基于北斗衛(wèi)星定位及通信的錄井設備定位跟蹤系統(tǒng)

孫 源 荊文明 倪朋勃 沈文建 周嵩楷

(①中法渤海地質(zhì)服務有限公司；②中石化中原油田普光分公司采氣廠)

0 引 言

隨著國家能源“七年行動計劃”的實施，中法渤海地質(zhì)服務有限公司錄井作業(yè)量持續(xù)上升。由于錄井作業(yè)地點較為分散，且錄井設備需根據(jù)作業(yè)地點的變化不斷進行調(diào)整，錄井作業(yè)管理以電話、郵件等方式為主進行溝通，不能實時查詢，溝通效率低，并且作業(yè)量激增與管理人員缺乏的矛盾突顯。如何在保障信息安全的前提下實時掌握設備信息，實現(xiàn)錄井設備動態(tài)跟蹤管理，對中法渤海地質(zhì)服務有限公司進一步實現(xiàn)“提質(zhì)增效”十分重要。

我國人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、北斗定位導航、三維仿真等技術(shù)已越來越成熟。其中，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(以下簡稱北斗系統(tǒng))是我國著眼于國家安全和經(jīng)濟社會發(fā)展需要，自主建設、獨立運行的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，可為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。從信息安全、業(yè)務需求兩方面出發(fā)，有必要結(jié)合北斗定位導航技術(shù)研發(fā)設備定位跟蹤管理系統(tǒng)。通過基于北斗全球衛(wèi)星定位及通信的錄井設備定位跟蹤系統(tǒng)的設計研究，可實現(xiàn)設備位置信息的自動采集和上報，及時掌握設備分布及設備調(diào)度軌跡。同時，將設備位置信息與設備業(yè)務信息進行關(guān)聯(lián)，可為設備的調(diào)度分配提供決策依據(jù)，為海洋石油錄井作業(yè)管理提供高效的技術(shù)支撐。

1 北斗系統(tǒng)簡介

1.1 北斗系統(tǒng)工作原理

“北斗”是我國獨立自主設計、建設的衛(wèi)星導航系統(tǒng)[1]，也是聯(lián)合國有關(guān)機構(gòu)認定的全球衛(wèi)星導航定位四大核心供應商之一。按照“先區(qū)域，后全球”的總體建設規(guī)劃，我國在2003年正式開通北斗衛(wèi)星導航試驗系統(tǒng)即北斗一代，成為繼GPS、GLONASS之后，能夠獨立提供服務的三大衛(wèi)星導航系統(tǒng)之一。

北斗一號系統(tǒng)采用三球交會測量原理進行定位，地面控制中心根據(jù)用戶設備主動發(fā)送的定位申請信號，結(jié)合大地高程數(shù)據(jù)解算出用戶所在位置的坐標。北斗二號系統(tǒng)定位將采用多顆衛(wèi)星組成衛(wèi)星陣列，用戶設備根據(jù)接收到的4顆以上衛(wèi)星的星歷數(shù)據(jù)解算出所在位置的坐標，實現(xiàn)無源定位。

1.2 北斗系統(tǒng)組成

北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)由導航通信衛(wèi)星、地面控制中心和用戶終端三部分組成[2]。導航通信衛(wèi)星主要執(zhí)行地面控制中心和用戶終端間信號傳遞的中繼服務；地面控制中心主要負責信號的發(fā)送、接收、信息處理以及整個系統(tǒng)的監(jiān)控管理；用戶終端是用戶使用的設備，用于接收地面控制中心經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的出站信號以及經(jīng)衛(wèi)星向地面控制中心轉(zhuǎn)發(fā)服務申請。

1.3 北斗系統(tǒng)功能

北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)具有快速定位、簡短數(shù)字報文通信和精密授時三大主要功能[3]。快速定位功能可確定用戶地理位置，為用戶提供定位導航服務；報文通信功能可為用戶之間提供雙向數(shù)字報文通信服務，電文最長可達120個漢字；精密授時功能可根據(jù)不同的精度需求，為用戶提供單向和雙向兩種授時功能，供用戶進行時間同步。

2 錄井設備定位跟蹤系統(tǒng)研究

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設計

系統(tǒng)整體設計分為硬件和軟件兩部分。硬件部分實現(xiàn)設備定位及位置信息的上報；軟件部分實現(xiàn)設備位置數(shù)據(jù)的接收、存儲，設備信息的管理，以及設備分布和設備軌跡分布的GIS管理。整體架構(gòu)[4]分為基礎層、數(shù)據(jù)層、服務層及應用層四部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設計

