探討5G+工業智能化技術在海上石油工業的研究與應用

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的重要設施，具有高技術、高風險、高投入的特點。其中遍布整個設施的各類螺栓和油氣傳輸管道的安全狀態，直接關系著海上油氣生產持續穩定運行和人員財產安全。我國正大力推進能源領域的智能化轉型發展，因此如何更好地將智能化技術與海洋石油工業相結合，全面提升海上石油生產的智能化水平，是目前重點的研究和發展方向。本項目圍繞海上石油生產實際需求，通過對5G+工業智能化技術進行深度研究并落地實施，解決了傳統運維中對海上設施的螺栓、管道的監控難、維護難問題，顯著推進了海上石油平臺生產智能化、管理智能化的發展。實際應用情況表明，5G+工業智能化技術能夠真正解決海上設施運維的難點和盲點，并具有良好的應用拓展性，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：5G專網???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

我國是一個海洋大國，管轄海域約有300萬km?，另外還有長達18000km的海岸線，擁有十分豐富的海洋資源。海洋開發關系國家安全和權益。隨著國際形勢的變化和我國綜合國力的增長，發展海洋事業、建設海洋強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和技術發展規劃[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筑物，供進行生產作業或其他活動用[2]。其中海上石油平臺主要用來開采油、氣和對油、氣進行初步處理隨著深海一號等深水半潛式生產儲油平臺投入使用，我國海上石油平臺已開始全面由淺水向深水海域進軍。

近年來，在全球能源變革、國際政治經濟局勢多變的格局下，中國海油的智能油田、未來油田等建設力度進一步加大，全力以數字化轉型塑造未來發展優勢。國家四部委聯合編制《能源領域5G應用實施方案》，也提出了要圍繞智能電廠、智能電網、?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典型應用場景[3]。本文探討的5G+工業智能化技術在海上石油平臺的應用模式，緊密圍繞海上石油工業的實際需求，在提高現場工作效率、保障油氣生產安全等方面發揮了重要作用。

1國內發展情況

我國5G網絡建設越加完善和成熟，用戶對5G業務的認可度也快速升高。面向工業制造行業應用的5G物聯網業務是重要增長點，根據信通院統計的數據，我國5G行業應用覆蓋國民經濟97個大類中的40個，應用場景累計達到5萬個[4]。中國的工業制造基于5G技術數字化改造，實現了從機械模式到數字智能化的快速轉型，很好地解決了早期工業制造中存在的生產數據采集困難和數據傳輸的不穩定性等問題，能夠提供低時延和高可靠性的數據傳輸服務，滿足超大容量的生產制造設備的連接。隨著工業制造數字化的政策指導越發完善，和運營商5G網絡建設也日益成熟，全國各地工廠企業積極進行5G工業制造數字化的升級改造，推動我國工業產業結構調整扎實成效，并邁向全球價值鏈中高端。

2系統研究內容與特點

本項目研發的5G+工業智能化技術，通過傳感器等設備采集前端生產數據；經由5G專網無線數據傳輸通道傳輸回集中管理平臺，實現對現場生產數據進行監控管理。本項目組建了具備相關專業技術能力的研究團隊，并配置了研究所需的各類輔助儀器設備。研究和測試在陸地進行，落地實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。在實驗場地、硬件設施上完全滿足系統的研究與應用開發條件。

3主要研究內容

依據中海油“建設智能油田”總體規劃，須實現從傳統管理模式向現代化、數字化、智能化跨越，通過智能化技術應用，有效解決平臺現場實際問題，打造“海上智能平臺”建設目標。本項目旨在圍繞海上石油工業的生產作業需求，持續推進智能化應用在油氣生產的深入融合，完成海上石油平臺5G網絡覆蓋，同時基于5G網絡，建設多個智能化系統，由此開展本次5G+工業智能化技術應用于海上石油平臺的研究及落地實施。本項目系統主要由三個技術板塊組成，下面分別進行講述。

3.1?5G專網

3.1.1?目標和內容

通過建設5G專網，實現全平臺信號覆蓋，上下行各1Gpbs的速率。

5G網絡建設包含核心網（5GC）、5G?NR基站和防火墻，能夠滿足全生活樓的信號覆蓋，并在生產甲板、主甲板、4個立柱等防爆區域部署防爆微基站。

3.1.2?主要功能和技術指標

5G網絡部署后可實現海上石油平臺生活樓、生產區、船體等日常工作區域的全船覆蓋，技術指標滿足端到端時延小于20ms，傳輸速率達1000Mbs。在網絡架構上，5G專網與公網隔離，數據無法通過5G信號以外網的形式進行訪問；同時，5G專網需同企業內網聯通，實現專網與內網之間的數據交互。

