石油圈
信息化的今天，日益成熟的移動互聯網技術為各傳統行業提供了先進、可靠的基礎保障。視頻的移動化，有效解決了安全生產領域突發事故時，各級安全監管單位在跨區、跨網絡大范圍協同作戰的應急指揮救援等問題。在“兩化”融合深入推進的大背景下，油田各業務板塊都高度重視以提高生產管理水平為目的的信息化建設。信息化項目中的無線視頻技術應用，將大大提高油井作業施工效率、采油井、采油間及輸油管網的安全監控水平和突發事件的應急處理能力。無線視頻技術的合理使用，對未來石油穩產目標的達成具有積極重要的意義。
無線視頻之于石油穩產，如同輸電技術之于發電廠。發電能力已經飽和，只有在輸電過程中減少損耗，才能達到提高發電效率的目的。對于影響石油穩產的眾多因素，通過無線視頻技術提高管理水平、降低管理成本、提高維修養護效率、縮短突發事故時延，能直接降低石油的生產成本，對于提高石油的采收率具有立竿見影的作用。
1無線視頻系統的重要組成
從網絡架構上看，無線視頻系統可以劃分為前端設備、傳輸設備和客戶端三部分。
1.1前端設備及數據配置
前端設備包括視頻頭及編碼器，還可以選配存儲服務器。本文只針對無線視頻技術進行研究，對存儲器不做深入分析。
1.1.1視頻頭選擇
選擇支持高分辨率的視頻頭，是獲得高質量圖像的基礎。無線視頻技術一個基本的構成因素——視頻圖像。清晰的視頻圖像是無線視頻技術追求的目標。對于圖像質量優劣，首先要從前端視頻頭做起。如下圖所示，依次為左槍機（D1）、右網絡高清球機（D1）。
1.1.2選擇針對無線傳輸的編碼器
選擇H.264協議的編碼器。編碼器能否將優質畫面高效壓縮，是便于傳輸的基礎保證。相對于H.263協議，H.264在低帶寬下有了長足進步，可以達到以下效果：256k帶寬即可基本商用；1M帶寬即可達到高端商用客戶需求；2M帶寬可以達到支持動態4CIF圖像效果，和MPEG2協議8M帶寬效果相當。
下圖是H.263、MPEG-2、MPEG-4和H.264壓縮性能的一個比較。圖中橫坐標代表碼率（單位：kb/s），縱坐標代表視頻的質量，用視頻亮度分量的信噪比（單位：dB）表示。信噪比越高，表示視頻質量越好。使用的測試序列是標準測試序列Tempete（CIF，30幀/s）?？梢钥吹?，在4個編碼標準中，MPEG-2的編碼效率最低，H.263次之，然后是MPEG-4，H.264編碼效率最高。從視頻質量上看，當圖像客觀質量達到31dB時，H.264產生的碼率僅約為350kb/s，MPEG-4需要510kb/s左右，H.263約為625kb/s，MPEG-2則接近1Mb/s。
1.1.3前端配置
最大傳輸單元（MaximumTransmissionUnit，MTU）值的選取。設定值偏大，數據包會被迫拆分，產生很多包碎片，出現丟包現象。如果客戶端采用pppoe上網，一般此值應改為1492。更多情況下，需要測試后決定。
碼率分為定碼率和變碼率。對于帶寬抖動較大的無線網絡來說，前端選擇變碼率更可以根據帶寬的波動及時改變碼率大小，達到傳輸圖像流暢的目的。
碼率上限。根據所要達到圖像的分辨率要求，進行相應調整。
I幀間隔。因為I幀傳輸一幅完整的畫面，I幀打包數據量較大，傳輸延時較長，所以I幀間隔不宜過小，更應根據實際使用環境靈活配置，以達到最優效果。
幀率（FrameRate）。幀率是測量顯示幀數的量度。由于人類眼睛的特殊生理結構，如果所看畫面之幀率高于20，就會認為是連貫的。該參數在設置時應充分考慮客戶端的顯卡處理能力。因為在分辨率一定的情況下，幀率過高，將導致顯卡的工作效率下降，帶來圖像的不流暢。所以，建議分辨率以肉眼觀看流暢為原則設定。
