基于北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集傳輸一體化終端的研發(fā)與應(yīng)用

王含宇+張輝軍+張彥路+張劍

摘 要：文中闡述了北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)采集傳輸技術(shù)在新疆油田偏遠(yuǎn)井生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集方面應(yīng)用的必要性?；诒倍沸l(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸功能研發(fā)的北斗一體化終端箱前端數(shù)據(jù)采集傳輸原理，介紹了北斗衛(wèi)星傳輸鏈路，展示了北斗一體化終端管理平臺(tái)界面。將新疆油田現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)施難度、經(jīng)濟(jì)效益等方面與其他無線傳輸方式應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比，介紹其部署在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用情況以及北斗技術(shù)在其他行業(yè)的延伸前景。

關(guān)鍵詞：北斗通信；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)傳輸；一體化

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2018）02-00-02

0 引 言

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是我國正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。我國為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)制定了“三步走”的發(fā)展規(guī)劃，從2012年起正式提供衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)，服務(wù)范圍涵蓋亞太大部分地區(qū)。使用北斗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)具有不受地域限制、傳輸穩(wěn)定、功耗低、后期維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。目前，新疆油田油井?dāng)?shù)據(jù)采集傳輸多采用無線電臺(tái)、無線網(wǎng)橋、GPRS等方式，解決了大部分油氣生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳輸問題。但是在偏遠(yuǎn)井區(qū)、計(jì)量站、運(yùn)輸管線，傳統(tǒng)的傳輸方式由于其技術(shù)條件的先天不足或?qū)崿F(xiàn)成本過高，造成在特定的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的回傳。根據(jù)新疆油田的地理環(huán)境、數(shù)據(jù)傳輸條件等因素，應(yīng)用北斗數(shù)據(jù)采集傳輸一體化終端將是新疆油田滿足油氣生產(chǎn)信息化建設(shè)的必要補(bǔ)充手段。

1 新疆油田通信方式應(yīng)用現(xiàn)狀

新疆油氣井井區(qū)、計(jì)量站、運(yùn)輸管線油氣生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)多處在偏遠(yuǎn)地區(qū)。這些地區(qū)地表起伏較大，晝夜溫差大，風(fēng)沙大；夏季高溫時(shí)，地表溫度可達(dá)80 ℃；冬季最冷時(shí)，氣溫可下降至-40 ℃。惡劣的環(huán)境給新疆油田通信系統(tǒng)的建設(shè)帶來了諸多困難。目前，新疆油田無線傳輸多采用無線網(wǎng)橋、GPRS等方式，但是這些傳統(tǒng)的傳輸方式由于其技術(shù)條件的先天不足、實(shí)現(xiàn)成本過高，只能通過人工驅(qū)車前往巡檢，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，往往每周只能保證1～2次巡檢。

2 北斗數(shù)傳技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

采用“北斗數(shù)傳”通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸可以為中國和東南亞地區(qū)提供具有全天候、不受天氣和環(huán)境影響、不依賴任何基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的服務(wù)，直接通過北斗衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)傳輸功能。北斗短報(bào)文通信一次最多可傳輸120個(gè)漢字，民用發(fā)送頻次為1 min/次。北斗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)工作穩(wěn)定可靠、通信信道保密性強(qiáng)。

通過北斗數(shù)傳終端發(fā)射終端與接收終端的衛(wèi)星通訊模式，建立北斗衛(wèi)星傳輸鏈路。單個(gè)油井井口數(shù)據(jù)主要有壓力、流量、溫度、電壓、電流、變頻器參數(shù)等數(shù)據(jù)量。精度要求小數(shù)點(diǎn)后兩位，每個(gè)數(shù)據(jù)量用十進(jìn)制表示共需6位數(shù)，用二進(jìn)制表示只需12 B即可。若取6個(gè)參數(shù)，共需72 B，每次傳輸數(shù)據(jù)量不會(huì)超過100 B，由此可知，北斗數(shù)傳每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可滿足傳輸要求，而且有足夠的富余。

3 北斗數(shù)據(jù)采集傳輸一體化終端功能與建設(shè)

