Телекоммуникации в прибрежной зоне


csea-1

Система микроволновой связи в морском исполнении для интегрированного производства

Введение

csea-2Разведка запасов нефти и газа в прибрежных зонах морского шельфа развивается ускоренными темпами и обеспечивает многие преимущества от применения новых технологий, позволяющих операторам теперь получать доступ к источникам энергетического сырья, расположенным значительно дальше от береговой линии, чем когда-либо прежде. По мере роста количества морских буровых платформ, судов, плавучих нефтеналивных хранилищ, средств разгрузки, технологических емкостей и их распространения теперь уже в более глубоководных зонах моря значительно возрастает потребность в координации процессов взаимодействия между морскими платформами и береговыми предприятиями. Достижения промышленных технологий, изменения в моделях ведения бизнеса и более строгие требования нормативных документов приводят к необходимости более точного и подробного мониторинга процессов, росту количества и сложности процессов дистанционного управления и технической поддержки оборудования, переводу все большего объема работ и рабочего персонала с морских сооружений в береговую зону. В силу этих тенденций значительно возрастают требования к пропускной способности коммуникаций для комплексного производства в прибрежной зоне. Микроволновая связь с экономической точки зрения намного более эффективна, чем связь с применением морских волоконно-оптических кабелей, а по своим характеристикам пропускной способности и времени задержки она значительно превосходит традиционную спутниковую связь.

Технические проблемы и требования к транспортным сетям в прибрежной зоне

Производственные процессы нефтегазовой промышленности в прибрежной зоне развиваются в направлении новой модели, получившей название интегрированное производство (также известной под названиями цифровое нефтяное поле, e-field, поле будущего и интеллектуальные поля). Интегрированное производство — это новая методология работы при разведке, добыче и производстве нефти и газа в прибрежных зонах. Само это название подразумевает, что в интегрированное производство входит взаимосвязь и объединение (интеграция) производственных средств, знаний, структур бизнеса, процессов, участников проекта и прочих заинтересованных сторон, а также других ресурсов и видов деятельности — и все это реализуется с интенсивным использованием информационных технологий и технических средств коммуникаций. При этом могут появляться различные требования к обеспечению:

  • Постоянное проведение видеоконференций между предприятиями в прибрежной зоне и офисами на берегу
  • Программно-аппаратные комплексы и платформы для широкополосного доступа с высокой пропускной способностью для сбора и передачи производственно-технологических данных
  • Дистанционное управление механическим и электрическим оборудованием
  • Возрастающие требования к геологическому моделированию и визуализации
  • Постоянный мониторинг, протоколирование процессов и анализ данных, поступающих с производственных предприятий и технологических установок в прибрежной зоне
  • Доступ в глобальную информационную сеть Internet и телевизионные трансляции для персонала

Интегрированное производство означает качественно новый уровень в нефтегазовой отрасли. Возможность виртуального присутствия на морской буровой платформе, реально находясь практически в любом месте мира, обеспечивает значительную экономию, поскольку снижаются затраты на перемещение опытных и квалифицированных специалистов и их нахождение непосредственно на местах выполнения производственных процессов. Теперь они, находясь на берегу, могут иметь доступ и анализировать данные, поступающие из многих различных мест, благодаря чему снижаются риски принятых ими решений. Ожидается, что интегрированное производство приведет к рационализации и упорядочению бизнес-процессов. При этом по некоторым оценкам прогнозируется рост порядка 2-5% в объемах добычи нефти и газа, рост 3-8% в их производстве, снижение эксплуатационных расходов на 15-30%, рост производительности работы буровых скважин на 2-8% при одновременном снижении потребности в численности персонала на морских платформах на 25%.

csea-3

Рисунок 1 — Интегрированное производство в прибрежной зоне с использованием микроволновой связи

Высоконадежная и гибкая телекоммуникационная сеть является базовым строительным блоком для реализации интегрированного производства. Одной из самых сложных проблем в такой сети является проблема организации так называемого соединения первой мили, когда необходимо установить связь предприятий и технологических установок в морской прибрежной зоне с берегом и другими прибрежными предприятиями. Это соединение является критически важным звеном во всей коммуникационной цепи, и к нему обычно относятся несколько критически важных требований:

Высокая надежность и эксплуатационная готовность: высокий уровень риска (бизнес, охрана окружающей среды и техника безопасности), свойственный нефтегазовому производству в прибрежных зонах, приводит к необходимости иметь высоконадежные, всегда доступные и гибкие линии связи. Потеря связи с предприятием в прибрежной зоне может означать начало срочной эвакуации всего предприятия, что приводит компанию-оператора к значительным затратам на обеспечение безопасности, потерям рабочего времени и угрозам для окружающей среды.

Дальние расстояния: по мере исчерпания запасов нефти и газа в прибрежных зонах, разведка, добыча и производство перемещается все дальше в море, отдаляясь от побережья. Необходимо поддерживать надежность коммуникаций при возрастании дальности дистанций связи с предприятиями.