心跳機制。作為前端設備狀態確定的一個重要機制，其設定的時間間隔對無線網絡的工作狀態沖擊較大。設定時間小于或等于無線網絡的保持時延，將導致被占用的子信道無法釋放，帶寬的利用率下降，甚至無法滿足工作需求；心跳間隔過大，則容易出現前端故障判斷不及時的問題。
1.2傳輸設備
為了滿足無線視頻傳輸的需求，傳輸設備主要包括前端的傳輸模塊（也可以理解為CPE）、無線傳輸基站（McWiLL基站）、路由器及網關、視頻服務器（提供流媒體）等網絡硬件，如下圖所示。
1.2.1傳輸模塊/CPE
根據需求，可以提供兩種傳輸模塊：
（1）MEM160模塊，最高支持傳輸速率1Mb/s；
（2）超級CPE，最高支持傳輸速率4.6Mb/s。
1.2.2無線傳輸基站（McWiLL基站）
McWiLL基站具有4種自適應的調制方式。各調制方式對應提供的帶寬，如下表所示。
以上調制模式取決于模塊所處的無線環境，因此實際應用中應充分考慮無線環境的因素，合理規劃安裝位置及配備適應相應環境的硬件設備，以達到效益最大化。
靈活配置上、下行時隙。對于主要用于生產保障的生產網，數據主要由無線網絡流向有線網絡，對無線網絡的上行要求較高。McWiLL網絡采用TDD雙工模式，可以靈活配比上下行時隙。通過增加上行時隙，可以大大提高網絡數據傳輸能力。
現網中無法實現時隙非對稱的原因，主要為小靈通用戶的終端設備配置在20M內，存在對McWiLL基站的上行干擾。隨著新的頻段申請成功，在新的頻段內將不存在以上問題，以上功能將更有效地發揮出McWiLL網絡的傳輸優勢。
1.2.3路由器及網關
生產網中，生產數據將以IPv6作為傳輸協議。而視頻服務器配置在IPv4的網絡中，所有的數據都需要IVI網關，以實現地址解析，實現兩張網絡的互通。
1.2.4視頻服務器
視頻服務器集成了流媒體服務器的功能，并通過多網卡實現多網間的視頻分發。
（1）流媒體服務器作用
第一，流媒體服務器主要用來緩解。由于過多的用戶直接從前端設備取流，給無線網絡造成的額外開銷和壓力。第二，流媒體服務器的搭建可以提供基于UDP傳輸協議的視頻數據傳輸，為用戶在傳輸協議中提供多種選擇。
（2）服務器的多網域設置功能
無線視頻的廣泛應用、跨網間的使用，要求服務器不只局限在一個網絡中。多網域的配置，可以簡化網絡架構，提高服務器的工作效率。
1.3客戶端的配置
客戶端大致可分為PC、ipad、智能手機等。其中，PC又可分為下載客戶端和網頁客戶端。豐富的客戶端軟件，可以充分滿足不同需求人士的需要，將無線視頻技術更廣泛地推廣給各階層使用者。
1.3.1客戶端的本地配置
客戶端提供了豐富配置選項，包括抓圖、視頻存儲、視頻回播以及網傳性能優化等。因為人們往往最關心視頻的質量，所以網傳性能的優化是一項值得關注的選項。例如，在?？档目蛻舳酥芯蜁芯W傳性能的直接選項按鈕，從1到9可供選擇。當選擇9（流暢優先）時，相比實時狀態下視頻流暢性有所提高。通過內存監測發現，它增加了內存的耗用量（30M）。由此可以推斷，終端側增加緩存，在圖像實時性較小的影響下，可以得到相對較理想的流暢效果。
1.3.2客戶端對傳輸協議的選擇
對傳輸采用TCP還是UDP，不同廠家的客戶端有不同的配置項。但是，從使用者的角度來看，該配置值得保留，可以在一定程度下緩解網絡壓力。
2采油中無線視頻技術的實際應用
