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

引 言

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是我國(guó)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(guó)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，新疆油田油井數(shù)據(jù)采集傳輸多采用無(wú)線電臺(tái)、無(wú)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(wèn)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(guò)高，造成在特定的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)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(mǎn)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(lái)了諸多困難。目前，新疆油田無(wú)線傳輸多采用無(wú)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(guò)高，只能通過(guò)人工驅(qū)車(chē)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(guó)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(lài)任何基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的服務(wù)，直接通過(guò)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(guò)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 12B即可。若取 6個(gè)參數(shù)，共需 72B，每次傳輸數(shù)據(jù)量不會(huì)超過(guò) 100 B，由此可知，北斗數(shù)傳每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可滿(mǎn)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(wú)地域限制的采集與傳輸。同時(shí)，開(kāi)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(mǎn)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(guò)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(yáng)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(wú)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(kāi)發(fā)，終 端可接入7 路模擬量輸入、3 路開(kāi)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(guò)衛(wèi)星發(fā)送到地面站，地面站將該數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)接收終端站，終端站通過(guò)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(kāi)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(lài)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(guò)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(yǔ)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(kù)服務(wù)器，結(jié)合Web 服務(wù)器構(gòu)成數(shù)據(jù)平臺(tái)。用戶(hù)可通過(guò)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(hù)自定義條件查詢(xún)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。

圖 4 風(fēng)城采集傳輸系統(tǒng)管理界面

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

目前油田生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)常用的無(wú)線通信方式有電臺(tái)、無(wú)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(wèn)題， 很少用于油氣生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)傳輸；而無(wú)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(wàn)元。

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 80～90km，160萬(wàn)～180萬(wàn)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(wàn)元，約節(jié)約資金 140 萬(wàn)元。

新疆油田約有 3萬(wàn)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(wàn)元，共可產(chǎn)生經(jīng)營(yíng)收入6000萬(wàn)～9 000 萬(wàn)元。同時(shí)，對(duì)于國(guó)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(wàn)～6 000 萬(wàn)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)?集中監(jiān)測(cè)、無(wú)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(wú)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(yáng)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(guò)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(kāi)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(yǔ)

隨著“一帶一路”建設(shè)的不斷推進(jìn)，越來(lái)越多沿線國(guó)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(guó)與“一帶一路”沿線國(guó)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(lái)，北斗系統(tǒng)將會(huì)迎來(lái)更大的發(fā)展。