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(shù)具有終端集成度高、成本低、安裝方便、可實現(xiàn)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(yuǎn)井、預(yù)探井、單罐井等位處沙漠腹地、無人值守的應(yīng)用場景。通過對北斗短報文通信特性的分析，結(jié)合油田數(shù)據(jù)傳輸要求，總結(jié)RTU和LoRa數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)兩種應(yīng)用場景下開展實踐測試的情況，驗證了北斗通信系統(tǒng)在油田現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?，為類似?yīng)用場景提供了參考借鑒。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星；短報文；油田；數(shù)據(jù)傳輸

一、前言

油田分布區(qū)域廣而且地形復(fù)雜，特別是許多油田地處沙漠、戈壁等人跡罕至的地區(qū)。同時，油氣田還存在邊遠(yuǎn)井、預(yù)探井、單罐井等部分邊遠(yuǎn)單井，這些單井遠(yuǎn)離油田主力區(qū)塊且分布稀疏，一直是各油田生產(chǎn)管理的難題，使用人工對井場進(jìn)行數(shù)據(jù)抄錄，巡檢周期長、工作量大、耗時費力，且不能體現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時性和準(zhǔn)確性，用信息化技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)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(yuǎn)單井往往沒有可依托的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，不具備數(shù)據(jù)傳輸條件，造成遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控難以實施。因此，想用信息化技術(shù)解決管理難題，必須解決數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)問題。

二、油田數(shù)據(jù)傳輸概況

隨著油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的逐步推進(jìn)，各油田主力區(qū)塊正逐步實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)覆蓋。數(shù)據(jù)傳輸是油田物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路的重要組成部分，是數(shù)據(jù)上傳下達(dá)的通道，如果數(shù)據(jù)通道出了問題則難以實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化監(jiān)控。目前，已建油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸多采用無線網(wǎng)橋、4G等方式，現(xiàn)場采集控制設(shè)備基本采用RJ45、RS485等通信接口與傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議主要使用Modbus通信協(xié)議。此類數(shù)據(jù)采集傳輸方式解決了大部分油氣生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸問題。但是在偏遠(yuǎn)井區(qū)、計量站、運輸管線，由于地理位置偏僻，傳統(tǒng)的光纖、無線網(wǎng)橋、4G網(wǎng)絡(luò)等無法覆蓋或建設(shè)成本過高，造成在特定的生產(chǎn)現(xiàn)場無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的回傳。隨著北斗衛(wèi)星短報文技術(shù)的發(fā)展，使數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上又增加了可選方案，因北斗衛(wèi)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(yuǎn)井、預(yù)探井、單罐井等位處沙漠腹地、無人值守的應(yīng)用場景[1]。

三、北斗短報文通信在油田數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用可行性分析

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)已在定位、導(dǎo)航等多領(lǐng)域提供了廣泛的服務(wù)，因衛(wèi)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(xiàn)點對多點通信，保密性高等特點，非常適合油田偏遠(yuǎn)井的數(shù)據(jù)傳輸。但在實際應(yīng)用中必須將北斗通信系統(tǒng)的特點與油田數(shù)據(jù)傳輸?shù)木唧w要求相結(jié)合才能實現(xiàn)北斗衛(wèi)星通信服務(wù)于油田數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。對此，我們進(jìn)行了初步的可行性分析。

（一）物理接口

油田現(xiàn)場與通信系統(tǒng)的硬件接口多采用RJ45和RS485，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議多采用Modbus協(xié)議，現(xiàn)場設(shè)備通信接口已實現(xiàn)數(shù)字化。北斗衛(wèi)星短報文通信本質(zhì)也是一種數(shù)字化通信方式，在物理層面可以靈活配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口，將數(shù)據(jù)按照北斗短報文要求進(jìn)行排序及組包，具備油田應(yīng)用的物理條件[2]。

（二）數(shù)據(jù)傳輸能力

利用北斗三號系統(tǒng)的短報文通信服務(wù)支持文字、字符、數(shù)字傳輸，并支持569字，7979bit（四級卡）全球通信能力技術(shù)，按照油田現(xiàn)場的數(shù)據(jù)情況計算后可同時并發(fā)多組數(shù)據(jù)量，可將采集上的電參、油壓、功圖、沖程、沖次、運行狀態(tài)等參數(shù)和狀態(tài)分4組包（單包<7979bit）上傳，經(jīng)過服務(wù)器解析整合后上傳數(shù)據(jù)庫，由油田生產(chǎn)監(jiān)控平臺通過Modbus TCP協(xié)議訪問映射井場的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸能力上可以滿足油田應(yīng)用需求。

