北斗短報文通信在油田數據傳輸中的應用與探索

董虎?羅李黎?再開日亞·安尼娃爾?劉振國

摘要：北斗三號短報文通信技術具有終端集成度高、成本低、安裝方便、可實現點對多點通信、保密性高等特點，且不受地形、地貌、空間距離的限制，適合油田邊遠井、預探井、單罐井等位處沙漠腹地、無人值守的應用場景。通過對北斗短報文通信特性的分析，結合油田數據傳輸要求，總結RTU和LoRa數據采集網關兩種應用場景下開展實踐測試的情況，驗證了北斗通信系統在油田現場進行數據傳輸的可行性，為類似應用場景提供了參考借鑒。

關鍵詞：北斗衛星；短報文；油田；數據傳輸

一、前言

油田分布區域廣而且地形復雜，特別是許多油田地處沙漠、戈壁等人跡罕至的地區。同時，油氣田還存在邊遠井、預探井、單罐井等部分邊遠單井，這些單井遠離油田主力區塊且分布稀疏，一直是各油田生產管理的難題，使用人工對井場進行數據抄錄，巡檢周期長、工作量大、耗時費力，且不能體現數據的及時性和準確性，用信息化技術進行遠程管理是解決這些管理難題的有效方式。但因地理位置偏僻、分散，邊遠單井往往沒有可依托的數據傳輸網絡，不具備數據傳輸條件，造成遠程自動化監控難以實施。因此，想用信息化技術解決管理難題，必須解決數據傳輸網絡問題。

二、油田數據傳輸概況

隨著油田物聯網建設的逐步推進，各油田主力區塊正逐步實現物聯網覆蓋。數據傳輸是油田物聯網數據鏈路的重要組成部分，是數據上傳下達的通道，如果數據通道出了問題則難以實現遠程自動化監控。目前，已建油田物聯網系統數據傳輸多采用無線網橋、4G等方式，現場采集控制設備基本采用RJ45、RS485等通信接口與傳輸網絡設備連接，從而實現數據遠傳，數據傳輸協議主要使用Modbus通信協議。此類數據采集傳輸方式解決了大部分油氣生產現場的數據傳輸問題。但是在偏遠井區、計量站、運輸管線，由于地理位置偏僻，傳統的光纖、無線網橋、4G網絡等無法覆蓋或建設成本過高，造成在特定的生產現場無法實現數據的回傳。隨著北斗衛星短報文技術的發展，使數據傳輸技術在傳統基礎上又增加了可選方案，因北斗衛星傳輸采用天-地通信方式，不受地形、地貌、空間距離的限制，適合油田邊遠井、預探井、單罐井等位處沙漠腹地、無人值守的應用場景[1]。

三、北斗短報文通信在油田數據傳輸應用可行性分析

北斗衛星系統已在定位、導航等多領域提供了廣泛的服務，因衛星通信具有不受地形、地貌、空間距離的限制，安裝方便靈活，可實現點對多點通信，保密性高等特點，非常適合油田偏遠井的數據傳輸。但在實際應用中必須將北斗通信系統的特點與油田數據傳輸的具體要求相結合才能實現北斗衛星通信服務于油田數據業務。對此，我們進行了初步的可行性分析。

（一）物理接口

油田現場與通信系統的硬件接口多采用RJ45和RS485，數據傳輸協議多采用Modbus協議，現場設備通信接口已實現數字化。北斗衛星短報文通信本質也是一種數字化通信方式，在物理層面可以靈活配置相應的數據接口，將數據按照北斗短報文要求進行排序及組包，具備油田應用的物理條件[2]。

（二）數據傳輸能力

利用北斗三號系統的短報文通信服務支持文字、字符、數字傳輸，并支持569字，7979bit（四級卡）全球通信能力技術，按照油田現場的數據情況計算后可同時并發多組數據量，可將采集上的電參、油壓、功圖、沖程、沖次、運行狀態等參數和狀態分4組包（單包<7979bit）上傳，經過服務器解析整合后上傳數據庫，由油田生產監控平臺通過Modbus TCP協議訪問映射井場的數據。在數據傳輸能力上可以滿足油田應用需求。

（三）數據傳輸要求

目前油田數據采集周期為3分鐘/次，可滿足絕大部分生產管理的需要，北斗短報文上傳頻次可達到1分鐘/次，滿足油田生產管理需求。北斗衛星三號短報文傳輸機制有別于RS485、RJ45的實時傳輸方式，它是一種非實時的傳輸機制，且會受到終端入站服務頻度、終端傳輸能力、通信等級（漢字長度）的限制[3]。通過以上初步分析可知，以北斗三號通信為基礎，對終端設備進行兼容性、適配性研發，在符合北斗三號短報文通信要求的前提下，對數據進行組包和解析完全可以實現油田生產數據的傳輸。

四、油田現場工作場景測試實踐

在上述可行性分析的基礎上，基于油田現場的采集環境和要求，根據現油田數據采集設備RTU、LoRa（如圖1所示），在油田實際現場有針對性地開展實施北斗數傳在多種數據傳輸鏈路下的測試工作，測試旨在通過部署北斗數據組包程序，以及安裝北斗指揮機和北斗數傳終端，實現油井數據的采集封裝、衛星傳輸、解析映射，最后油田平臺能夠通過Modbus TCP協議的方式訪問映射井場的數據，測試油井北斗數傳系統軟硬件適配性、功能完整性等方面是否可靠。

