基于GSM的鉆井工程作業(yè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

張志文

（中國石油長城鉆探工程有限公司錄井公司）

0 引言

當(dāng)前，物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成為勘探開發(fā)與油氣生產(chǎn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中非常重要的技術(shù)手段，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域大量遠(yuǎn)程終端設(shè)備借助移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)分布式監(jiān)控和管理。GSM 作為目前應(yīng)用非常成熟和完善的一種通信手段，可提供GPRS、語音、短消息等多種業(yè)務(wù)，其終端具有功耗小、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)且使用靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，以GSM 技術(shù)為代表的數(shù)據(jù)終端在油田勘探開發(fā)及油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控與遠(yuǎn)程控制等方面都發(fā)揮了非常重要的作用。

在鉆井工程作業(yè)現(xiàn)場，常規(guī)情況下鉆井作業(yè)發(fā)生參數(shù)異常時(shí)，依靠錄井儀器工程師及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并出具異常預(yù)報(bào)單，然后逐級通知司鉆、技術(shù)員以及現(xiàn)場監(jiān)督，因此能否在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常是避免鉆井事故發(fā)生的關(guān)鍵。此外，由于鉆井作業(yè)項(xiàng)目涉及甲方、鉆井、鉆井液、鉆技服等多家單位，即使錄井儀器工程師能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常，也不能第一時(shí)間將異常情況全部通知到各生產(chǎn)相關(guān)方，現(xiàn)場異常預(yù)報(bào)的時(shí)效性無法得到有效保證?；诖耍?jīng)過需求分析與方案論證，以提高鉆井、錄井等生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場參數(shù)異常預(yù)警的時(shí)效性為出發(fā)點(diǎn)，采用基于GSM 技術(shù)的SIM 800系列通信芯片設(shè)計(jì)開發(fā)出鉆井工程作業(yè)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，為提升異常預(yù)報(bào)的實(shí)效性起到了積極作用。

SIM 800系列通信芯片作為一款高性能工業(yè)級四頻段GSM/GPRS 通信模塊，在語音、短信、GPRS 數(shù)據(jù)服務(wù)等智能集成和遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)工程作業(yè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警裝置（硬件）的同時(shí)，開發(fā)了與綜合錄井DCR 傳輸軟件配套使用的自動(dòng)報(bào)警管理終端（軟件），用于在鉆井作業(yè)參數(shù)發(fā)生異常的情況下自動(dòng)將異常情況推送給甲方監(jiān)督、鉆井方、錄井方等各類生產(chǎn)管理人員。

該工程作業(yè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)可通過配合現(xiàn)有錄井參數(shù)采集與監(jiān)控軟件，應(yīng)用GSM 通信技術(shù)，在鉆井參數(shù)發(fā)生異常時(shí)自動(dòng)觸發(fā)異常報(bào)警處置流程，第一時(shí)間給提前預(yù)設(shè)的鉆井方負(fù)責(zé)人員、現(xiàn)場監(jiān)督以及基地管理人員等發(fā)送參數(shù)異常報(bào)警短報(bào)文和撥打異常報(bào)警語音電話（TTS語音播報(bào)）。此外，對于現(xiàn)場錄井監(jiān)控人員，即使在外巡檢時(shí)也可通過隨身攜帶的便攜式移動(dòng)終端，及時(shí)了解參數(shù)異常，從而快速處置，避免鉆井事故的發(fā)生。

該報(bào)警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)緊湊，可通過USB 接口或串口隨時(shí)與錄井采集機(jī)建立連接，即插即用，同時(shí)可根據(jù)需要添加多個(gè)報(bào)警推送用戶，既解決了鉆井生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場參數(shù)異常發(fā)現(xiàn)與異常預(yù)報(bào)及時(shí)性的問題，又提升了勘探開發(fā)生產(chǎn)管理的信息化水平。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

鉆井工程作業(yè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)硬件主要為自動(dòng)報(bào)警數(shù)據(jù)采集器（RTU），該采集器使用性能穩(wěn)定的SIM 800系列通信模塊，采用SMT 封裝，基于STE 的單芯方案，采用ARM 926EJ-S 架構(gòu)，支持GPRS multi-slot class 10/class 8（可選）和GPRS 編碼格式CS-1、CS-2、CS-3和CS-4，可以實(shí)現(xiàn)低功耗的語音、DTMF、短報(bào)文、TTS、GPRS數(shù)據(jù)傳輸以及藍(lán)牙等功能。