針對(duì)目前新疆油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)地理位置偏遠(yuǎn)、站點(diǎn)部署跨度較大、數(shù)據(jù)傳輸速率不高、站點(diǎn)稀疏的狀況以及油田的生產(chǎn)需求，利用“北斗數(shù)傳”通信+RTU數(shù)據(jù)采集技術(shù)構(gòu)建北斗通信數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，研制基于北斗數(shù)據(jù)采集傳輸一體化集成終端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無地域限制的采集與傳輸。同時(shí)，開發(fā)基于北斗通信的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)油井、注水井、氣井、計(jì)量站等生產(chǎn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，大幅降低生產(chǎn)管理成本，完全可以滿足邊遠(yuǎn)井水源井液位、流量（累積流量和瞬時(shí)流量）、壓力、電流等數(shù)據(jù)的傳輸。

3.1 建立單井?dāng)?shù)據(jù)前端采集

通過前端采集終端采集到的壓力、流量、溫度、電壓、電流、變頻器參數(shù)等數(shù)據(jù)，匯聚至北斗數(shù)傳終端發(fā)射終端內(nèi)RTU上暫存。經(jīng)發(fā)射端數(shù)據(jù)調(diào)制，發(fā)送至通訊衛(wèi)星。北斗數(shù)據(jù)采集傳輸一體化終端前端連接如圖1所示。

北斗數(shù)據(jù)采集傳輸一體化終端采用高集成設(shè)計(jì)，該終端既可采用市電供電，也可采用太陽能電池及蓄電池供電。油氣井?dāng)?shù)據(jù)以設(shè)定的時(shí)間間隔自動(dòng)上報(bào)，數(shù)據(jù)丟失后，具有補(bǔ)發(fā)機(jī)制，能夠兼容多種采集終端。同時(shí)，該終端可靈活設(shè)置軟件接口協(xié)議，適合在無人值守站使用。北斗一體化終端發(fā)射端效果圖如圖2所示。終端主要技術(shù)指標(biāo)為：

（1）符合新疆油田公司《油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)定》運(yùn)行規(guī)范要求；

（2）一體化北斗通訊終端支持通訊容量120 B/min；

（3）系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)RS 485標(biāo)準(zhǔn)儀表信號(hào)的采集；

（4）通信成功率高：通信成功率≥98% ；

（5）功耗低：平均功耗為2.5 W；

（6）溫度：-40 ℃～+70 ℃ ；抗風(fēng)能力：≤60 m/s；

（7）兼容性：可根據(jù)采集終端的不同進(jìn)行二次開發(fā)，終端可接入7路模擬量輸入、3路開關(guān)量輸入。

3.2 北斗數(shù)據(jù)采集傳輸一體化終端組網(wǎng)方式

北斗數(shù)傳系統(tǒng)需要由一體化集成終端進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)制，發(fā)送至通訊衛(wèi)星，通訊衛(wèi)星將采集到的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星發(fā)送到地面站，地面站將該數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)接收終端站，終端站通過地面鏈路接入PC機(jī)，由PC機(jī)合并分幀并解壓縮，還原采集數(shù)據(jù)組態(tài)，監(jiān)控油田生產(chǎn)狀態(tài)。根據(jù)對(duì)油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)管理要求，開發(fā)基于北斗通信數(shù)據(jù)的管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控及管理。這種傳輸系統(tǒng)的搭建對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的依賴小，部署靈活。北斗數(shù)據(jù)采集傳輸一體化終端組網(wǎng)拓?fù)鋱D如圖3所示。

3.3 北斗數(shù)據(jù)采集傳輸一體化終端管理平臺(tái)

北斗數(shù)據(jù)采集傳輸一體化終端接收機(jī)通過地面鏈路接入到油田作業(yè)區(qū)監(jiān)控室主機(jī)。管理平臺(tái)采用微軟VS2013，使用C#語言。平臺(tái)采用B/S結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，結(jié)合Web服務(wù)器構(gòu)成數(shù)據(jù)平臺(tái)。用戶可通過Web查看現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)及北斗運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)，還可根據(jù)用戶自定義條件查詢歷史參數(shù)、趨勢(shì)及報(bào)警數(shù)據(jù)。風(fēng)城采集傳輸系統(tǒng)管理界面如圖4所示。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

目前油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常用的無線通信方式有電臺(tái)、無線網(wǎng)橋、GPRS、4G覆蓋等。4G覆蓋方式適用于單井比較集中的場(chǎng)合，不適用于偏遠(yuǎn)井區(qū)；GPRS方式存在數(shù)據(jù)安全性問題，很少用于油氣生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳輸；而無線網(wǎng)橋傳輸帶寬較高，一般在有視頻通信需求的情況下使用，前端建設(shè)費(fèi)用約2.5萬元。endprint

