5G专网在中国海油海南公司的应用

方良君

（中国移动通信集团海南有限公司，海南海口 570100）

0.引言

作为通用网络技术，5G将成为全面构筑企业数字化转型的关键基础设施，对打造企业工业互联网具有重大意义[1]。5G网络可以满足工业生产与控制对于高宽带、低延时的网络需求；与此同时，在工厂内部署边缘计算、让5G网络与云、边缘计算、大数据、人工智能等核心能力，以及企业生产管理与经营管理等系统相结合，能有效提升系统处理能力和安全性[2-3]。

5G提供的全新网络能力将满足并驱动市场与产业快速发展[4-5]。（1）业务多样性。5G时代的主要业务需求划分为三类：增强移动宽带场景（eMBB），聚焦对带宽有极高要求的业务，提供每秒Gbit级的高传输速率；低时延、高可靠场景（uRLLC），聚焦辅助驾驶/自动驾驶、工业控制、远程手术、无人机控制等对时延极其敏感的业务，提供 <1ms的极低时延；低功耗大连接场景（mMTC），覆盖智慧城市、智慧农业、抄表业务等具有高连接密度的场景，提供每平方公里百万连接，助力物联网加速发展[6]。这三类场景需要完全不同类型的网络特性和性能要求，如移动性、安全、策略、时延、可靠性等。这些多样的需求难以用一套网络解决，而为每一类业务部署一种网络，即类似专网的方法是不高效的。因此需要一种更灵活、面向未来（future-proof）的解决方案。（2）快速部署能力。传统的业务网络新增一个网络功能的周期往往需要10～18个月，这很难满足面向垂直行业时的业务快速部署的需求。（3）资源复用和安全隔离[7-8]。各垂直行业客户将会以租户的形式来使用5G网络。5G网络将基于一套共享的网络基础设施，来给多租户提供网络服务。因而，为租户提供服务的逻辑网络之间需要实现安全隔离。这一点，对垂直行业至关重要，一方面是从安全性角度，租户之间的数据信息能有效隔离；另一方面从可靠性的角度，有效控制网络故障影响的范围。（4）自动化。5G网络面向多样化的业务和网络形态，网络管理的复杂度和规模难以依赖人工的网络管理方法，需要引入自主管理技术以实现有效和动态的网络管理，如自诊断、自治愈、自配置、自优化、自安装、即插即用等。随着网络管理自主化的进一步深入，人工智能技术可能会被更广泛的应用。未来的网络切片管理要支持跨层、跨域的管理和协同[9]。

中国海油在“十四五”规划工作要求与思路中，提到了一个目标、五个战略、三个作用、四个跨越的“1534”发展思路，其中四个跨越包括“要变革发展模式，实现从传统管理模式向现代化、数字化、智能化跨越。中国海油要提升海上平台、陆地终端、厂区的智能化建设水平，需要有大量的专业传感数据、工控生产、办公数据传输，这些数据对传输带宽、延时等方面都有很高要求。结合目前通讯的发展状况，大带宽、低时延的5G通信能很好地满足中国海油的需求，5G与海上平台业务融合之后，可以全面助力中国海油向数字化、智能化转型。

本项目结合中国海油上、下游业务的需求，在海上平台、陆地终端、石化厂区进行5G专网建设，并结合各装置的实际智能化应用需求，部署5G智能化应用，提升中国海油的智能化水平，形成海上平台5G建设的企业标准，为中国海油海上平台的智能化转型提供技术储备。