RTU 的核心功能模塊是具備68個(gè)貼片焊盤引腳的移動(dòng)應(yīng)用物理方案，提供了模塊所有的物理硬件接口，SIM 800 系列芯片采用省電技術(shù)設(shè)計(jì)，在SLEEP模式下最低耗流只有1.0 mA，該芯片內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，擴(kuò)展的TCP/IP AT 命令方便用戶使用和數(shù)據(jù)傳輸。RTU 模塊的硬件結(jié)構(gòu)[1]主要包括數(shù)據(jù)通信電路、電源及保護(hù)電路、存儲器、GSM 基帶、GSM 射頻、SIM卡電路、天線接口等（圖1）。

圖1 RTU硬件結(jié)構(gòu)框圖

RTU 模塊的硬件資源[2]可滿足用戶的靈活應(yīng)用，主串口和調(diào)試串口可以幫助用戶進(jìn)行調(diào)試與二次開發(fā)，一路音頻接口，包括一個(gè)麥克風(fēng)輸入和一個(gè)受話器輸出及可編程的通用輸入輸出接口（GPIO）。以上硬件資源配置使采集器功能具有豐富的可選擇性，滿足未來功能擴(kuò)展的需要。

RTU 在進(jìn)行器件PCB 布局設(shè)計(jì)前就充分考慮了模塊的硬件可靠性，根據(jù)引腳定義的分布合理布局相關(guān)器件及接口，以最優(yōu)化PCB 布局原則對板子的天線、音頻、SIM 卡等硬件布局進(jìn)行了優(yōu)化。采集器的系統(tǒng)電源組件采用DC-DC 電源模塊供電，電源穩(wěn)定，支持USB 直接供電，同時(shí)帶電源引腳，可以控制模塊電源，還添加了ESD 靜電保護(hù)電路，在系統(tǒng)安全和抗干擾等方面做了充分的考慮[3]，有利于最大程度提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

RTU 使用串口通信的方式和外部連接，外部通過串口發(fā)送AT 指令使采集器核心通信模塊SIM 800執(zhí)行命令，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信檢測、收發(fā)報(bào)警短報(bào)文、GPRS、撥打報(bào)警語音電話、語音通話等功能。

2 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

鉆井工程作業(yè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的主要功能首先是配合RTU 實(shí)現(xiàn)對硬件設(shè)備的管理，包括設(shè)備連接與測試、通信狀態(tài)監(jiān)測等功能；其次是實(shí)現(xiàn)對異常報(bào)警的管理，包括報(bào)警用戶設(shè)置、關(guān)聯(lián)井位設(shè)置、手自動(dòng)報(bào)警模式設(shè)置以及報(bào)警方式和異常信息推送等功能；最后是實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)報(bào)警的綜合管理，包括存儲器管理、歷史報(bào)警信息管理與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)警日志以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)管理等功能（圖2）。

圖2 鉆井工程作業(yè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)主界面

系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)和RTU 模塊通過串口發(fā)送AT指令進(jìn)行通信，在此之前，需要設(shè)置正確的端口號和合適的波特率，然后連接設(shè)備，也可以使用USB-TTL 模塊[4]配合。設(shè)備連接正常后，通過系統(tǒng)自檢功能完成檢測SIM 卡的網(wǎng)絡(luò)注冊、短信中心號碼的查詢和設(shè)置，以及信號強(qiáng)度的查詢。該遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)部署在鉆井工程作業(yè)現(xiàn)場，系統(tǒng)配置GSM高增益吸盤天線，可以使天線延伸到室外，從而保證SIM 卡信號良好。在現(xiàn)場錄井mlgplot 監(jiān)控的同時(shí)，一旦工程采集參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)自動(dòng)報(bào)警預(yù)警終端就會按照預(yù)先設(shè)定啟動(dòng)預(yù)警流程。

該系統(tǒng)主要通過WITS 協(xié)議和DCR 傳輸軟件進(jìn)行通信[5]，也可根據(jù)需要配置第三方工程參數(shù)監(jiān)測軟件。軟件終端獲取異常報(bào)警數(shù)據(jù)后會按照預(yù)先設(shè)定的流程執(zhí)行預(yù)警預(yù)報(bào)指令，比如自動(dòng)觸發(fā)并發(fā)送AT指令控制SIM 800 系列通信模塊撥打語音報(bào)警電話和發(fā)送報(bào)警短報(bào)文。系統(tǒng)可將GSM 通信過程中的一些重要信息按照用戶需要進(jìn)行管理與分析，報(bào)警過程中會將實(shí)時(shí)預(yù)警狀態(tài)信息集中顯示出來，語音和短報(bào)文報(bào)警完成后，自動(dòng)將報(bào)警相關(guān)數(shù)據(jù)及時(shí)存儲到后臺log_message數(shù)據(jù)庫中，以備查詢（圖3）。

