基于北斗短報文的油氣井場數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)及應(yīng)用

文 | 鄧少飛 徐玉玲

中國石化北斗運營服務(wù)中心

一、引言

在我國新疆的塔克拉瑪干沙漠腹地有著豐富的油氣儲量，隨著國家加大對西部油氣田開發(fā)的力度，在油氣開采過程中第一時間掌握井場數(shù)據(jù)資料對后續(xù)的工作開展起著至關(guān)重要的作用。目前，油氣田井場數(shù)據(jù)傳輸主要依靠光纖、寬帶和4G網(wǎng)絡(luò)，成本高，布線時間長，覆蓋范圍有限。在沙漠、戈壁等沒有公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋的區(qū)域，如何安全、高效地進行油氣井場數(shù)據(jù)的傳輸成為油氣田數(shù)字化建設(shè)的重要研究課題。

2020年7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的區(qū)域短報文通信（RSMC）服務(wù)能力有了很大的提高。在公共網(wǎng)絡(luò)還未鋪設(shè)進井場之前，利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的區(qū)域短報文通信服務(wù)進行井場數(shù)據(jù)傳輸是最安全、最高效的方式。在西北油田開展了基于北斗短報文的油氣井場數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的探索與應(yīng)用，為油田增儲上產(chǎn)提供強有力的技術(shù)支撐，對保障國家能源安全和時空信息安全具有重要意義。

二、區(qū)域短報文服務(wù)（RSMC）功能特點

北斗系統(tǒng)具備導(dǎo)航定位和通信數(shù)傳兩大功能，提供七種服務(wù)。具體包括：面向全球范圍，提供定位導(dǎo)航授時（RNSS）、全球短報文通信（GSMC）和國際搜救（SAR）三種服務(wù)；在中國及周邊地區(qū)，提供星基增強（SBAS）、地基增強（GAS）、精密單點定位（PPP）和區(qū)域短報文通信（RSMC）四種服務(wù)。

其中區(qū)域短報文服務(wù)（RSMC）通過上行L頻段和下行S頻段實現(xiàn)北斗終端和北斗衛(wèi)星之間的信息傳輸。單次報文最大長度可達14000bit（約相當(dāng)于1000個漢字）。另外，傳輸頻次也有了很大的提高，最高可達1次/秒。

三、基于北斗短報文的油氣井場數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的構(gòu)建

基于北斗短報文的井場數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由三部分組成：終端供電系統(tǒng)、北斗數(shù)傳終端、北斗數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（圖1）。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

1.終端供電系統(tǒng)

終端供電系統(tǒng)為北斗數(shù)傳終端提供雙電源供電，主電源由井場電源供電，備用電源由太陽能供電。太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池方陣、充放電控制器、蓄電池組構(gòu)成。普通型北斗數(shù)傳終端的電源由太陽能供電系統(tǒng)提供，太陽能電池方陣白天把太陽能轉(zhuǎn)換為電能，通過充放電控制器給負載供電的同時也給蓄電池組充電，在無光照時由蓄電池給負載供電。

2.植入召喚命令的北斗數(shù)傳終端

北斗普通型數(shù)傳終端，具備北斗三號RDSS位置報告、短報文通信，以及RNSS的北斗B1、GPS_L1單模或雙?；旌隙ㄎ还δ?。終端內(nèi)部設(shè)計集成度高、功耗低，選用低仰角性能較好的多頻一體天線，可滿足用戶在各種極端條件下對北斗通信和位置報告的需求。

由于目前北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)暫時未開放雙向通信機制，所以目前北斗三號終端只具備從地面往北斗衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)的能力，無法接收衛(wèi)星信號，下行鏈路無法將上位機（SCADA系統(tǒng)）中的數(shù)據(jù)召喚命令傳輸給遠程終端控制系統(tǒng)（RTU），無法讀取RTU中的傳感器數(shù)據(jù)。因此，技術(shù)人員對油氣田正在使用的一套IEC104傳輸協(xié)議進行研究，將SCADA系統(tǒng)中數(shù)據(jù)召喚命令的程序開發(fā)并集成到北斗數(shù)傳終端內(nèi)，在本地進行數(shù)據(jù)召喚，然后通過區(qū)域短報文通信服務(wù)將井場數(shù)據(jù)回傳至油田內(nèi)網(wǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)。此終端具備可拆卸、易安裝、小型化、雙電保障等特點。

本地數(shù)據(jù)召喚過程如下：

·主站（北斗終端）啟動RTU數(shù)據(jù)召喚命令；

·從站（RTU終端）以RTU數(shù)據(jù)召喚確認幀應(yīng)答；

·從站（RTU終端）生成并向主站發(fā)送RTU數(shù)據(jù)報文；

·從站（RTU終端）向主站發(fā)送RTU數(shù)據(jù)召喚結(jié)束報文。

3.北斗數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

北斗數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)利用北斗數(shù)傳終端通過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將油氣井場數(shù)據(jù)發(fā)送至衛(wèi)星再回傳至地面運控中心，地面運控中心通過專線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞窃品?wù)器。石化智云服務(wù)器和油田內(nèi)網(wǎng)可以在中石化內(nèi)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)的安全交互，進而完成井場數(shù)據(jù)回傳至油田內(nèi)網(wǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)。北斗數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)支持短報文收發(fā)、編解碼以及北斗設(shè)備管理功能。北斗數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)接收北斗數(shù)傳終端讀取的RTU數(shù)據(jù)，完成信息存儲、丟包重傳、組包上報和終端狀態(tài)管理。

