孫 源 荊文明 倪朋勃 沈文建 周嵩楷

(①中法渤海地質(zhì)服務(wù)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(guó)家能源“七年行動(dòng)計(jì)劃”的實(shí)施，中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司錄井作業(yè)量持續(xù)上升。由于錄井作業(yè)地點(diǎn)較為分散，且錄井設(shè)備需根據(jù)作業(yè)地點(diǎn)的變化不斷進(jìn)行調(diào)整，錄井作業(yè)管理以電話、郵件等方式為主進(jìn)行溝通，不能實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)掌握設(shè)備信息，實(shí)現(xiàn)錄井設(shè)備動(dòng)態(tài)跟蹤管理，對(duì)中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“提質(zhì)增效”十分重要。

我國(guó)人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、北斗定位導(dǎo)航、三維仿真等技術(shù)已越來(lái)越成熟。其中，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng))是我國(guó)著眼于國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可為全球用戶提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。從信息安全、業(yè)務(wù)需求兩方面出發(fā)，有必要結(jié)合北斗定位導(dǎo)航技術(shù)研發(fā)設(shè)備定位跟蹤管理系統(tǒng)。通過(guò)基于北斗全球衛(wèi)星定位及通信的錄井設(shè)備定位跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備位置信息的自動(dòng)采集和上報(bào)，及時(shí)掌握設(shè)備分布及設(shè)備調(diào)度軌跡。同時(shí)，將設(shè)備位置信息與設(shè)備業(yè)務(wù)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可為設(shè)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(jiǎn)介

1.1 北斗系統(tǒng)工作原理

“北斗”是我國(guó)獨(dú)立自主設(shè)計(jì)、建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]，也是聯(lián)合國(guó)有關(guān)機(jī)構(gòu)認(rèn)定的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位四大核心供應(yīng)商之一。按照“先區(qū)域，后全球”的總體建設(shè)規(guī)劃，我國(guó)在2003年正式開(kāi)通北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)即北斗一代，成為繼GPS、GLONASS之后，能夠獨(dú)立提供服務(wù)的三大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一。

北斗一號(hào)系統(tǒng)采用三球交會(huì)測(cè)量原理進(jìn)行定位，地面控制中心根據(jù)用戶設(shè)備主動(dòng)發(fā)送的定位申請(qǐng)信號(hào)，結(jié)合大地高程數(shù)據(jù)解算出用戶所在位置的坐標(biāo)。北斗二號(hào)系統(tǒng)定位將采用多顆衛(wèi)星組成衛(wèi)星陣列，用戶設(shè)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(biāo)，實(shí)現(xiàn)無(wú)源定位。

1.2 北斗系統(tǒng)組成

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)由導(dǎo)航通信衛(wèi)星、地面控制中心和用戶終端三部分組成[2]。導(dǎo)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(hào)傳遞的中繼服務(wù)；地面控制中心主要負(fù)責(zé)信號(hào)的發(fā)送、接收、信息處理以及整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控管理；用戶終端是用戶使用的設(shè)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(hào)以及經(jīng)衛(wèi)星向地面控制中心轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)申請(qǐng)。

1.3 北斗系統(tǒng)功能

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有快速定位、簡(jiǎn)短數(shù)字報(bào)文通信和精密授時(shí)三大主要功能[3]?？焖俣ㄎ还δ芸纱_定用戶地理位置，為用戶提供定位導(dǎo)航服務(wù)；報(bào)文通信功能可為用戶之間提供雙向數(shù)字報(bào)文通信服務(wù)，電文最長(zhǎng)可達(dá)120個(gè)漢字；精密授時(shí)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(shí)功能，供用戶進(jìn)行時(shí)間同步。

2 錄井設(shè)備定位跟蹤系統(tǒng)研究

2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

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

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基礎(chǔ)層：為整個(gè)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)支撐，包括網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)硬件支撐。網(wǎng)絡(luò)主要有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)(局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng))、北斗衛(wèi)星網(wǎng)(用于設(shè)備定位和通信服務(wù))、物聯(lián)網(wǎng)；北斗設(shè)備主要有北斗指揮機(jī)、北斗設(shè)備定位終端。