對(duì)風(fēng)城油田與吐哈油田共13口井進(jìn)行試驗(yàn)，若按照光纜鋪設(shè)，覆蓋13口井共需80～90 km，160萬～180萬元；而利用北斗終端部署，提供油田所需數(shù)據(jù)傳輸功能僅需30萬元，約節(jié)約資金140萬元。

新疆油田約有3萬口井，按偏遠(yuǎn)井10%～15%的比例計(jì)算，每套北斗終端預(yù)計(jì)售價(jià)2萬元，共可產(chǎn)生經(jīng)營收入6000萬～9000萬元。同時(shí)，對(duì)于國內(nèi)各大油田，如吐哈油田，塔里木油田等，均有偏遠(yuǎn)井遠(yuǎn)端數(shù)傳的業(yè)務(wù)需求。對(duì)這些油田按偏遠(yuǎn)井10%的比例計(jì)算，也將產(chǎn)生3 000萬～6 000萬元的經(jīng)濟(jì)效益。因此，該產(chǎn)品的市場(chǎng)規(guī)模和應(yīng)用前景十分可觀。

5 推廣應(yīng)用情況

北斗數(shù)據(jù)采集傳輸一體化終端于2015～2017年分別在新疆克拉瑪依氣田、風(fēng)城水源井區(qū)、吐哈油田紅臺(tái)井區(qū)等多個(gè)油區(qū)投入使用，這是新疆油田首次使用北斗衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)井口儀表數(shù)據(jù)的傳輸。把傳統(tǒng)的“定崗值守、按時(shí)巡檢”轉(zhuǎn)變?yōu)椤凹斜O(jiān)測(cè)、無人值守、故障巡檢”的管理模式，不僅優(yōu)化了巡檢方式，節(jié)約了生產(chǎn)成本，也能保障油田生產(chǎn)安全平穩(wěn)運(yùn)行。

在水利方面，2017年，地處偏僻、無地面信息通訊鏈路的水文檢測(cè)站建設(shè)了一套北斗一體化終端，采用太陽能電池板與蓄電池供電方式，水文站數(shù)據(jù)傳回克拉瑪依市進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及分析。通過北斗技術(shù)可以構(gòu)建覆蓋全球地域的實(shí)時(shí)氣象水文數(shù)據(jù)傳輸，建立氣象水文數(shù)據(jù)衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)，并開發(fā)氣象水文數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用系統(tǒng)，形成從數(shù)據(jù)的終端采集到衛(wèi)星傳輸、存儲(chǔ)、分發(fā)，直到數(shù)據(jù)的處理、綜合應(yīng)用等一整套的氣象水文數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)模式。

6 結(jié) 語

隨著“一帶一路”建設(shè)的不斷推進(jìn)，越來越多沿線國家的產(chǎn)業(yè)需要用到“位置服務(wù)”。與此同時(shí)，各方力量正推動(dòng)著中國與“一帶一路”沿線國家在北斗系統(tǒng)科技創(chuàng)新、成果轉(zhuǎn)化和產(chǎn)業(yè)化方面的合作。未來，北斗系統(tǒng)將會(huì)迎來更大的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]張棟，陳圣波，李健.基于北斗衛(wèi)星的油田管網(wǎng)巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2015（6）：694-699.

[2]王錦，曹謝東，茹黎南，等.北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在國家能源建設(shè)戰(zhàn)略重點(diǎn)——石油、天然氣田開發(fā)中的應(yīng)用探討[J].中國航天 ，2010（3）：15-18.

[3]余江南，李洪林，房胤.基于RTU技術(shù)的計(jì)量站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動(dòng)化儀表，2008，29（5）：71-72.

[4]夏文鶴，茹黎南.基于北斗衛(wèi)星的油氣田SCADA系統(tǒng)[J].油氣田地面工程，2012，31（12）：55-56.

[5]孫波.北斗衛(wèi)星通信技術(shù)在水文測(cè)報(bào)數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用研究[J].工程技術(shù)（全文版），2016（7）：209.

[6]何曄.基于衛(wèi)星通訊的油氣測(cè)控系統(tǒng)的研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2013.

[7]肖桂珍，杜曉琳，董磊.油田單井自動(dòng)化遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，16（2）：39-43.

[8]孟徐.北斗衛(wèi)星通信在自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)傳輸中的應(yīng)用[J].無線互聯(lián)科技，2014（9）：46.endprint