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)采集傳輸技術在新疆油田偏遠井生產數(shù)據(jù)采集方面應用的必要性。基于北斗衛(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界面。將新疆油田現(xiàn)場應用實施難度、經濟效益等方面與其他無線傳輸方式應用進行對比，介紹其部署在現(xiàn)場的應用情況以及北斗技術在其他行業(yè)的延伸前景。

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

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）02-00-02

0 引 言

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是我國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導航數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。我國為北斗衛(wèi)星導航數(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)星導航服務，服務范圍涵蓋亞太大部分地區(qū)。使用北斗數(shù)據(jù)傳輸技術具有不受地域限制、傳輸穩(wěn)定、功耗低、后期維護費用低等優(yōu)點。目前，新疆油田油井數(shù)據(jù)采集傳輸多采用無線電臺、無線網橋、GPRS等方式，解決了大部分油氣生產現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸問題。但是在偏遠井區(qū)、計量站、運輸管線，傳統(tǒng)的傳輸方式由于其技術條件的先天不足或實現(xiàn)成本過高，造成在特定的生產現(xiàn)場無法實現(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信息化建設的必要補充手段。

1 新疆油田通信方式應用現(xiàn)狀

新疆油氣井井區(qū)、計量站、運輸管線油氣生產現(xiàn)場多處在偏遠地區(qū)。這些地區(qū)地表起伏較大，晝夜溫差大，風沙大；夏季高溫時，地表溫度可達80 ℃；冬季最冷時，氣溫可下降至-40 ℃。惡劣的環(huán)境給新疆油田通信系統(tǒng)的建設帶來了諸多困難。目前，新疆油田無線傳輸多采用無線網橋、GPRS等方式，但是這些傳統(tǒng)的傳輸方式由于其技術條件的先天不足、實現(xiàn)成本過高，只能通過人工驅車前往巡檢，既費時又費力，往往每周只能保證1～2次巡檢。

2 北斗數(shù)傳技術的優(yōu)勢

采用“北斗數(shù)傳”通信技術實現(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、不依賴任何基礎網絡設施的服務，直接通過北斗衛(wèi)星實現(xiàn)傳輸功能。北斗短報文通信一次最多可傳輸120個漢字，民用發(fā)送頻次為1 min/次。北斗數(shù)據(jù)傳輸技術工作穩(wěn)定可靠、通信信道保密性強。

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)點后兩位，每個數(shù)據(jù)量用十進制表示共需6位數(shù)，用二進制表示只需12 B即可。若取6個參數(shù)，共需72 B，每次傳輸數(shù)據(jù)量不會超過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

針對目前新疆油田生產現(xiàn)場地理位置偏遠、站點部署跨度較大、數(shù)據(jù)傳輸速率不高、站點稀疏的狀況以及油田的生產需求，利用“北斗數(shù)傳”通信+RTU數(shù)據(jù)采集技術構建北斗通信數(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，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無地域限制的采集與傳輸。同時，開發(fā)基于北斗通信的數(shù)據(jù)管理平臺，實現(xiàn)對油井、注水井、氣井、計量站等生產數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控，大幅降低生產管理成本，完全可以滿足邊遠井水源井液位、流量（累積流量和瞬時流量）、壓力、電流等數(shù)據(jù)的傳輸。

3.1 建立單井數(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RTU上暫存。經發(fā)射端數(shù)據(jù)調制，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計，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。油氣井數(shù)據(jù)以設定的時間間隔自動上報，數(shù)據(jù)丟失后，具有補發(fā)機制，能夠兼容多種采集終端。同時，該終端可靈活設置軟件接口協(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。終端主要技術指標為：

（1）符合新疆油田公司《油氣生產物聯(lián)網系統(tǒng)建設規(guī)定》運行規(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)可實現(xiàn)RS 485標準儀表信號的采集；

（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 ℃ ；抗風能力：≤60 m/s；

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

3.2 北斗數(shù)據(jù)采集傳輸一體化終端組網方式

北斗數(shù)傳系統(tǒng)需要由一體化集成終端進行數(shù)據(jù)調制，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，由PC機合并分幀并解壓縮，還原采集數(shù)據(jù)組態(tài)，監(jiān)控油田生產狀態(tài)。根據(jù)對油田生產數(shù)據(jù)的業(yè)務管理要求，開發(fā)基于北斗通信數(shù)據(jù)的管理平臺，實現(xiàn)對現(xiàn)場生產采集數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控及管理。這種傳輸系統(tǒng)的搭建對基礎設施的依賴小，部署靈活。北斗數(shù)據(jù)采集傳輸一體化終端組網拓撲圖如圖3所示。

3.3 北斗數(shù)據(jù)采集傳輸一體化終端管理平臺

北斗數(shù)據(jù)采集傳輸一體化終端接收機通過地面鏈路接入到油田作業(yè)區(qū)監(jiān)控室主機。管理平臺采用微軟VS2013，使用C#語言。平臺采用B/S結構，數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫服務器，結合Web服務器構成數(shù)據(jù)平臺。用戶可通過Web查看現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)及北斗運行參數(shù)數(shù)據(jù)，還可根據(jù)用戶自定義條件查詢歷史參數(shù)、趨勢及報警數(shù)據(jù)。風城采集傳輸系統(tǒng)管理界面如圖4所示。

4 經濟效益分析

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

對風城油田與吐哈油田共13口井進行試驗，若按照光纜鋪設，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，按偏遠井10%～15%的比例計算，每套北斗終端預計售價2萬元，共可產生經營收入6000萬～9000萬元。同時，對于國內各大油田，如吐哈油田，塔里木油田等，均有偏遠井遠端數(shù)傳的業(yè)務需求。對這些油田按偏遠井10%的比例計算，也將產生3 000萬～6 000萬元的經濟效益。因此，該產品的市場規(guī)模和應用前景十分可觀。

5 推廣應用情況

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、風城水源井區(qū)、吐哈油田紅臺井區(qū)等多個油區(qū)投入使用，這是新疆油田首次使用北斗衛(wèi)星實現(xiàn)井口儀表數(shù)據(jù)的傳輸。把傳統(tǒng)的“定崗值守、按時巡檢”轉變?yōu)椤凹斜O(jiān)測、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)約了生產成本，也能保障油田生產安全平穩(wěn)運行。

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站建設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)傳回克拉瑪依市進行數(shù)據(jù)監(jiān)測及分析。通過北斗技術可以構建覆蓋全球地域的實時氣象水文數(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)綜合應用系統(tǒng)，形成從數(shù)據(jù)的終端采集到衛(wèi)星傳輸、存儲、分發(fā)，直到數(shù)據(jù)的處理、綜合應用等一整套的氣象水文數(shù)據(jù)業(yè)務模式。

6 結 語

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

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