如何在有限的資源下，做到效益最大化，必須從無線網絡的特點出發，從前端設備的應用環境、傳輸的網絡特性和客戶的使用要求綜合分析，集中優化，實現資源占用最小、使用效果最優、應用范圍最廣、擴展業務能力最強的目標。
2.1前端的應用
如何實現資源占用的最小，可以從三個方面考量。第一，無線視頻終端的數量越少，占用的資源越少；第二，采用的視頻分辨率越低，占用的資源越少；第三，向前端取流的客戶端越少，資源占用越小。
2.1.1無線視頻終端的數量規劃
數量的規劃主要取決于應用場景。例如，在以下應用場景中，相應可以采用不同的規劃手段。如下圖所示，場景1中，所有的油井都在相對較平坦的區域內，且沒有高大建筑及茂密的防風林遮擋。所以，可以假設塔臺。利用塔臺高度，假設長焦距云臺監控設備，可以一個視頻頭完成對3km半徑內的所有油井的監控。優點是可以充分利用無線帶寬資源，因為塔臺的高度較高，與基站間實現視距傳輸，大大減少自然環境對信號的干擾，實現穩定、較高的帶寬，從而可選擇高清視頻圖像格式。缺點是無法對某一個固定的區域最邊界告警，需要專職人員隨時操作進行巡查。
如下圖所示，場景2中存在防風林或者被其他林區高大樹木包圍，可以采用點對點的視頻監控模式。優點是可以直接切換視頻，無需人工調整，便于操作，更可以有針對地開發邊界控制、侵入告警等附加功能。缺點是一旦出現集中注冊同一基站，帶寬壓力較大，甚至影響畫質效果。
如下圖所示，場景3主要為市區內采油設備，在條件允許的情況下，可以采用有線就近接入，利用路燈桿或燈崗等城市設施，搭建監控設備實現監控。優點是不占用無線資源，可以更好地實現高清視頻。缺點是城市施工有難度。
2.1.2區別配置各個視頻頭的分辨率
視頻分辨率配置的高低要根據前端應用場景情況決定。場景1中可以采用D1，實現點對多點的高效率。而場景2的點對點情況，建議采用CIF，可以根據單基站覆蓋區域內點的多少，按需求給予個別點更高的視頻分辨率，最終達到無線帶寬利用最大效率化、用戶體驗最佳化。
2.1.3向前端直接取流客戶端數量控制
向前端取流的客戶端數量，倍數增加前端對帶寬的需求。對于無線寶貴的帶寬資源來說，相同的視頻占用過多的帶寬是低效、無謂的浪費。所以，在采用流媒體服務器后，終端用戶將嚴格限制取流方式——只允許從流媒體服務器取流。
2.2視頻服務器的管理
視頻服務器作為對前端設備的管理，必不可少。前端設備的多元化，可能造成視頻服務器的龐雜，從而導致管理上的困難。為了防止視頻服務器過多、過雜，造成對前端取流出現交叉、重復的問題，視頻服務器應盡量兼容能力強且支持多級管理，為擴容和日后的維護管理提供便利。
2.3拓展業務能力
實際油田應用中，無線視頻不僅簡單的圖像傳輸，更可以與其他傳感器聯動。安全防范方面，可以做到電子圍欄，實現入侵告警；石油生產運行方面，提供與其他傳感器的接口，實現動環監控，將關鍵參數與視頻實現聯動。一旦生產數據出現異常，視頻可在第一時間彈出，簡單、直觀地為故障排查、事故分析、應急搶修提供寶貴的視頻資料和時間。
3結語
無線視頻技術作為無線通信科技發展的成果之一，在油田中的應用尚待進一步研究。本文通過視頻技術的應用分析，結合油田開采的需求，量體裁衣，力求創建一套切實可行的油田視頻技術應用解決方案，以加快油田信息化進程。
版權聲明|來源：《通信技術》，作者：仲偉思，版權歸原作者所有。
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