1.面向石化企业5G专网建设方案

1.1 平台架构

智慧海域平台架构，自下而上分别为业务层、边缘层、感知控制层、网络层、平台层和展示层，单层级功能描述如图1所示。

图1 智慧海域平台架构图

1.1.1 业务层

业务层包含着工艺、装备、安全、物流、仓储、销售。工艺流程分为工艺设计经审核后进行工艺计划，工艺计划审核完成才能工艺作业，在工艺作业中进行任务下发，流程为工艺材料预备、工艺作业通知、工业作业验收、工艺作业总结、工艺完善、安全确认移交。装备为工作人员的配置，人员定位设备配置、领导应到分站配置、人员报警配置，配置经过平台作业人员管理系统便可进行查询，又分为四大模块，平台人员数量统计、领导应到分站情况统计、人员告警查询、单一人员轨迹回放。平台安全监控分为四大部分，分别为数据配置、实时监测、报警督办、申请豁免。数据配置细分为传感器接入、配置越限告警配置、组合告警配置、告警原因配置。实时监测细分为传感器实时数据列表查询、越限告警弹框、组合告警弹框、传感器历史曲线查询。报警督办细分为报警事件对上级进行汇报。申请豁免细分为提前报备传感器异常。接入平台安全环境监控系统数据，实时监测传感器状态，提供实时报警、预警提醒，对历史数据进行综合查询，形成曲线分析和统计报表。报警督办流程可以及时反馈平台报警异常信息，加快问题的定位及处理速度。申请票制度规范地避免因检修等原因导致的数据越限、信号误报的现象。除此之外，安全还有平台应急救援管理，应急救援计划下放得出应急救援预案，又分为应急机构、应急GIS图、应急资源，而应急资源再次细分为专家队伍、物料设备。应急救援通过配置GIS动图可直观观察到救援路线，对预案信息、救援资源信息、演练信息进行调整，实现对整个应急事件的全生命周期的管理。物流、仓储、销售与5G专网相结合，可推动现代物流的发展，促进从传统管理模式向现代化、数字化、智能化生产管理跨越。

1.1.2 边缘层和感知控制层

设备感知层包含工地内智能化改造所有物联网设备，通过传感器实时采工地现场数据，并通过5G、4G、2G、NB、WiFi、有线等网络接入方式，通过软件通讯协议和物理通讯接口将数据传输至云端数据中台，同时可以向物联感知层各智能化子系统和智能设备下达控制命令。

1.1.3 网络层

网络传输层包含底层感知设备快速接入智慧海域平台所需的5G、4G、NB-IoT无线网络资源；物联卡接入平台提供感知设备物联卡接入、流量充值、费用管控、短信服务等基础能力；智慧工地部署所需云计算资源，包括软件包部署、资源调用、负载均衡等能力确保平台稳定运行。

1.1.4 平台层

数据资源层包含存储工地内所有应用业务的数据湖、数据处理的大数据平台、打通业务系统的引擎平台。

1.1.5 展示业务层

展示层是基于业务应用和数据资源向客户提供话语管理、管控的独立业务应用系统，包含视频监控、机器人控制、应急巡检、大屏展示等需要的业务应用。

1.2 5G专网建设方案

项目整体采用5G 2.6GHz对整体海域和陆地接收站进行覆盖，新增MEC下沉至对应海域作业平台和陆地战，实现5G数据在4G/5G无线网络的媒体面业务处理和转发等功能。终端数据通过专属5G卡，走专网流量；普通用户及访客通过公众5G卡，走公网流量，通过移动大网访问Internet服务。下一步，计划将采用700MHz组合的方式扩大覆盖面积，并考虑将5G专网覆盖半径扩展至东方海域、陵水海域、三亚海域、乐东海域、澄迈接收站等海南全省范围，同步将陆地和海域MEC打通，实现全省一卡漫游，打造海陆一体化专网，项目整体建设方案模型如图2所示。

图2 建设方案模型

1.2.1 中国海油东方终端5G专网建设

中国海油东方终端5G专网建设项目是由中国海油集团公司科信部主导、海南移动承接建设的中国海油第一个5G专网系统，该项目重点就是采用5G+MEC（移动边缘计算）方案，将网络的计算能力下沉到用户身边，通过MEC对接企业IT数据库或将5G智慧监测公共服务企业侧平台搭载在MEC平台上，减少网络链路的迂回和拥堵现象，缩短传输路径，能够有效提升传输带宽、降低网络时延和保证数据安全，实现专网数据不出厂。其终端网络模型如图3所示。

图3 中国海油东方终端网络图

在东方终端建设基站及室内外设备安装如图4和图5所示。

图4 东方中海油基站1卫星图

图5 室内外设备安装图

东方终端5G建设完成后，在厂区内各个位置运用蜂窝移动网专用软件测试，测得与数据业务相关的性能指标如表1所示。

表1 蜂窝行动网性能指标

1.2.2 中国海油文昌9-2/9-3平台5G建设

中国海油文昌9-2/9-3平台是第一个建设5G网络的海上平台，该项目通过部署5G无线网络，以其为基础承载融合通信、智能巡检业务，实现固定电话、集群对讲、音频广播、视频监控系统的融合通信及多媒体调度，实现海上平台巡检的自动化、智能化，提高海上平台生产管理信息化水平，总体达到提质、降本、增效的建设目标。其技术架构如图6所示。

