探讨5G+工业智能化技术在海上石油工业的研究与应用

刘帅 黄华山

摘要：海上石油平臺等海上装置是开展海洋石油勘探开发的重要设施，具有高技术、高风险、高投入的特点。其中遍布整个设施的各类螺栓和油气传输管道的安全状态，直接关系着海上油气生产持续稳定运行和人员财产安全。我国正大力推进能源领域的智能化转型发展，因此如何更好地将智能化技术与海洋石油工业相结合，全面提升海上石油生产的智能化水平，是目前重点的研究和发展方向。本项目围绕海上石油生产实际需求，通过对5G+工业智能化技术进行深度研究并落地实施，解决了传统运维中对海上设施的螺栓、管道的监控难、维护难问题，显著推进了海上石油平台生产智能化、管理智能化的发展。实际应用情况表明，5G+工业智能化技术能够真正解决海上设施运维的难点和盲点，并具有良好的应用拓展性，具有广阔的应用前景。

关键词：5G专网   海上石油平台   传感器   螺栓/管道

中图分类号：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

我国是一个海洋大国，管辖海域约有300万km?，另外还有长达18000km的海岸线，拥有十分丰富的海洋资源。海洋开发关系国家安全和权益。随着国际形势的变化和我国综合国力的增长，发展海洋事业、建设海洋强国的重要性和迫切性日益突显，海洋工程科技已被列入国家中长期科学和技术发展规划[1]。

海上平台（offshore platform ）是高出海面且具有水平台面的一种桁架构筑物，供进行生产作业或其他活动用[2]。其中海上石油平台主要用来开采油、气和对油、气进行初步处理随着深海一号等深水半潜式生产储油平台投入使用，我国海上石油平台已开始全面由浅水向深水海域进军。

近年来，在全球能源变革、国际政治经济局势多变的格局下，中国海油的智能油田、未来油田等建设力度进一步加大，全力以数字化转型塑造未来发展优势。国家四部委联合编制《能源领域5G应用实施方案》，也提出了要围绕智能电厂、智能电网、 智能煤矿、智能油气、综合能源、智能制造与建造等方面拓展一批5G典型应用场景[3]。本文探讨的5G+工业智能化技术在海上石油平台的应用模式，紧密围绕海上石油工业的实际需求，在提高现场工作效率、保障油气生产安全等方面发挥了重要作用。

1国内发展情况

我国5G网络建设越加完善和成熟，用户对5G业务的认可度也快速升高。面向工业制造行业应用的5G物联网业务是重要增长点，根据信通院统计的数据，我国5G行业应用覆盖国民经济97个大类中的40个，应用场景累计达到5万个[4]。中国的工业制造基于5G技术数字化改造，实现了从机械模式到数字智能化的快速转型，很好地解决了早期工业制造中存在的生产数据采集困难和数据传输的不稳定性等问题，能够提供低时延和高可靠性的数据传输服务，满足超大容量的生产制造设备的连接。随着工业制造数字化的政策指导越发完善，和运营商5G网络建设也日益成熟，全国各地工厂企业积极进行5G工业制造数字化的升级改造，推动我国工业产业结构调整扎实成效，并迈向全球价值链中高端。

2系统研究内容与特点

本项目研发的5G+工业智能化技术，通过传感器等设备采集前端生产数据；经由5G专网无线数据传输通道传输回集中管理平台，实现对现场生产数据进行监控管理。本项目组建了具备相关专业技术能力的研究团队，并配置了研究所需的各类辅助仪器设备。研究和测试在陆地进行，落地实施则选取了中海油位于南海西部的一座深水石油平台开展。在实验场地、硬件设施上完全满足系统的研究与应用开发条件。

3主要研究内容

依据中海油“建设智能油田”总体规划，须实现从传统管理模式向现代化、数字化、智能化跨越，通过智能化技术应用，有效解决平台现场实际问题，打造“海上智能平台”建设目标。本项目旨在围绕海上石油工业的生产作业需求，持续推进智能化应用在油气生产的深入融合，完成海上石油平台5G网络覆盖，同时基于5G网络，建设多个智能化系统，由此开展本次5G+工业智能化技术应用于海上石油平台的研究及落地实施。本项目系统主要由三个技术板块组成，下面分别进行讲述。

3.1 5G专网

3.1.1 目标和内容

通过建设5G专网，实现全平台信号覆盖，上下行各1Gpbs的速率。

5G网络建设包含核心网（5GC）、5G NR基站和防火墙，能够满足全生活楼的信号覆盖，并在生产甲板、主甲板、4个立柱等防爆区域部署防爆微基站。

3.1.2 主要功能和技术指标

5G网络部署后可实现海上石油平台生活楼、生产区、船体等日常工作区域的全船覆盖，技术指标满足端到端时延小于20ms，传输速率达1000Mbs。在网络架构上，5G专网与公网隔离，数据无法通过5G信号以外网的形式进行访问；同时，5G专网需同企业内网联通，实现专网与内网之间的数据交互。