基礎層：為整個系統(tǒng)提供基礎支撐，包括網(wǎng)絡和相關(guān)硬件支撐。網(wǎng)絡主要有基礎網(wǎng)絡(局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng))、北斗衛(wèi)星網(wǎng)(用于設備定位和通信服務)、物聯(lián)網(wǎng)；北斗設備主要有北斗指揮機、北斗設備定位終端。

數(shù)據(jù)層：主要為數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)查詢訪問服務提供支撐，包括設備數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)(區(qū)域數(shù)據(jù)、設備位置數(shù)據(jù)、設備軌跡數(shù)據(jù)等)、業(yè)務數(shù)據(jù)等。

服務層：為系統(tǒng)獨立出來的各個服務模塊，包括數(shù)據(jù)服務(數(shù)據(jù)的采集、訪問、清洗、展現(xiàn)、中轉(zhuǎn)、調(diào)度、存儲和備份)、地理信息系統(tǒng)服務、通信服務以及調(diào)度服務。

應用層：主要是提供面向用戶的各種管理應用，包括系統(tǒng)管理(角色管理、菜單管理、用戶管理、數(shù)據(jù)展現(xiàn))、數(shù)據(jù)采集管理(北斗卡管理、定位終端管理、北斗定位終端管理、設備房定位終端管理、終端數(shù)據(jù)接入管理)、設備管控(設備分布管理、設備軌跡管理)。

2.2 系統(tǒng)功能設計

基于系統(tǒng)整體架構(gòu)設計，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)[5]主要包括系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)采集管理和設備管控三大功能模塊(圖2)，各功能模塊設計說明如下。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.2.1 系統(tǒng)管理功能模塊

系統(tǒng)管理功能模塊主要包括系統(tǒng)權(quán)限管理和系統(tǒng)日志管理。系統(tǒng)權(quán)限管理通過角色、菜單、用戶的管理實現(xiàn)對系統(tǒng)的安全性管理，對不同的用戶分配不同的權(quán)限，來控制用戶對系統(tǒng)的訪問權(quán)限；系統(tǒng)日志管理對用戶登錄系統(tǒng)和操作系統(tǒng)的日志進行記錄，可為用戶登錄和操作系統(tǒng)的行為進行分析，為系統(tǒng)的安全性管理提供基礎記錄數(shù)據(jù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集管理功能模塊

數(shù)據(jù)采集管理功能模塊通過北斗相關(guān)定位設備的管理、設備房的管理、定位終端數(shù)據(jù)的接入管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的綜合管理。系統(tǒng)分別通過北斗卡管理、定位終端管理和北斗定位終端管理實現(xiàn)定位設備基本信息的維護管理功能，通過設備房定位終端管理實現(xiàn)定位設備與設備房的關(guān)系綁定管理，獲取設備的位置就可以獲取到設備房的位置。終端數(shù)據(jù)接入管理提供統(tǒng)一的查詢界面，可以快速查找定位設備及設備房的位置信息及位置信息上報時間。

2.2.3 設備管控功能模塊

設備管控功能模塊通過設備的分布管理和設備軌跡管理，實現(xiàn)對設備的管控。基于開源地圖引擎，通過符號化的方式，對設備的位置進行標注。實現(xiàn)了設備的聚合顯示，當設備的分布比較密集時，會以聚合的顯示方式顯示該處有多少個設備，當點擊此處時會以列表形式顯示該處的設備名稱，點擊單個設備會顯示該設備的詳細信息。系統(tǒng)會根據(jù)設備的定位歷史記錄形成設備的活動軌跡?？梢酝ㄟ^設備名稱進行檢索快速定位到設備，也可設置時間條件，檢索不同時間段設備的活動軌跡，系統(tǒng)會以地圖引擎為基礎，在地圖上繪制出設備的活動軌跡，直觀展示設備的軌跡情況。

2.3 系統(tǒng)流程設計

根據(jù)系統(tǒng)功能的需要，系統(tǒng)流程分為設備房位置分布顯示流程和設備房軌跡分布顯示流程兩部分。

設備房位置分布顯示流程如圖3所示。通過設備房定位終端接收衛(wèi)星信號計算自身的位置信息，經(jīng)由集成的短報文通信模塊將北斗短報文經(jīng)北斗通信衛(wèi)星傳輸，由地面的北斗指揮機接收，位置服務器收到北斗指揮機上報的北斗短報文信息后對其進行解析，解析完成后得到設備房的位置信息，位置服務器對解析后的數(shù)據(jù)進行加密，同時將加密后的數(shù)據(jù)以Socket方式推送到客戶端，由客戶端對數(shù)據(jù)解密后在系統(tǒng)中顯示，另外將加密的數(shù)據(jù)寫入存儲服務器進行存儲。