图6 中海油文昌9-2/9-3平台技术架构

目前，文昌9-2/9-3平台的5G覆盖已经完成第一期项目建设，实现了生活区二楼和组块底层甲板的覆盖，在功能上实现了生产网前端设备的数据采集及传输以及无线融合通信的承载。图7是室内天线布局图。本次海上平台5G项目，在文昌作业公司9-2/9-3平台部署5G核心网一套、BBU一台、RRU两台，对平台生活区二楼及生产区底层甲板进行无线覆盖。海上平台的天线布局如图8所示。

图7 室内覆盖天线

图8 海上平台覆盖天线

1.2.3 海洋石油富岛公司5G建设

作为中国海油下游企业，海洋石油富岛有限公司（简称“富岛公司”）位于东方市工业园区，以崖13-1、东方1-1、乐东气田天然气等中国海油南海海上油气资源为依托，生产大颗粒尿素、甲醇及下游产品。富岛公司为开展数字化转型，推动智能工厂建设，在厂区部署5G专网，让5G网络与云、边缘计算、大数据、人工智能等核心能力、企业生产管理与经营管理等系统相结合，推进信息技术与生产经营深度融合。

富岛公司5G专网建设在厂区布置的天线及方位如图9所示。

图9 富岛公司5G专网厂区天线方位图

2.5G专网对石化行业的赋能效果

中国海油在上游的海上平台、陆地终端及下游的石化厂区都部署了5G专网，各装置希望利用5G的高带宽、低延时、大容量特性，建设一张与生产办公融合的通讯网络，提升智能化建设，加快海油的数字化转型。目前，各装置的5G应用主要有以下建设内容。

2.1 5G+智能化机器人巡检

智能化机器人巡检是东方终端5G专网的智能化应用，该项目通过搭建一体化平台，统筹融合智能巡检机器人、室外5G智能防爆摄像头、室内5G智能摄像头、扫描式可燃气体遥测探头、单点红外测温、温湿度仪6大系统，整个系统结构如图10所示。

图10 智能化机器人巡检系统拓扑图

防爆巡检机器人整合机器人技术、非接触检测技术、多传感器融合技术、模式识别技术、复合导航定位技术及物联网技术等，能够实现场站全天候、全方位、全自主智能巡检和监控，有效降低劳动强度，降低人工巡检运维成本，提高正常巡检作业和管理的自动化和智能化水平，为智能厂区建设提供创新型的技术检测手段和全方位的安全保障。

在东方终端装置现场，智能巡检机器人对机泵运行状态进行检测，包括泵体各部位温度、异常声音、泄露等；可对地面各压力、温度等仪表进行自动识别和告警、阀门开度检测、液位检测、管路泄露检测等。通过代替巡检人员进行巡视检查，保证设备的安全运行和人员的安全。

在路线中进行智能巡检的工作如表2所示。

表2 智能巡检任务

2.2 5G+融合通信

文昌9-2/9-3平台5G建设，是第一个5G+海上智能平台试点项目，利用新一代无线通信技术，建立覆盖海上平台的5G专网，并在此基础上开展信息化、智能化业务应用，提高海上平台生产管理信息化水平，达到降本提质增效的建设目标。高宽带、低延时，5G强大的通信能力，将“离线智慧”提升为“在线智能”，灵活的网络架构可实现海上平台“实时智能与在线协作”，5G+海上智能平台最终将建设成具有全面感知、自动操控、预测趋势、优化决策能力的智能油气田。

本系统主要针对海上平台现有通信系统多种多样、无法实现互联互通的问题，打破各系统之间壁垒，实现融合通信调度功能。系统针对广播系统、程控电话系统、CCTV电视监控系统以及UHF超高频对讲系统进行融合，除具有基本的调度功能外，还具有音视频录制、动态群组管理、分组协同调度、多媒体融合调度、集群对讲等功能。其网络结构如图11所示。

图11 网络拓扑图

2.3 5G+智能巡检+移动审批

智能巡检系统通过5G网络覆盖下的智能终端设备来改善以往人工巡检、手抄记录的模式，解决获取数据速度较慢、时效性较差、数据的准确性不易保证、假巡检、缺检、漏检或者巡而不检、走马观花等问题。各类巡检数据传输回中控室后，智能巡检系统可自动生成巡检记录表，避免以往手工填报费时费力、填报错误等问题。