（一）北斗數傳終端與現場設備通信連接的建立

北斗數據采集傳輸一體化終端（如圖2所示）與RTU或LoRa網關采用有線方式（RS485/232）連接，進行數據讀取，經發射端數據調制，發送至通信衛星。

終端主要技術指標為：

1.符合油田公司《油氣生產物聯網系統建設規定》運行規范要求。

2.提供RS232/422接口用于數據交互。

3.支持短報文通信，支持文字、字符、數字傳輸。

北斗數傳終端和油田現場設備硬件連接完成后，通過筆記本電腦或手機端App對連接情況進行了測試，測試結果連接正常，可以進行數據收發（如圖3所示）。

（二）數據流

北斗數傳終端通過串口Modbus協議訪問RTU，獲取井場的壓力、流量、溫度、電壓、電流、變頻器參數等數據。然后通過北斗鏈路將數據傳送至北斗指揮機。北斗指揮機通過串口/網口將數據透傳至服務器端的數據組包程序，在該程序中將井場數據映射至模擬井場。油田平臺可通過Modbus TCP協議去訪問模擬井場獲取實際的采樣值[4]。油田平臺通過Modbus TCP協議對數據映射關系表進行控制指令下發，數據組包程序收到控制指令后進行組幀通過網口發送至北斗指揮機。指揮機通過北斗鏈路將控制指令傳送至目標井場的北斗數傳終端。北斗數傳終端通過Modbus協議將控制指令下發至RTU，由RTU執行控制指令（如圖4所示）。

（三）北斗數傳管理系統部署

1.北斗指揮機

通用型北斗三號短報文、北斗三代通信定位導航終端一體機集成了RDSS（短報文）技術，負責接收各北斗短報文數傳終端反饋的采集數據，同時對多終端系統進行統一指揮調度（如圖5所示）。

2.北斗解析服務器

負責部署油井北斗數傳系統的指揮機數據組包軟件和建立油井數據庫，對指揮機推送的短報文進行解析和數據映射。

（四）北斗數傳測試設備（見表1）

（五）數據接入

基于油田現場的有線采集環境和無線采集環境情況，制定以下2種測試方案：

1.無線采集

井口采用Lora儀表和Lora網關進行數據采集，網關與北斗數傳終端用RS232/RS485串口相連，數據交互采用Modbus協議進行，再由北斗數傳終端通過北斗短報文方式將采集數據發送到北斗指揮機，由北斗數據解析服務器完成數據組包后，最終將數據經交換機傳送至油田平臺服務器，數據傳輸鏈路如圖6所示。

2.有線采集

井口采用有線儀表及RTU進行數據采集，RTU通過網口轉串口通信模塊與北斗數傳終端的RS232/RS485串口相連，數據交互采用Modbus協議進行，再由北斗數傳終端通過北斗短報文方式將采集數據發送到北斗指揮機，由北斗數據解析服務器完成數據組包后，最終將數據經交換機傳送至油田平臺服務器。數據傳輸鏈路如圖7所示。

（六）數據落地

服務器部署數據組包程序，負責完成數據接收、數據組包處理，同時在服務器端模擬井場數據情況，實現遠端實際井場在服務器端的數據映射。油田生產管理平臺系統能夠通過Modbus TCP協議的方式訪問映射井場的數據[5]。

五、推廣情況

通過前期北斗數傳系統的技術論證及現場實景測試，充分驗證北斗短報文通信可以在油田生產中推廣應用，特別針對油田沙漠腹地、無人值守油區的邊遠井、預探井、單罐井生產數據可以實現同步衛星數據傳輸。

通過北斗衛星的成功實施應用，實現油田偏遠地區數據的回傳，為企業有質量、有效益的生產提供技術支撐，形成以下效果：

（一）在邊遠井、單罐井等偏遠井區的日常生產管理中，北斗衛星的投用大大減少了員工單井巡檢次數，縮減人力薪金費用，達到減員增效目的。

（二）為偏遠井區的數據采集提供技術支撐，提升油氣田偏遠井管理效率，提高油田數字化的覆蓋率，為油氣田偏遠井在無光纜、無運營商網絡覆蓋條件下實現遠程數字化管理提供了新的手段。

（三）單罐生產井液位采集精準預警。利用北斗數傳短報文技術，解決了偏遠油區單罐生產井數據采集問題，消除數據傳輸孤島，避免大罐溢罐、原油偷盜等情況，降低生產環境風險、提升油田本質安全[5]。

六、結語

經過油田前期技術論證及現場測試，北斗數傳終端可適配具有RS485/232輸出的現場數采網關，使用北斗衛星短報文通信技術完全可以應用于油田數據傳輸，可實現偏遠油井、水井、單罐井等生產數據的回傳，有效提高生產效率，保證生產安全。但在油田現場生產應用中，應注意以下問題：一是需注意平臺連續下發指令會導致指令排隊，北斗指揮機卡頻度為60秒，1分鐘內只能下發一次指令。二是由于北斗三號短報文系統上傳發送數據包有限，如果數據長度多過大，組包過多，會造成數據延遲等一系列問題，所以在實施前，應當仔細評估采集數據量是否會對北斗三號短報文系統造成過大的壓力。

參考文獻

[1]孫波.北斗衛星通信技術在水文測報數據傳輸中的應用研究[J].工程技術（全文版），2016（07）：209.

[2]王福龍.淺談北斗衛星導航系統的應用現狀與發展[J].中國科技博覽，2013（26）：1.

[3]鄧志君，梁松峰.基于RS485接口Modbus協議的PLC與多機通訊[J].微計算機信息，2010，26（08）：107-108.

[4]姚彬.偏遠油氣井北斗短報文數據傳輸系統的建構與應用[J].油氣田地面工程，2019，38（09）：100-103.

[5]胡海林，劉克巖．基于北斗衛星的油田數據傳輸系統的研究[C]//中國宇航學會.2013年衛星應用學術交流與研討會，2013：249-251.

作者單位：新疆油田公司準東采油廠

責任編輯：尚丹