數(shù)據(jù)層：主要為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)查詢?cè)L問(wèn)服務(wù)提供支撐，包括設(shè)備數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)(區(qū)域數(shù)據(jù)、設(shè)備位置數(shù)據(jù)、設(shè)備軌跡數(shù)據(jù)等)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等。

服務(wù)層：為系統(tǒng)獨(dú)立出來(lái)的各個(gè)服務(wù)模塊，包括數(shù)據(jù)服務(wù)(數(shù)據(jù)的采集、訪問(wèn)、清洗、展現(xiàn)、中轉(zhuǎn)、調(diào)度、存儲(chǔ)和備份)、地理信息系統(tǒng)服務(wù)、通信服務(wù)以及調(diào)度服務(wù)。

應(yīng)用層：主要是提供面向用戶的各種管理應(yīng)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(shè)備房定位終端管理、終端數(shù)據(jù)接入管理)、設(shè)備管控(設(shè)備分布管理、設(shè)備軌跡管理)。

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，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(shè)備管控三大功能模塊(圖2)，各功能模塊設(shè)計(jì)說(shuō)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(guò)角色、菜單、用戶的管理實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的安全性管理，對(duì)不同的用戶分配不同的權(quán)限，來(lái)控制用戶對(duì)系統(tǒng)的訪問(wèn)權(quán)限；系統(tǒng)日志管理對(duì)用戶登錄系統(tǒng)和操作系統(tǒng)的日志進(jìn)行記錄，可為用戶登錄和操作系統(tǒng)的行為進(jìn)行分析，為系統(tǒng)的安全性管理提供基礎(chǔ)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(guò)北斗相關(guān)定位設(shè)備的管理、設(shè)備房的管理、定位終端數(shù)據(jù)的接入管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的綜合管理。系統(tǒng)分別通過(guò)北斗卡管理、定位終端管理和北斗定位終端管理實(shí)現(xiàn)定位設(shè)備基本信息的維護(hù)管理功能，通過(guò)設(shè)備房定位終端管理實(shí)現(xiàn)定位設(shè)備與設(shè)備房的關(guān)系綁定管理，獲取設(shè)備的位置就可以獲取到設(shè)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(shè)備及設(shè)備房的位置信息及位置信息上報(bào)時(shí)間。

2.2.3 設(shè)備管控功能模塊

設(shè)備管控功能模塊通過(guò)設(shè)備的分布管理和設(shè)備軌跡管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的管控?；陂_(kāi)源地圖引擎，通過(guò)符號(hào)化的方式，對(duì)設(shè)備的位置進(jìn)行標(biāo)注。實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的聚合顯示，當(dāng)設(shè)備的分布比較密集時(shí)，會(huì)以聚合的顯示方式顯示該處有多少個(gè)設(shè)備，當(dāng)點(diǎn)擊此處時(shí)會(huì)以列表形式顯示該處的設(shè)備名稱，點(diǎn)擊單個(gè)設(shè)備會(huì)顯示該設(shè)備的詳細(xì)信息。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)備的定位歷史記錄形成設(shè)備的活動(dòng)軌跡?？梢酝ㄟ^(guò)設(shè)備名稱進(jìn)行檢索快速定位到設(shè)備，也可設(shè)置時(shí)間條件，檢索不同時(shí)間段設(shè)備的活動(dòng)軌跡，系統(tǒng)會(huì)以地圖引擎為基礎(chǔ)，在地圖上繪制出設(shè)備的活動(dòng)軌跡，直觀展示設(shè)備的軌跡情況。

2.3 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

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

設(shè)備房位置分布顯示流程如圖3所示。通過(guò)設(shè)備房定位終端接收衛(wèi)星信號(hào)計(jì)算自身的位置信息，經(jīng)由集成的短報(bào)文通信模塊將北斗短報(bào)文經(jīng)北斗通信衛(wèi)星傳輸，由地面的北斗指揮機(jī)接收，位置服務(wù)器收到北斗指揮機(jī)上報(bào)的北斗短報(bào)文信息后對(duì)其進(jìn)行解析，解析完成后得到設(shè)備房的位置信息，位置服務(wù)器對(duì)解析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，同時(shí)將加密后的數(shù)據(jù)以Socket方式推送到客戶端，由客戶端對(duì)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(xiě)入存儲(chǔ)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)。