Длительность срока службы в условиях морской среды: высокая степень коррозии в условиях окружающей морской среды создает большую нагрузку на электротехническое и другое оборудование, требуются мероприятия по защите от коррозии. Технические решения для телекоммуникаций должны выдерживать сложные условия морской среды в течение длительных периодов времени.

Высокая пропускная способность: переход к интегрированному производству означает рост объема мониторинга, количества компьютерных приложений, трафика передачи видео, и вообще, повышение требований к пропускной способности. Скорости порядка нескольких Мбит/с, которые были достаточны в прошлом, теперь должны вырасти до десятков и сотен Мбит/с в пересчете на каждое предприятие, поскольку традиционные виды коммуникаций уже не адекватны их сегодняшним потребностям.

Требования техники безопасности: постоянный рост требований нормативных документов по технике безопасности означает, что электрическое оборудование должно соответствовать более строгим стандартам, в том числе по обеспечению характеристик работы в условиях высокой взрывоопасности окружающей среды.

Дифференцированные сервисы: использование общей инфраструктуры для различных условий применения интегрированного производства требует высокой степени контроля и управления через механизм уровней или классов качества предоставляемых сервисов (QoS) и динамического предоставления сервисов в зависимости от различных сценариев. Например, это может быть отделение критически важных приложений от сервисов развлекательных программ для персонала.

Сравнение телекоммуникационных технологий

Для телекоммуникаций в прибрежных зонах в основном используются следующие три технологии:

  1. Наземная беспроводная передача (микроволновая связь)
  2. Спутниковая связь
  3. Связь с использованием морских (подводных) волоконно-оптических кабелей

Ниже в таблице приведено сравнение этих трех технологий:

Физическая среда передачи Пропускная способность Надежность и эксплуатационная готовность Стоимость
Микроволновая в стандартной инсталляции Высокая
Несколько сотен Мбит/с
Проблемы
Микроволновая связь над большими водными поверхностями с движущихся платформ затруднена из-за проблем многолучевого замирания, рассогласования положений антенн и ограничений линии прямой видимости.
Низкая стоимость
(по сравнению с альтернативными решениями)
Микроволновая система в морском исполнении (PointLink компании Ceragon) Высокая пропускная способность

Несколько сотен Мбит/с

Высокая надежность и эксплуатационная готовность

Использует уникальные передовые технологии для преодоления трудностей связи на водных поверхностях и передачи с движущихся платформ.

Средняя стоимость

Низкая стоимость по сравнению с альтернативными решениями, как при перво-начальных инвестициях (приобретение оборудования), так и при последующих затратах (приобретение лицензий на частоты и затраты на техническое обслуживание)

Спутниковая связь Низкая пропускная способность

Обычно 2-4 Мбит/с (не подходит для интегрированного производства)

Высокая надежность и эксплуатационная готовность, но очень большое время задержки

Обычно 250 миллисекунд для геостационарных спутников

Высокая стоимость

Стоимость аренды полосы пропускания высокая, особенно для постоянной связи в режиме 24 часа в сутки, 7 дней в неделю (обычно 50 тыс. долларов в месяц при скорости 2 Мбит/с)

Волоконно- оптические кабели Наивысшая

Несколько сотен Гбит/с

 Высокая Наивысшая стоимость

Как при первоначальных инвестициях — инсталляции морского кабеля, так и при эксплуатационных затратах — аренде/содержании кабеля, стоимости затрат велики и далее значительно растут по мере продвижения в глубоко-водные зоны моря

Таблица 1 — Сравнение различных сред передачи для телекоммуникационных систем в прибрежной зоне

Уникальное техническое решение PointLink компании Ceragon

Техническое решение Ceragon PointLink представляет собой передовую систему микроволновой связи, разработанную специально для обеспечения связи на движущихся объектах, таких как морские платформы, буровые установки, плавучие производственные предприятия, плавучие установки для добычи, хранения и отгрузки нефти. В состав данного решения входит усовершенствованная радиосистема транспортной сети для дальних расстояний серии Evolution, подключенная к антеннам PointLink, положение которых стабилизируется с помощью гироскопов, благодаря чему достигается точная регулировка и стабилизация положения антенн на морских объектах и наземных предприятиях относительно друг друга. Преодолев технологические и физические трудности, характерные для стандартных систем микроволновой связи, уникальное техническое решение PointLink обеспечивает высокоэффективные и экономичные телекоммуникации в микроволновом диапазоне на линиях связи в прибрежной зоне.

Высокая надежность и эксплуатационная готовность: решение PointLink объединяет высоконадежное микроволновое оборудование со специально разработанными технологиями стабилизации антенны, а также имеет гибкие возможности настроек под различные условия прохождения сигнала и сетевые топологии:

  • Рисунок 2 - Инсталляция системы PointLink

    Рисунок 2 — Инсталляция системы PointLink

    Радиосистемы серии Evolution имеют высокую надежность, подтвержденное значение MTBF (Mean Time Between Failures — среднее время наработки на отказ, среднее время безотказной работы) у них составляет более 70 лет.

