)絡(luò)的可用性水平）。同時(shí)，惡劣的海洋氣候和強(qiáng)降水也是一個(gè)挑戰(zhàn)。解決這些問(wèn)題的方法包括實(shí)現(xiàn)高衰落邊緣的連接，以及采用Ceragon 公司的自適應(yīng)編碼和調(diào)制（ACM）技術(shù)，即使在惡劣的氣候條件下也能保持連接穩(wěn)定[9]。

圖2 PointLink 系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝Fig.2 PointLink system installation

PointLink 穩(wěn)定平臺(tái)可以容納直徑從0.3 m/1 ft（1 ft=0.348 m）到3.0 m/10 ft 的拋物面天線，根據(jù)天線的不同頻段。獨(dú)創(chuàng)的PointLink 軟件系統(tǒng)可以控制天線連續(xù)360°度旋轉(zhuǎn)，并且滾轉(zhuǎn)/俯仰值高達(dá)±17°。結(jié)合無(wú)間隙伺服電機(jī)，確保天線指向精度保持在±0.2°。與其他天線跟蹤系統(tǒng)不同，這套創(chuàng)新的系統(tǒng)基于蠻力算法，即使在高振動(dòng)環(huán)境下也能提供可靠的跟蹤記錄[10]。

在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)（例如FPSO）上，可用的天線通常不能覆蓋360°的范圍，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須設(shè)計(jì)多個(gè)天線。當(dāng)一個(gè)扇區(qū)可以連接兩個(gè)或更多的天線時(shí)，PointLink 系統(tǒng)可以通過(guò)補(bǔ)償算法，使通信無(wú)縫切換，確保通信360°準(zhǔn)確無(wú)誤連續(xù)連接。PointLink 系統(tǒng)配備了自研的GPS 陀螺儀，包括一個(gè)用于位置航向和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的運(yùn)動(dòng)傳感器，使得PointLink 天線獨(dú)立于任何高度依賴環(huán)境的速率和角度傳感器[11]。PointLink 天線如圖3所示。

圖3 PointLink陀螺穩(wěn)定天線Fig.3 Gyro stabilized pointlink antenna

（2）滿足長(zhǎng)距離通信要求

Evolution 系列長(zhǎng)距離微波信號(hào)收發(fā)裝置是PointLink系統(tǒng)解決方案的一部分。它設(shè)計(jì)用于長(zhǎng)距離通信場(chǎng)景，具有大功率發(fā)射機(jī)和高系統(tǒng)增益天線，使長(zhǎng)距離的可靠通信成為可能。比如連接挪威大陸和位于北海YME 石油鉆井平臺(tái)的PointLink系統(tǒng)，該系統(tǒng)的連接長(zhǎng)度為123 km。

（3）滿足海洋環(huán)境中的耐久性要求

為海洋通信環(huán)境設(shè)計(jì)的Evolution 系列長(zhǎng)距離微波信號(hào)收發(fā)裝置經(jīng)過(guò)特殊涂層處理，以抵抗惡劣的海洋環(huán)境，并且整個(gè)系統(tǒng)被密封在一個(gè)保護(hù)性的天線罩里，如圖4所示。

圖4 Evolution 系列長(zhǎng)距離微波信號(hào)發(fā)射裝置Fig.4 Evolution series long haul radio unit

（4）滿足高容量（高帶寬）要求

Evolution 系列長(zhǎng)距離微波信號(hào)收發(fā)裝置可提供非常高的容量。它們使用1024QAM 調(diào)制來(lái)增加頻譜效率，并在一個(gè)28 MHz 的信道上傳輸超過(guò)250 Mb/s 的數(shù)據(jù)流量。或者，同樣的裝置，采用多載波技術(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)STM-1S （155 Mb/s） 或 者 甚 至STM-4 （622 Mb/s） 的SDH傳輸。

（5）安滿足全合規(guī)性要求

PointLink 系統(tǒng)經(jīng)認(rèn)證符合ATEX1 區(qū)和2 區(qū)的要求，能夠在高度爆炸環(huán)境中安全工作。

（6）滿足網(wǎng)絡(luò)隔離要求

Evolution 系列長(zhǎng)距離微波信號(hào)收發(fā)裝置具有內(nèi)置的QoS 網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制，可以按優(yōu)先級(jí)順序處理通信請(qǐng)求，支持通信服務(wù)差異化，它保證帶寬和適當(dāng)?shù)难舆t為優(yōu)先關(guān)鍵任務(wù)服務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

獨(dú)特的環(huán)境和通信需求對(duì)海上油氣生產(chǎn)作業(yè)者和網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃者提出了許多挑戰(zhàn)。海洋油氣行業(yè)向更深、離岸更遠(yuǎn)海域的趨勢(shì)，海上作業(yè)裝備的可移動(dòng)化、采油平臺(tái)的無(wú)人化、油氣田的一體化運(yùn)營(yíng)以及更嚴(yán)格的安全和環(huán)境法規(guī)等原因，提高了對(duì)高靈活性、高安全性、高可靠性和高容量的通信系統(tǒng)的需求[12]。基于PointLink 系統(tǒng)的海上微波通信系統(tǒng)的構(gòu)建及應(yīng)用可以為海上作業(yè)設(shè)施和陸地，海上作業(yè)設(shè)施之間提供兼具可靠性與成本效益的通信支持，為海洋油氣田的開發(fā)提供可靠的通訊保障。