圖3 設(shè)備房位置分布顯示流程

設(shè)備房軌跡分布顯示流程如圖4所示。通過(guò)客戶端輸入設(shè)備和時(shí)間段查詢條件，經(jīng)應(yīng)用服務(wù)器從存儲(chǔ)服務(wù)器獲取指定錄井設(shè)備的位置數(shù)據(jù)，再經(jīng)應(yīng)用服務(wù)器計(jì)算設(shè)備的位置數(shù)據(jù)后得到設(shè)備的軌跡數(shù)據(jù)，并將計(jì)算得出的軌跡數(shù)據(jù)返回給客戶端，客戶端對(duì)設(shè)備軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制顯示。

圖4 設(shè)備房軌跡分布顯示流程

2.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.4.1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)由北斗設(shè)備房定位終端、北斗衛(wèi)星、北斗指揮機(jī)、數(shù)據(jù)中心及客戶端五大部分構(gòu)成，其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄6]如圖5所示。在設(shè)備房上安裝北斗定位終端，北斗定位終端通過(guò)接收北斗衛(wèi)星信息計(jì)算自身的位置，再通過(guò)內(nèi)置的北斗短報(bào)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(jī)接收。北斗指揮機(jī)接收北斗定位終端傳回的位置信息，進(jìn)行位置信息計(jì)算處理，并將計(jì)算獲取的位置數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)通知前端顯示系統(tǒng)及時(shí)更新設(shè)備的顯示位置。

圖5 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.4.2 設(shè)備房定位終端

設(shè)備房定位終端是基于北斗衛(wèi)星通信/定位系統(tǒng)，針對(duì)設(shè)備房運(yùn)輸、轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中位置監(jiān)控的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)的。通過(guò)在設(shè)備上安裝設(shè)備房定位終端，將設(shè)備定位終端與設(shè)備房綁定，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備房的分布及運(yùn)動(dòng)軌跡。

考慮防爆要求的場(chǎng)景，設(shè)備房定位終端采用天線(圖6)與主機(jī)(圖7)分體設(shè)計(jì)的方式。天線采用無(wú)源天線，無(wú)需供電，采用磁吸或者法蘭盤(pán)的方式裝在設(shè)備房外部。主機(jī)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(yù)留接口，連接天線和電源等。

圖6 天線外觀設(shè)計(jì)

圖7 主機(jī)外觀設(shè)計(jì)

2.4.3 北斗指揮機(jī)

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

系統(tǒng)采用北斗指揮型用戶機(jī)統(tǒng)一接收設(shè)備房定位終端上報(bào)的位置信息，經(jīng)系統(tǒng)按指定的協(xié)議對(duì)上報(bào)信息進(jìn)行解析存儲(chǔ)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。北斗指揮型用戶機(jī)的組成如圖8所示。

圖8 北斗指揮型用戶機(jī)組成

3 應(yīng)用效果

基于北斗全球衛(wèi)星定位及通信的錄井設(shè)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(gè)地區(qū)共計(jì)40套設(shè)備房進(jìn)行了安裝和成功應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備房位置數(shù)據(jù)定時(shí)采集，并傳輸?shù)胶蠓交胤?wù)器，使作業(yè)管理者能夠?qū)崟r(shí)跟蹤設(shè)備房的位置，進(jìn)行設(shè)備房的分布管理和軌跡跟蹤。該設(shè)備跟蹤定位系統(tǒng)運(yùn)行后，可以實(shí)時(shí)跟蹤設(shè)備房的位置，及時(shí)掌握設(shè)備房的分布情況，設(shè)備定位分布應(yīng)用效果如圖9所示。

經(jīng)過(guò)4個(gè)多月的運(yùn)行跟蹤，40套設(shè)備共采集設(shè)備房位置記錄91051條， 對(duì)設(shè)備的歷史定位記錄進(jìn)行空間數(shù)據(jù)處理，形成了設(shè)備歷史軌跡記錄(圖10)，藉此可對(duì)設(shè)備的歷史運(yùn)行情況進(jìn)行跟蹤和分析，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的全生命周期跟蹤管理。

圖9 設(shè)備房定位分布效果

圖10 設(shè)備歷史軌跡記錄

4 結(jié)束語(yǔ)

基于北斗定位導(dǎo)航技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過(guò)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備房位置數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳輸、存儲(chǔ)及顯示，為設(shè)備的數(shù)字化管理和規(guī)范化管理打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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