  • Поскольку водная поверхность действует подобно зеркалу, отражающему сигналы, микроволновая связь на водных поверхностях подвержена эффекту многолучевого замирания сигнала. Чтобы преодолеть этот нежелательный эффект, можно реализовать стандартные технологии пространственного разнесения, которые эффективны в менее трудных случаях. Компания Ceragon применяет более эффективную технологию гибридного пространственного и частотного разнесения — так называемое учетверенное разнесение. В этой технологии используются по две антенны на каждой стороне передачи, причем каждая сторона передает два идентичных сигнала на различных частотах с пространственно разнесенных антенн и принимает оба сигнала также на антенны, разнесенные в пространстве. Таким образом, эффекты многолучевого замирания на водных поверхностях и временные потери сигнала на линии прямой видимости (обусловленные воздействием вертолетов, подъемных кранов, буровых установок и т.д.) значительно снижаются, и достигается надежность, необходимая для критически важных задач (99,995% — аналогично уровню надежности, достигнутому в наземных системах). Сложные метеорологические условия на море и обильное выпадение осадков также могут представлять собой значительную проблему. Эта проблема решается путем внедрения линий связи с большими запасами на замирание сигнала и использования фирменной технологии Ceragon АСМ (Adaptive Coding and Modulation — адаптивное кодирование и модуляция), позволяющей поддерживать высокую работоспособность линии связи даже в сильно ухудшенных метеорологических условиях.
  • Рисунок 3 - Антенна PointLink со стабилизацией на гироскопах

    Рисунок 3 — Антенна PointLink со стабилизацией на гироскопах

    На стабилизированной платформе PointLink можно размещать параболические антенны диаметром от 0,3 м до 3,0 м, работающие в различных диапазонах частот, в зависимости от размера антенны. Уникальное программное обеспечение PointLink является единственной в своем классе системой, способной управлять непрерывным вращением антенны на 360 градусов и ее наклоном в пределах до +/- 17 градусов. В сочетании с приводными электрическими серводвигателями, у которых отсутствует люфт и обратное противодействие, точность наведения антенны достигает +/- 0,2 градуса. Эта инновационная система основана на простом прямом решении, в отличие от других систем отслеживания положения антенны, которые ведут запись траектории движения антенны, не обнаруживая разброс данных даже в условиях сильной вибрации. На вращающихся платформах (например, на плавучих системах нефтедобычи, хранения и выгрузки) места, доступные для расположения антенны, обычно не позволяют охватить все 360 градусов для прямого беспрепятственного обзора, поэтому проектным решением системы должно быть предусмотрено несколько антенн. Система PointLink компенсирует эту проблему за счет того, что две или более антенны можно объединить для совместной секторной работы. Объединяя антенны и автоматически выполняя их плавное переключение, незаметное для пользователя, система PointLink обеспечивает безошибочную работу во всем диапазоне 360 градусов , которая может длиться на протяжении ряда лет (об изучении работы решения PointLink на вращающемся судне можно прочитать на web-сайте компании Ceragon). Системы PointLink поставляются со своим собственным гироскопическим устройством GPS Gyro, в составе которого имеется датчик движения для установки положения и наведения, а обнаружение движения делает систему PointLink независимой от каких-либо датчиков скорости или угловых датчиков, которые сильно зависят от условий окружающей среды.

Дальние расстояния: радиосистемы большой мощности серии Evolution, являющиеся частью технического решения PointLink, спроектированы для связи на больших расстояниях с использованием мощных передатчиков и высоким усилением системы, и обеспечивают надежную связь на дальних дистанциях. В настоящее время рекорд дальности связи на водной поверхности установлен системой PointLink, соединяющей материковую территорию Норвегии с морской буровой установкой на подводном нефтяном месторождении Йимэ (Yme), находящемся в Северном море на расстоянии 123 км (материалы изучения этого случая доступны на web-сайте компании Ceragon).

Длительный срок службы в условиях морской окружающей среды: радиосистемы серии Evolution, спроектированные для инсталляции в прибрежных зонах, имеют специальное покрытие, позволяющее выдерживать неблагоприятное воздействие окружающей морской среды. Вся система размещается в защитном кожухе-обтекателе.

Высокая пропускная способность: радиосистемы серии Evolution обеспечивают очень высокую пропускную способность. В них применяется модуляция QAM-1024, позволяющая повысить эффективность использования частотного спектра и вести передачу трафика Ethernet со скоростью более 250 Мбит/с на одном диапазоне 28 МГц. В качестве альтернативы те же самые радиосистемы можно использовать для передачи стандарта SDH в каналах STM-1s (155 Мбит/с) или даже STM-4 (622 Мбит/с), используя для этого несколько несущих.

Соответствие нормативным требованиям по технике безопасности: система PointLink сертифицирована на соответствие требованиям АТЕХ зоны 1 и 2, поэтому она пригодна для безопасной работы в условиях взрывоопасной окружающей среды.

Дифференцированные сервисы: радиосистемы серии Evolution поддерживают «родной» (первоначальный) формат стандарта Ethernet и имеют встроенный механизм QoS для обработки приоритетного трафика, который поддерживает дифференциацию сервисов, и тем самым гарантирует обеспечение полосы пропускания и соответствующего времени задержки, требуемых для критически важных приложений.