圖3 鉆井工程作業(yè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程

2.1 系統(tǒng)預(yù)警目標(biāo)用戶設(shè)置

為了滿足用戶靈活多樣的使用需求，該系統(tǒng)在目標(biāo)預(yù)警用戶管理上提供了多種管理策略。在用戶分類上除傳統(tǒng)錄井監(jiān)控需要外，增加了鉆井方用戶、甲方用戶以及工程相關(guān)方用戶。在預(yù)警權(quán)限方面，設(shè)置優(yōu)先預(yù)警權(quán)限，在首次出現(xiàn)預(yù)警失敗的情況下，可以對二次預(yù)警方式進(jìn)行選擇，同時(shí)對終止預(yù)警處置方式給出了選擇條件。此外，系統(tǒng)提供了多種預(yù)警方式，可以單項(xiàng)預(yù)警，也可以組合預(yù)警，并且能夠自由設(shè)置不同類型的預(yù)警用戶，從而為系統(tǒng)提供了更加豐富的功能，以滿足不同用戶個(gè)性化的需要。

2.2 報(bào)警信息匯總統(tǒng)計(jì)與分析

工程作業(yè)異常預(yù)警信息的歷史跟蹤對改善工程作業(yè)質(zhì)量和提高異常預(yù)報(bào)效率有著非常重要的作用，系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)異常預(yù)警的基礎(chǔ)上，可對歷史預(yù)警信息進(jìn)行自動(dòng)匯總，并按照用戶需要進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。通過后臺歷史報(bào)警監(jiān)控可查詢?nèi)我鈺r(shí)段報(bào)警的次數(shù)，在該時(shí)段可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)各類報(bào)警的頻次，同時(shí)系統(tǒng)可提供數(shù)據(jù)表和圖形兩種類型的展示方式，使統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果更加直觀，便于查詢分析。

2.3 設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)控與分析

設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)控是完成對該遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)運(yùn)行狀況的自動(dòng)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備預(yù)警成功、失敗以及失敗原因等各種狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)記錄和歷史回溯。系統(tǒng)可記錄某時(shí)間段內(nèi)異常預(yù)警的狀態(tài)信息，包括時(shí)間、預(yù)警目標(biāo)、短報(bào)文是否發(fā)送成功、語音預(yù)警是否撥打成功，撥打失敗并記錄失敗原因等。

系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)備預(yù)警記錄自動(dòng)統(tǒng)計(jì)某個(gè)時(shí)間段內(nèi)預(yù)警成功事件以及各類預(yù)警失敗事件的頻次，比如某個(gè)月預(yù)警過程中用戶關(guān)機(jī)次數(shù)、占線次數(shù)、拒絕接聽次數(shù)以及設(shè)備連接失敗次數(shù)等。此外，針對每個(gè)具體的事件可以分析各類型用戶數(shù)量，比如某月系統(tǒng)正常報(bào)警100 次，系統(tǒng)可自動(dòng)分析100 次報(bào)警中錄井用戶、鉆井用戶、甲方用戶以及其他相關(guān)方用戶報(bào)警數(shù)量的構(gòu)成比例，方便管理人員實(shí)現(xiàn)對歷史報(bào)警的追溯。設(shè)備運(yùn)行狀況的自動(dòng)監(jiān)控與分析對保障工程作業(yè)安全監(jiān)督與檢查能夠起到非常關(guān)鍵的作用。

3 軟件開發(fā)與業(yè)務(wù)流程

由于該工程作業(yè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)運(yùn)行于Windows 平臺之上，采用客戶端形式進(jìn)行安裝部署，系統(tǒng)軟件采用.NET framework 框架，編程語言選用簡單、現(xiàn)代、面向?qū)ο蟮腃#語言，利于方便快速開發(fā)，且易于維護(hù)。

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

鉆井工程作業(yè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵是控制SIM 800系列模塊通信過程中要合理利用延時(shí)來準(zhǔn)確地監(jiān)控預(yù)警短報(bào)文發(fā)送和預(yù)警語音電話撥打過程中成功和失敗的各種狀態(tài)。同時(shí)由于在撥打語音電話過程中系統(tǒng)會嚴(yán)重占用CPU資源，可能導(dǎo)致軟件界面出現(xiàn)假死現(xiàn)象，所以編程過程中引入了多線程來解決該問題[5]（圖4）。

圖4 系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程

3.2 預(yù)警業(yè)務(wù)流程

遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)在預(yù)警信息獲取、預(yù)警信息加載與傳輸?shù)幕A(chǔ)上，最重要的是實(shí)現(xiàn)預(yù)警短報(bào)文和預(yù)警語音電話的自動(dòng)觸發(fā)和有序推送。系統(tǒng)借助AT指令，通過軟件業(yè)務(wù)流程的合理分配，順利實(shí)現(xiàn)了預(yù)警短報(bào)文和預(yù)警語音電話的觸發(fā)、推送和資源釋放。