3.2?靜設備狀態監控系統

3.2.1?目標和內容

螺栓是海上石油平臺等海上設施的重要的部件之一，長期受到風力作用會因結構振動以及廠區現場的機械振動導致發生松動，如果未能及時發現并處理，則可能導致平臺螺栓松動結構處的部件發生破壞甚至掉落，從而影響和威脅著人們正常的生活秩序以及生命財產的安全。因此及早發現螺栓松動損傷，并及時修復，防止損傷進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境影響以及磨損消耗，管體會出現變薄現象，在油氣輸送壓力下可能會出現破裂的風險，導致油氣泄漏等重大事故，因此有必要對管道的關鍵部位進行實時的壁厚監測。

靜設備狀態監控系統包含部署于平臺高振動點、高風險點等重要連接點螺栓的螺栓松動監測系統和振動監測系統，以及部署于管線高沖蝕點、易腐蝕點的管壁測厚系統?[6]?。從而實現對關鍵設備的震動、壁厚、螺栓松動等參數實時監測和告警。

3.2.2?主要功能和技術指標

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。

可根據現場螺栓規格，選擇不同監測形式。

模擬轉數字量模式：根據檢測磁場方向的變化量，采用模擬角度測量芯片計算螺栓轉動的角度變化，編碼后，經485（modbus）環形總線上傳數據到軟件平臺，最小適用M30的螺栓。

數字量模式：根據檢測磁場方向的變化量，計算螺栓轉動的角度變化，編碼后經485或無線模塊上傳數據到軟件平臺，最小適用M20的螺栓。

開關量無線模式：根據螺栓角度的變化，控制開關的通斷，輸出通斷信號，經485或無線模塊上傳數據到軟件平臺，最小適用M10的螺栓。

上述設備均滿足：防爆等級達到不低于Ex?ib?IIB?T4?Gb，防護等級達到IP56。

3.3?設備狀態監控平臺

3.3.1?目標和內容

將前端傳感器采集的信號傳送給數據服務器，監控終端連接數據服務器用于信息化監控軟件的運行。所有的監測內容均可在一個大屏軟件中進行展示與分析，從而實現真正的集中式遠程監測。

3.3.2?主要功能和技術指標

系統為B/S架構，兼容主流瀏覽器與企業專用瀏覽器。并根據現場作業要求，對服務器進行私有云部署。系統主要功能包括：實時記錄及顯示傳感器所監測數據；自動生成圖表，查看趨勢情況；可記錄并導出歷史監測數據；實現傳感器狀態反饋，包括但不限于傳感器電量、網絡狀態、傳感器故障信息；能夠設置傳感器報警閾值，并根據閾值設定進行告警；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人同時在線并發操作。

4系統在海上平臺的實際應用

本研究中的5G專網在海南東方市、廣西潿洲島等多處陸地油氣處理終端廠已有成功部署經歷，為廠區內的智能巡檢機器人等智能化業務提供了良好穩定的專用無線傳輸通道。本次在5G專網基礎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的研究成果，已在南海某深水石油平臺上開展建設并投入運行。

本研究的落地應用，是南海西部海域首次將無線振動檢測等工業智能化技術與油氣生產深度融合。通過覆蓋全平臺生活區、生產區、船體等各個角落的5G無線專用網絡，將部署于關鍵位置的傳感器所實時采集的信息傳輸回用于集中監控管理的軟件平臺，使平臺上的工作人員能夠實時、高效地掌握平臺重要生產信息。同時，相關數據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構，使陸地職能部門及時了解、掌握平臺現場情況，為決策制定、高效管理提供有效依據。

5結語

如何搶占市場先機、尋求產業突破、加快推進智能化轉型發展是當今各行各業面臨的重要課題，也是海洋石油工業單位正在積極思考和實踐的重要方向。下一步將在此基礎上持續開展5G+智能機器人巡檢、北斗回傳、AR/VR/MR、反恐防范等數字化智能化應用，為管理者提供更智能化的安全管控手段，進而不斷加速中國海油南海萬億方大氣區建設的步伐。

參考文獻

[1] 張敏.基于聲矢量場處理的海洋內波預警監測技術研究[D].杭州：杭州電子科技大學，2021.

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

[3] 本刊.工信部與中行簽署中小企業金融服務戰略合作協議[J].中國石油和化工，2021（7）：77.

[4] 本刊編輯部.十大行業5G典型應用案例[J].通信世界，2022（13）：13-17.

[5] 何生成.鐵塔螺栓松動檢測技術研究[D].北京：北京交通大學，2018.

[6] 郭俊辰.?面向工業環境的無線信號量化感知技術研究[D].北京：清華大學，2021.