（三）數(shù)據(jù)傳輸要求

目前油田數(shù)據(jù)采集周期為3分鐘/次，可滿足絕大部分生產(chǎn)管理的需要，北斗短報文上傳頻次可達(dá)到1分鐘/次，滿足油田生產(chǎn)管理需求。北斗衛(wèi)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(wù)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(chǔ)，對終端設(shè)備進(jìn)行兼容性、適配性研發(fā)，在符合北斗三號短報文通信要求的前提下，對數(shù)據(jù)進(jìn)行組包和解析完全可以實現(xiàn)油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳輸。

四、油田現(xiàn)場工作場景測試實踐

在上述可行性分析的基礎(chǔ)上，基于油田現(xiàn)場的采集環(huán)境和要求，根據(jù)現(xiàn)油田數(shù)據(jù)采集設(shè)備RTU、LoRa（如圖1所示），在油田實際現(xiàn)場有針對性地開展實施北斗數(shù)傳在多種數(shù)據(jù)傳輸鏈路下的測試工作，測試旨在通過部署北斗數(shù)據(jù)組包程序，以及安裝北斗指揮機和北斗數(shù)傳終端，實現(xiàn)油井?dāng)?shù)據(jù)的采集封裝、衛(wèi)星傳輸、解析映射，最后油田平臺能夠通過Modbus TCP協(xié)議的方式訪問映射井場的數(shù)據(jù)，測試油井北斗數(shù)傳系統(tǒng)軟硬件適配性、功能完整性等方面是否可靠。

（一）北斗數(shù)傳終端與現(xiàn)場設(shè)備通信連接的建立

北斗數(shù)據(jù)采集傳輸一體化終端（如圖2所示）與RTU或LoRa網(wǎng)關(guān)采用有線方式（RS485/232）連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，經(jīng)發(fā)射端數(shù)據(jù)調(diào)制，發(fā)送至通信衛(wèi)星。

終端主要技術(shù)指標(biāo)為：

1.符合油田公司《油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)定》運行規(guī)范要求。

2.提供RS232/422接口用于數(shù)據(jù)交互。

3.支持短報文通信，支持文字、字符、數(shù)字傳輸。

北斗數(shù)傳終端和油田現(xiàn)場設(shè)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(jìn)行了測試，測試結(jié)果連接正常，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)（如圖3所示）。

（二）數(shù)據(jù)流

北斗數(shù)傳終端通過串口Modbus協(xié)議訪問RTU，獲取井場的壓力、流量、溫度、電壓、電流、變頻器參數(shù)等數(shù)據(jù)。然后通過北斗鏈路將數(shù)據(jù)傳送至北斗指揮機。北斗指揮機通過串口/網(wǎng)口將數(shù)據(jù)透傳至服務(wù)器端的數(shù)據(jù)組包程序，在該程序中將井場數(shù)據(jù)映射至模擬井場。油田平臺可通過Modbus TCP協(xié)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(xié)議對數(shù)據(jù)映射關(guān)系表進(jìn)行控制指令下發(fā)，數(shù)據(jù)組包程序收到控制指令后進(jìn)行組幀通過網(wǎng)口發(fā)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(biāo)井場的北斗數(shù)傳終端。北斗數(shù)傳終端通過Modbus協(xié)議將控制指令下發(fā)至RTU，由RTU執(zhí)行控制指令（如圖4所示）。

（三）北斗數(shù)傳管理系統(tǒng)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(dǎo)航終端一體機集成了RDSS（短報文）技術(shù)，負(fù)責(zé)接收各北斗短報文數(shù)傳終端反饋的采集數(shù)據(jù)，同時對多終端系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一指揮調(diào)度（如圖5所示）。

2.北斗解析服務(wù)器

負(fù)責(zé)部署油井北斗數(shù)傳系統(tǒng)的指揮機數(shù)據(jù)組包軟件和建立油井?dāng)?shù)據(jù)庫，對指揮機推送的短報文進(jìn)行解析和數(shù)據(jù)映射。