开发移动审批App软件，与装备信息管理系统MAXIMO互联互通，将各类审批工作推送到移动终端进行处理，解放海上平台管理人员，将更多的精力投入生产现场，其App操作界面如图12所示。

图12 App操作界面

2.4 5G+智能高清监控

通过5G网络，结合边缘计算、视频监控、深度学习等，实现生产区域及重要区域常规和应急监控，实现重要资产实时定位，人员车辆等综合管理。在此基础上，将对泄露、火灾、不戴安全帽等隐患和违规场景建设认知模型、对隐患、违规行为智能自动预警，并可视化展示。

利用5G高带宽特性，在厂区部署高清监控摄像头，利用AI算法识别进行仪表数据、开关数据、液位计、LED数字、烟雾明火识别等，扩展传统监控功能，提升监控报警的主动性，保障厂区监控安全。使用场景如图13所示。

图13 5G智能高清监控区域

2.5 5G+AR

通过5G+AR技术，现场作业人员可方便高效与后端远程的专家实施的双向音视频进行交流，采集现场图像和数据信息的同时，后端远程的专家可以对现场操作人员进行技术指导，用于现场操作指引、设备检维修指引、快速排除故障，提高现场工作效率。

AR辅助应用系统通过新技术应用，改善海上平台人员工作体验，提高工作及学习效率，为打造智能平台提供支持。通过智能眼镜设备，结合AR技术实现以下辅助巡检功能。

（1）工作任务调度。通过自动及手工等方式，从生产管理系统获取巡视计划任务及具体的操作任务内容信息，并将标准化巡视作业指导书同步到管理平台，按巡视作业指导书中的巡视对象、地址及内容或操作内容规划任务路径。巡视人员通过智能眼镜接收执行任务。系统自动记录人员信息、起止时间、巡视、操作内容反馈等。

（2）工作任务执行。平台基于穿戴智能眼镜，并根据工作任务进行高效巡检作业；智能眼镜通过语音交互等方式随时进行巡检，如拍照、AR扫描、远程协助、单兵记录、数据采集等，提高工作效率。

（3）工单接收。巡检人员通过平台获取工单信息，并通过智能眼镜同步数据信息将平台文字、图片或视频的模型数据与智能眼镜现场识别的设备巡检对象进行无缝贴合。然后由智能眼镜识别到指定的对象，同时识别到与该设备相对应的各种物理参数，智能眼镜将所采集的所有物理参数根据判定模型进行判定，确定巡检设备的工况。

（4）巡检智能路径规划及导航。智能眼镜设备自动定位运维人员的当前位置，基于同步定位技术，实现设备巡视或操作路径规划，使得运维人员精准了解巡视或操作路线，并实时记录人员位置及所经过的各个巡视操作点，实现对运维人员的位置可知、可查、可考，通过系统推送的巡检任务智能规划路径及实时导航，如遇巡视操作路径偏离系统规划的路径，系统发出预警提示运维人员路径偏移。

（5）巡检内容执行。运维人员可根据任务工单以标准化作业规范为指导，利用成熟的人工智能技术完成巡视操作任务，运维人员通过佩戴智能眼镜进行作业，智能眼镜作为数据接收传送的计算单元及纽带，实时接收、计算、传送各类巡视操作数据，如时间、位置、巡视操作内容、各类记录、音视频、照片等信息至云端AR智能巡检系统，并同步到相关的管控系统。

（6）巡检路径归档。通过智能穿戴设备会详细记录自身所行进的轨迹，将数据传送到后台服务，在无移动信号的区域，终端将轨迹信息记录在本机，当再次进入有信号的区域时，会继续完成行动轨迹数据的发送，保证轨迹数据的完整性。可在三维场景中显示巡视轨迹和缺陷隐患记录。

（7）可视化报表统计。统计报表具有个人巡检统计管理、巡检决策管理及巡检排名等功能，帮助员工了解月巡检总体情况，也为领导巡检决策及巡检工作考核提供及时数据支撑，并可将部分KPI数据同步到对应的运维管控平台。

（8）应急指挥远程决策。利用AR远程回传视频、语音功能，可通过前端移动式AR画面进行远程视频回传，为后端应急指挥中心提供决策判断依据，提升海上平台应急演练水平。图14是运维人员的作业演示图。