3.2.1 預(yù)警短報(bào)文發(fā)送

AT 指令是應(yīng)用于終端設(shè)備與PC 應(yīng)用之間的連接與通信指令[6]，它提供了一種移動(dòng)平臺與數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的通用接口。通過發(fā)送AT指令控制數(shù)據(jù)終端與GSM 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互，用戶通過AT 指令進(jìn)行呼叫、短信、電話本、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、傳真等方面的控制。

AT 指令收發(fā)短報(bào)文主要有兩種模式[7]：Text 模式和PDU（Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元）模式。使用Text 模式收發(fā)短報(bào)文代碼簡單，很容易實(shí)現(xiàn)，最大缺點(diǎn)是不支持中文短報(bào)文。PDU 模式不僅能發(fā)送中文短報(bào)文，也能發(fā)送英文短報(bào)文，PDU 模式收發(fā)短報(bào)文有3種編碼可用：7-bit、8-bit和UCS 2編碼。7-bit編碼用于發(fā)送普通的ASCII 字符，即英文短報(bào)文，最多可發(fā)送160字符；8-bit編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息；

UCS 2編碼用于發(fā)送Unicode字符，可發(fā)送中文字符，最多發(fā)送70個(gè)字符。對照規(guī)范，SMSC為短消息業(yè)務(wù)中心地址，PID 為協(xié)議識別，DCS 為數(shù)據(jù)編碼，UDL為用戶數(shù)據(jù)長度，UD 為用戶數(shù)據(jù)，VP 為有效時(shí)間，MR指令是發(fā)出信息。

3.2.2 預(yù)警語音電話撥打

撥打預(yù)警語音電話需要使用的AT 指令為ATD，撥打方式比較簡單，但是重點(diǎn)需要AT+CLCC 指令來查詢呼叫列表，從而不停地接收預(yù)警電話撥打過程中的通話狀態(tài)，包括：電話撥打成功、對方未接聽電話、對方網(wǎng)絡(luò)異常、關(guān)機(jī)、對方占線、系統(tǒng)錯(cuò)誤等情況。同時(shí)，在預(yù)警電話接通后，SIM 800系列模塊通過其自帶的TTS 語音播報(bào)功能，可以將異常信息以語音的形式播放，從而提高了系統(tǒng)的人機(jī)交互性。

4 測試情況

為了檢驗(yàn)鉆井工程作業(yè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求，在完成系統(tǒng)軟硬件的開發(fā)后，項(xiàng)目首先在實(shí)驗(yàn)條件下搭建了系統(tǒng)的軟硬件測試環(huán)境，分別對系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分進(jìn)行了模擬測試，并且完成了系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)調(diào)聯(lián)試。

硬件性能測試：在主板休眠、空閑、通話、待機(jī)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔煌瑺顟B(tài)下進(jìn)行了多頻段信號自動(dòng)搜索驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在回音消除和噪聲抑制以及抗干擾方面進(jìn)行了測試。在模擬復(fù)雜環(huán)境條件下，給裝置輸入多種不同類型的指令信號，輸出信號都能保證電平的有效性，進(jìn)而可確保硬件系統(tǒng)在不同生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境下運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

軟件功能及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試：從DCR 接收到異常預(yù)警信息后，軟件系統(tǒng)會按照提前制定好的預(yù)警規(guī)則觸發(fā)報(bào)警。在執(zhí)行報(bào)警流程過程中，通過串口工具截取數(shù)據(jù)流發(fā)現(xiàn)，在語音報(bào)警電話撥打前，系統(tǒng)會通過“AT+COLP”指令進(jìn)行線路連接確認(rèn)。短報(bào)文的系統(tǒng)測試與此類似，都可通過系統(tǒng)返回指令等信息反映軟硬件設(shè)計(jì)的可行性，最后通過被叫用戶預(yù)警信息的接收情況來驗(yàn)證系統(tǒng)軟件以及整個(gè)系統(tǒng)報(bào)警的準(zhǔn)確性和響應(yīng)的及時(shí)性。

5 結(jié)束語

鉆井工程作業(yè)遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)為傳統(tǒng)錄井異常預(yù)報(bào)提供了一種輔助手段，為鉆井工程作業(yè)的信息化管理水平提升提供了一個(gè)可以借鑒的思路。系統(tǒng)可以最大程度地幫助作業(yè)現(xiàn)場鉆井、錄井、鉆井液等不同業(yè)務(wù)單位的用戶提高對鉆井異常狀況的感知速度，同時(shí)也在一定程度上有助于減輕現(xiàn)場監(jiān)控與后臺跟蹤管理人員的工作強(qiáng)度，從而為保障鉆井安全和提升鉆井作業(yè)效率提供幫助。