3.2 静设备状态监控系统

3.2.1 目标和内容

螺栓是海上石油平台等海上设施的重要的部件之一，长期受到风力作用会因结构振动以及厂区现场的机械振动导致发生松动，如果未能及时发现并处理，则可能导致平台螺栓松动结构处的部件发生破坏甚至掉落，从而影响和威胁着人们正常的生活秩序以及生命财产的安全。因此及早发现螺栓松动损伤，并及时修复，防止损伤进一步积累是十分必要和重要的[5]。另外，海上油气输送管道由于长期受到海洋高盐高湿恶劣环境影响以及磨损消耗，管体会出现变薄现象，在油气输送压力下可能会出现破裂的风险，导致油气泄漏等重大事故，因此有必要对管道的关键部位进行实时的壁厚监测。

静设备状态监控系统包含部署于平台高振动点、高风险点等重要连接点螺栓的螺栓松动监测系统和振动监测系统，以及部署于管线高冲蚀点、易腐蚀点的管壁测厚系统 [6] 。从而实现对关键设备的震动、壁厚、螺栓松动等参数实时监测和告警。

3.2.2 主要功能和技术指标

无线振动检测。

加速度测量通道：三轴（X/Y/Z），加速度量程：±8g，加速度分辨率：10～3.5Hz；全頻段范围内测量误差：±3dB；工作温度：-40～85℃，工作湿度：10%～90%RH。

无线壁厚检测。

厚度测量量程：3～50mm；被测管道温度范围：-40～120℃；测量误差：±0.02mm；工作温度：-40～120℃；工作湿度：10%～90%RH。

无线螺栓松动检测。

可根据现场螺栓规格，选择不同监测形式。

模拟转数字量模式：根据检测磁场方向的变化量，采用模拟角度测量芯片计算螺栓转动的角度变化，编码后，经485（modbus）环形总线上传数据到软件平台，最小适用M30的螺栓。

数字量模式：根据检测磁场方向的变化量，计算螺栓转动的角度变化，编码后经485或无线模块上传数据到软件平台，最小适用M20的螺栓。

开关量无线模式：根据螺栓角度的变化，控制开关的通断，输出通断信号，经485或无线模块上传数据到软件平台，最小适用M10的螺栓。

上述设备均满足：防爆等级达到不低于Ex ib IIB T4 Gb，防护等级达到IP56。

3.3 设备状态监控平台

3.3.1 目标和内容

将前端传感器采集的信号传送给数据服务器，监控终端连接数据服务器用于信息化监控软件的运行。所有的監测内容均可在一个大屏软件中进行展示与分析，从而实现真正的集中式远程监测。

3.3.2 主要功能和技术指标

系统为B/S架构，兼容主流浏览器与企业专用浏览器。并根据现场作业要求，对服务器进行私有云部署。系统主要功能包括：实时记录及显示传感器所监测数据；自动生成图表，查看趋势情况；可记录并导出历史监测数据；实现传感器状态反馈，包括但不限于传感器电量、网络状态、传感器故障信息；能够设置传感器报警阈值，并根据阈值设定进行告警；通过日志查询功能可查询、查看用户操作记录；另外，软件满足100人同时在线并发操作。

4系统在海上平台的实际应用

本研究中的5G专网在海南东方市、广西涠洲岛等多处陆地油气处理终端厂已有成功部署经历，为厂区内的智能巡检机器人等智能化业务提供了良好稳定的专用无线传输通道。本次在5G专网基础上搭载无线振动检测、无线壁厚检测、无线螺栓松动检测等智能化系统的研究成果，已在南海某深水石油平台上开展建设并投入运行。

本研究的落地应用，是南海西部海域首次将无线振动检测等工业智能化技术与油气生产深度融合。通过覆盖全平台生活区、生产区、船体等各个角落的5G无线专用网络，将部署于关键位置的传感器所实时采集的信息传输回用于集中监控管理的软件平台，使平台上的工作人员能够实时、高效地掌握平台重要生产信息。同时，相关数据信息也可以通过海陆无线主干链路传回位于陆地的指挥机构，使陆地职能部门及时了解、掌握平台现场情况，为决策制定、高效管理提供有效依据。

5结语

如何抢占市场先机、寻求产业突破、加快推进智能化转型发展是当今各行各业面临的重要课题，也是海洋石油工业单位正在积极思考和实践的重要方向。下一步将在此基础上持续开展5G+智能机器人巡检、北斗回传、AR/VR/MR、反恐防范等数字化智能化应用，为管理者提供更智能化的安全管控手段，进而不断加速中国海油南海万亿方大气区建设的步伐。

参考文献

[1] 张敏.基于声矢量场处理的海洋内波预警监测技术研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2021.

[2] 赵振营，孙利元，丁金强，等.山东海洋牧场平台发展现状及未来发展重点浅析[J].中国水产，2020（9）：49-52.

[3] 本刊.工信部与中行签署中小企业金融服务战略合作协议[J].中国石油和化工，2021（7）：77.

[4] 本刊编辑部.十大行业5G典型应用案例[J].通信世界，2022（13）：13-17.

[5] 何生成.铁塔螺栓松动检测技术研究[D].北京：北京交通大学，2018.

[6] 郭俊辰. 面向工业环境的无线信号量化感知技术研究[D].北京：清华大学，2021.