北斗數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用分層架構(gòu)進行設(shè)計，總體架構(gòu)主要包括感知層、傳輸層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層以及信息化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全防范體系。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 北斗數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)架構(gòu)圖

感知層即數(shù)據(jù)采集層，位于體系架構(gòu)的底層，通過RTU終端和北斗數(shù)傳終端為系統(tǒng)運行提供可用的數(shù)據(jù)源。

傳輸層將感知層采集到的數(shù)據(jù)進行傳輸。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸采用北斗衛(wèi)星與北斗地面專網(wǎng)相結(jié)合的傳輸方式。

服務(wù)層為上層業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)支撐，主要包括數(shù)據(jù)接收、存儲與轉(zhuǎn)發(fā)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)層接收來自北斗地面總站推送的短報文信息，然后將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議推送到西北局生產(chǎn)系統(tǒng)。

業(yè)務(wù)應(yīng)用層面向西北油田井場數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，提供基于北斗的短報文通信能力，可為其他石油石化業(yè)務(wù)賦能。系統(tǒng)實行數(shù)據(jù)丟包補報機制。由于政策原因，平臺不能把數(shù)據(jù)的回傳情況以回執(zhí)的方式實時反饋給井場終端，因此井場終端不能實時了解信息回傳的情況，為此設(shè)置了一組數(shù)據(jù)多次重復(fù)發(fā)送的機制，到達平臺后進行數(shù)據(jù)包比對，組合成完整數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)據(jù)的完整，避免傳輸過程數(shù)據(jù)丟包造成的數(shù)據(jù)不完整情況。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。系統(tǒng)在遵循國家和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，建立本項目北斗信息化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，該體系是項目各系統(tǒng)之間實現(xiàn)互聯(lián)互通、信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同的基礎(chǔ)，是項目設(shè)計、實施和維護的重要依據(jù)。

安全防護體系。系統(tǒng)嚴格遵循國家和行業(yè)相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)體系，該體系貫徹整個系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)過程。系統(tǒng)基于石化智云搭建，依托總部現(xiàn)有的安全管理基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)平臺的集中日志采集和分析、統(tǒng)一安全運維和運行狀態(tài)統(tǒng)一監(jiān)控。

四、應(yīng)用實踐

2021年6月，在中石化西北油田采油四廠某油井進行了“基于北斗的井場數(shù)據(jù)傳輸實驗”?，F(xiàn)場井場數(shù)據(jù)采集單元為RTU，技術(shù)人員通過TCP/IP物理接口連接北斗數(shù)傳終端。通過內(nèi)置的數(shù)據(jù)召喚命令，成功對RTU采集的井場數(shù)據(jù)進行了召喚。圖3為井場安裝數(shù)傳終端現(xiàn)場圖。

圖3 井場安裝數(shù)傳終端

數(shù)據(jù)的回傳過程遵循北斗短報文數(shù)據(jù)的傳輸格式，傳輸過程不做數(shù)據(jù)解析。當(dāng)數(shù)據(jù)進入企業(yè)內(nèi)網(wǎng)后，按照IEC104協(xié)議和《生產(chǎn)指揮系統(tǒng)對外數(shù)據(jù)接口技術(shù)規(guī)范》對數(shù)據(jù)進行解析。

經(jīng)過井場對數(shù)據(jù)的召喚，再通過北斗衛(wèi)星鏈路回傳到集團內(nèi)網(wǎng)，最終進入油田內(nèi)網(wǎng)。此次實驗成功將數(shù)據(jù)推送至目標(biāo)地址。通過分析對比，回傳數(shù)據(jù)全部正確。

五、結(jié)論

通過本次研究和實驗，驗證了基于北斗三號短報文的油氣井場數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。此系統(tǒng)具有以下特點：1）數(shù)據(jù)傳輸過程高效、準(zhǔn)確，丟包補報機制確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，保證了數(shù)據(jù)100%回傳；2）北斗三號短報文單次最大可發(fā)送14000bit，相當(dāng)于1000個漢字，通過計算，完全滿足目前井場的數(shù)據(jù)傳輸需求；3）數(shù)據(jù)安全有保證，數(shù)據(jù)傳輸所使用的衛(wèi)星鏈路為保密通道，且數(shù)據(jù)傳輸過程不做任何的解析工作，數(shù)據(jù)一直處于加密狀態(tài)；4）性價比高，隨著北斗三號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的正式開通，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用將更加廣泛，北斗系統(tǒng)將進入國民生產(chǎn)的方方面面，應(yīng)用的不斷擴大必將催生單品價格不斷降低。

此次油氣井場數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)鏈路的打通，不僅為油氣井在無公網(wǎng)環(huán)境的數(shù)據(jù)回傳提供了可能，也可以解決無公網(wǎng)環(huán)境下鉆井、錄井?dāng)?shù)據(jù)的及時回傳，作為一種不受環(huán)境影響的通信手段，可以復(fù)制到國民生產(chǎn)的多個方面。