图14 运维人员作业演示

2.6 生产安全应急管理

采用5G结合移动视频监控、人员定位、防爆手持设备、无人机等技术，现场装备、生产状况、人员、高风险作业、应急资源、高风险点、监控等数据即时传递到应急中心，应急中心与地方、总部可进行联席指挥，并与移动消防指挥车共享通讯及数据，实现上下联动集控一体化应急指挥。海油富岛应急指挥系统操作界面如图15所示。

图15 海油富岛应急指挥系统操作界面

现场高风险生产作业许可，通过5G+防爆手持终端规范高风险作业现场管控，消除人的不安全行为和物的不安全状态所导致的安全隐患，实现现场全程留痕、票证流程化、智能监督作业管理等，提升现场安全管理水平。应急指挥平台建设实现的功能：

（1）构建风险管控和应急指挥体系，包括安全培训、风险控制措施、隐患排查治理、重大危险源分级、危险化学品储存地点标识、应急预案与演练等功能。

（2）建立安全生产预警模型。依据国内外的有关规范、标准和一些成功的经验，对现有的模型进行筛选和性能分析，确定了数学模型。事故模型和数学模型构成了风险评估系统，完成泄漏、火灾、爆炸、中毒的灾害事故的破坏能级以及对周围环境的影响估计。

（3）风险预警与防控功能，将完善后的风险预警分析模型分析出的企业风险预判结果按极高风险级别、高风险级别、较高风险级别、一般风险级别进行展示。

（4）应急演练和指挥功能，系统要能够根据险情自动分析出当前最佳行动预案，系统会同时显示预案详细解释及实施前的分析报告，值班员根据每个行动预案启动结果，判断是否启动下一条预案，直到事件结束。

（5）环境实时展现需求：通过系统实时了解现场视频情况和人员情况。应急物资与资源情况、现场气象等各类情况展现，为现场提供可靠的决策支持。

（6）决策与历史事件联动：建立动态历史数据库，将现场决策与历史出现的事件联动，为现场决策提供最可靠、无法取代的依据展示。

（7）可视化平台建设：建立满足应急指挥所需要的一体式可视化平台，满足日常调度、应急指挥所需要数据支撑，保障公司方式的应急指挥调度。

2.7 5G+大数据工艺监测系统

通过5G完善大规模数据采集，整合富岛公司生产装置及各主要生产系统的数据，实现信息集成、信息共享、知识共享、技术共享；在大数据工艺监测系统中嵌入自有知识产权的生产自适应PCA/PLS算法模型，形成具有生产过程监测、诊断和大规模数据运算处理功能的综合性数据系统。该系统的技术架构图如图16所示。

图16 技术架构图

数据源：大数据工艺监测系统的数据主要来源于生产系统及各业务系统，并通过5G+物联网技术实现部分现场数据采集获取。

元数据采集：通过采集适配器进行自动化的、批量化的元数据采集，将分析型应用所涉及的端对端的元数据装载到元数据存储平台，并协调各应用的业务用户和数据专员进行元数据分布和流向的核查与验证。

数据集成：针对现有不同系统，不同的数据存储、数据加工和数据展现工具，定制化开发采集适配器，使之能够采集各种类型的数据，包含结构化数据、非结构化数据、实时数据等，能够支持未来3～5年所有的数据类型。

大数据分析：在大数据平台上嵌入生产过程数据分析等模型，通过模型的自适应学习和训练实现对装置运行状况的准确掌握，并及时发现参数异常情况，预测出工艺和设备的运行趋势等。

3.结语

5G数字工厂的发展深化，会对后续行业发展起到深刻影响。首先，5G会让测绘、远程沟通等工作效率更高，石油化工仓储及物流会改观，毕竟5G落地，车联网、物联网都会实现。其次，随着石化生产和市场情况将紧密联动，行业数据会更新特别快，化工厂的产品库存不会大规模积压，周转期会缩短，生产和销售智能化，生产数据更新更快，远程分析生产数据的生产方式会普及，关联技术和产业会兴起，传统产业也会有新气色。

中国海油目前在进行全面的数字化转型工作，通过在海上平台和陆地终端的5G+应用试点工作，为海油打造数字化海油提供更快的转型通道，有利于助力企业开展信息化转型升级，也为各企业开展5G数字应用提供一个很好的展示窗口。

本项目可以向渤海、北部湾海域、东海等海域平台作业以及港口接收站作业规模复制，海南作为自贸港的国际展示窗口可以向一带一路东南亚国家推广，助力5G国家技术海外推广。