圖3 設備房位置分布顯示流程

設備房軌跡分布顯示流程如圖4所示。通過客戶端輸入設備和時間段查詢條件，經(jīng)應用服務器從存儲服務器獲取指定錄井設備的位置數(shù)據(jù)，再經(jīng)應用服務器計算設備的位置數(shù)據(jù)后得到設備的軌跡數(shù)據(jù)，并將計算得出的軌跡數(shù)據(jù)返回給客戶端，客戶端對設備軌跡數(shù)據(jù)進行繪制顯示。

圖4 設備房軌跡分布顯示流程

2.4 系統(tǒng)硬件設計

2.4.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲設計

硬件系統(tǒng)由北斗設備房定位終端、北斗衛(wèi)星、北斗指揮機、數(shù)據(jù)中心及客戶端五大部分構(gòu)成，其系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲[6]如圖5所示。在設備房上安裝北斗定位終端，北斗定位終端通過接收北斗衛(wèi)星信息計算自身的位置，再通過內(nèi)置的北斗短報文模塊將位置信息經(jīng)由衛(wèi)星發(fā)射到陸地北斗指揮機接收。北斗指揮機接收北斗定位終端傳回的位置信息，進行位置信息計算處理，并將計算獲取的位置數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，同時通知前端顯示系統(tǒng)及時更新設備的顯示位置。

圖5 系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖

2.4.2 設備房定位終端

設備房定位終端是基于北斗衛(wèi)星通信/定位系統(tǒng)，針對設備房運輸、轉(zhuǎn)運過程中位置監(jiān)控的需求進行設計的。通過在設備上安裝設備房定位終端，將設備定位終端與設備房綁定，實時掌握設備房的分布及運動軌跡。

考慮防爆要求的場景，設備房定位終端采用天線(圖6)與主機(圖7)分體設計的方式。天線采用無源天線，無需供電，采用磁吸或者法蘭盤的方式裝在設備房外部。主機采用型材的外殼結(jié)構(gòu)，電路板、電池等安裝在型材內(nèi)部，型材前后面板預留接口，連接天線和電源等。

圖6 天線外觀設計

圖7 主機外觀設計

2.4.3 北斗指揮機

北斗指揮機(北斗指揮型用戶機)是為了便于集團組網(wǎng)、調(diào)度指揮而設計的特種用戶機，最多可以管理2000個下屬用戶。其除了具有普通型用戶機的所有功能外，還可以同時監(jiān)控接收其下轄用戶機的定位和通信信息，并可向所轄用戶機發(fā)送通播指揮信息。

系統(tǒng)采用北斗指揮型用戶機統(tǒng)一接收設備房定位終端上報的位置信息，經(jīng)系統(tǒng)按指定的協(xié)議對上報信息進行解析存儲在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。北斗指揮型用戶機的組成如圖8所示。

圖8 北斗指揮型用戶機組成

3 應用效果

基于北斗全球衛(wèi)星定位及通信的錄井設備定位跟蹤系統(tǒng)已在天津塘沽、上海、廣東深圳、廣東湛江四個地區(qū)共計40套設備房進行了安裝和成功應用，實現(xiàn)了設備房位置數(shù)據(jù)定時采集，并傳輸?shù)胶蠓交胤掌?，使作業(yè)管理者能夠?qū)崟r跟蹤設備房的位置，進行設備房的分布管理和軌跡跟蹤。該設備跟蹤定位系統(tǒng)運行后，可以實時跟蹤設備房的位置，及時掌握設備房的分布情況，設備定位分布應用效果如圖9所示。

經(jīng)過4個多月的運行跟蹤，40套設備共采集設備房位置記錄91051條， 對設備的歷史定位記錄進行空間數(shù)據(jù)處理，形成了設備歷史軌跡記錄(圖10)，藉此可對設備的歷史運行情況進行跟蹤和分析，實現(xiàn)了設備的全生命周期跟蹤管理。

圖9 設備房定位分布效果

圖10 設備歷史軌跡記錄

4 結(jié)束語

基于北斗定位導航技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過系統(tǒng)的研究與設計，實現(xiàn)了設備房位置數(shù)據(jù)的自動采集、傳輸、存儲及顯示，為設備的數(shù)字化管理和規(guī)范化管理打下了堅實的基礎。

系統(tǒng)基于采集的設備位置數(shù)據(jù)，實現(xiàn)設備分布和軌跡分布的自動化管理，為設備的全生命周期管理提供技術(shù)支撐手段和管理平臺，為設備的整體調(diào)度分配提供決策依據(jù)。