（四）北斗數(shù)傳測試設(shè)備（見表1）

（五）數(shù)據(jù)接入

基于油田現(xiàn)場的有線采集環(huán)境和無線采集環(huán)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(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)關(guān)與北斗數(shù)傳終端用RS232/RS485串口相連，數(shù)據(jù)交互采用Modbus協(xié)議進(jìn)行，再由北斗數(shù)傳終端通過北斗短報文方式將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到北斗指揮機，由北斗數(shù)據(jù)解析服務(wù)器完成數(shù)據(jù)組包后，最終將數(shù)據(jù)經(jīng)交換機傳送至油田平臺服務(wù)器，數(shù)據(jù)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(jìn)行數(shù)據(jù)采集，RTU通過網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口通信模塊與北斗數(shù)傳終端的RS232/RS485串口相連，數(shù)據(jù)交互采用Modbus協(xié)議進(jìn)行，再由北斗數(shù)傳終端通過北斗短報文方式將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到北斗指揮機，由北斗數(shù)據(jù)解析服務(wù)器完成數(shù)據(jù)組包后，最終將數(shù)據(jù)經(jīng)交換機傳送至油田平臺服務(wù)器。數(shù)據(jù)傳輸鏈路如圖7所示。

（六）數(shù)據(jù)落地

服務(wù)器部署數(shù)據(jù)組包程序，負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)組包處理，同時在服務(wù)器端模擬井場數(shù)據(jù)情況，實現(xiàn)遠(yuǎn)端實際井場在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)映射。油田生產(chǎn)管理平臺系統(tǒng)能夠通過Modbus TCP協(xié)議的方式訪問映射井場的數(shù)據(jù)[5]。

五、推廣情況

通過前期北斗數(shù)傳系統(tǒng)的技術(shù)論證及現(xiàn)場實景測試，充分驗證北斗短報文通信可以在油田生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，特別針對油田沙漠腹地、無人值守油區(qū)的邊遠(yuǎn)井、預(yù)探井、單罐井生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)同步衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸。

通過北斗衛(wèi)星的成功實施應(yīng)用，實現(xiàn)油田偏遠(yuǎn)地區(qū)數(shù)據(jù)的回傳，為企業(yè)有質(zhì)量、有效益的生產(chǎn)提供技術(shù)支撐，形成以下效果：

（一）在邊遠(yuǎn)井、單罐井等偏遠(yuǎn)井區(qū)的日常生產(chǎn)管理中，北斗衛(wèi)星的投用大大減少了員工單井巡檢次數(shù)，縮減人力薪金費用，達(dá)到減員增效目的。

（二）為偏遠(yuǎn)井區(qū)的數(shù)據(jù)采集提供技術(shù)支撐，提升油氣田偏遠(yuǎn)井管理效率，提高油田數(shù)字化的覆蓋率，為油氣田偏遠(yuǎn)井在無光纜、無運營商網(wǎng)絡(luò)覆蓋條件下實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)字化管理提供了新的手段。

（三）單罐生產(chǎn)井液位采集精準(zhǔn)預(yù)警。利用北斗數(shù)傳短報文技術(shù)，解決了偏遠(yuǎn)油區(qū)單罐生產(chǎn)井?dāng)?shù)據(jù)采集問題，消除數(shù)據(jù)傳輸孤島，避免大罐溢罐、原油偷盜等情況，降低生產(chǎn)環(huán)境風(fēng)險、提升油田本質(zhì)安全[5]。

六、結(jié)語

經(jīng)過油田前期技術(shù)論證及現(xiàn)場測試，北斗數(shù)傳終端可適配具有RS485/232輸出的現(xiàn)場數(shù)采網(wǎng)關(guān)，使用北斗衛(wèi)星短報文通信技術(shù)完全可以應(yīng)用于油田數(shù)據(jù)傳輸，可實現(xiàn)偏遠(yuǎn)油井、水井、單罐井等生產(chǎn)數(shù)據(jù)的回傳，有效提高生產(chǎn)效率，保證生產(chǎn)安全。但在油田現(xiàn)場生產(chǎn)應(yīng)用中，應(yīng)注意以下問題：一是需注意平臺連續(xù)下發(fā)指令會導(dǎo)致指令排隊，北斗指揮機卡頻度為60秒，1分鐘內(nèi)只能下發(fā)一次指令。二是由于北斗三號短報文系統(tǒng)上傳發(fā)送數(shù)據(jù)包有限，如果數(shù)據(jù)長度多過大，組包過多，會造成數(shù)據(jù)延遲等一系列問題，所以在實施前，應(yīng)當(dāng)仔細(xì)評估采集數(shù)據(jù)量是否會對北斗三號短報文系統(tǒng)造成過大的壓力。

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作者單位：新疆油田公司準(zhǔn)東采油廠

責(zé)任編輯：尚丹