基于北斗卫星数据采集传输一体化终端的研发与应用

引 言

北斗卫星系统是我国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航数据传输系统。我国为北斗卫星导航数据传输系统制定了 三步走 的发展规划，从 2012 年起正式提供卫星导航服务，服务范围涵盖亚太大部分地区。使用北斗数据传输技术具有不受地域限制、传输稳定、功耗低、后期维护费用低等优点。目前，新疆油田油井数据采集传输多采用无线电台、无线网桥、GPRS 等方式，解决了大部分油气生产现场的数据传输问题。但是在偏远井区、计量站、运输管线，传统的传输方式由于其技术条件的先天不足或实现成本过高，造成在特定的生产现场无法实现数据的回传。根据新疆油田的地理环境、数据传输条件等因素，应用北斗数据采集传输一体化终端将是新疆油田满足油气生产信息化建设的必要补充手段。

1 新疆油田通信方式应用现状

新疆油气井井区、计量站、运输管线油气生产现场多处在偏远地区。这些地区地表起伏较大，昼夜温差大，风沙大； 夏季高温时，地表温度可达 80 ℃ ；冬季最冷时，气温可下降至－ 40 ℃。恶劣的环境给新疆油田通信系统的建设带来了诸多困难。目前，新疆油田无线传输多采用无线网桥、GPRS 等方式，但是这些传统的传输方式由于其技术条件的先天不足、实现成本过高，只能通过人工驱车前往巡检，既费时又费力， 往往每周只能保证 1 ～2 次巡检。

2 北斗数传技术的优势

采用 北斗数传 通信技术实现数据的传输可以为中国和东南亚地区提供具有全天候、不受天气和环境影响、不依赖任何基础网络设施的服务，直接通过北斗卫星实现传输功能。

北斗短报文通信一次最多可传输 120 个汉字，民用发送频次为1 min/ 次。北斗数据传输技术工作稳定可靠、通信信道保密性强。

通过北斗数传终端发射终端与接收终端的卫星通讯模式， 建立北斗卫星传输链路。单个油井井口数据主要有压力、流量、温度、电压、电流、变频器参数等数据量。精度要求小数点后两位，每个数据量用十进制表示共需 6位数，用二进制表示只需 12B即可。若取 6个参数，共需 72B，每次传输数据量不会超过 100 B，由此可知，北斗数传每次传输的数据可满足传输要求，而且有足够的富余。

3 北斗数据采集传输一体化终端功能与建设

针对目前新疆油田生产现场地理位置偏远、站点部署跨度较大、数据传输速率不高、站点稀疏的状况以及油田的生产需求，利用 北斗数传 通信+RTU 数据采集技术构建北斗通信数据采集传输系统，研制基于北斗数据采集传输一体化集成终端，实现数据无地域限制的采集与传输。同时，开发基于北斗通信的数据管理平台，实现对油井、注水井、气井、计量站等生产数据的远程监控，大幅降低生产管理成本，完全可以满足边远井水源井液位、流量（累积流量和瞬时流量）、压力、电流等数据的传输。

3.1 建立单井数据前端采集

通过前端采集终端采集到的压力、流量、温度、电压、电流、变频器参数等数据，汇聚至北斗数传终端发射终端内RTU上暂存。经发射端数据调制，发送至通讯卫星。北斗数据采集传输一体化终端前端连接如图 1 所示。

北斗数据采集传输一体化终端采用高集成设计，该终端既可采用市电供电，也可采用太阳能电池及蓄电池供电。油气井数据以设定的时间间隔自动上报，数据丢失后，具有补发机制，能够兼容多种采集终端。同时，该终端可灵活设置软件接口协议，适合在无人值守站使用。北斗一体化终端发射端效果图如图 2 所示。终端主要技术指标为：

（1）符合新疆油田公司《油气生产物联网系统建设规定》 运行规范要求 ；

（2）一体化北斗通讯终端支持通讯容量 120 B/min ；

（3）系统可实现 RS 485 标准仪表信号的采集 ；

（4）通信成功率高：通信成功率≥ 98% ；

（5）功耗低 ：平均功耗为 2.5 W；

（6）温度 ：－ 40 ℃～ +70 ℃ ；抗风能力：≤ 60 m/s ；

（7）兼容性 ：可根据采集终端的不同进行二次开发，终 端可接入7 路模拟量输入、3 路开关量输入。

3.2 北斗数据采集传输一体化终端组网方式

北斗数传系统需要由一体化集成终端进行数据调制，发送至通讯卫星，通讯卫星将采集到的数据通过卫星发送到地面站，地面站将该数据通过卫星转发到数据接收终端站，终端站通过地面链路接入PC 机，由PC 机合并分帧并解压缩， 还原采集数据组态，监控油田生产状态。根据对油田生产数据的业务管理要求，开发基于北斗通信数据的管理平台，实现对现场生产采集数据的远程监控及管理。这种传输系统的搭建对基础设施的依赖小，部署灵活。北斗数据采集传输一体化终端组网拓扑图如图 3 所示。

3.3 北斗数据采集传输一体化终端管理平台

北斗数据采集传输一体化终端接收机通过地面链路接入到油田作业区监控室主机。管理平台采用微软VS2013，使用C# 语言。平台采用 B/S 结构，数据存储至数据库服务器，结合Web 服务器构成数据平台。用户可通过Web 查看现场采集数据及北斗运行参数数据，还可根据用户自定义条件查询历史参数、趋势及报警数据。风城采集传输系统管理界面如图 4 所示。

图 4 风城采集传输系统管理界面

4 经济效益分析

目前油田生产现场常用的无线通信方式有电台、无线网桥、GPRS、4G 覆盖等。4G 覆盖方式适用于单井比较集中的场合，不适用于偏远井区；GPRS 方式存在数据安全性问题， 很少用于油气生产现场的数据传输；而无线网桥传输带宽较高，一般在有视频通信需求的情况下使用，前端建设费用约 2.5 万元。

对风城油田与吐哈油田共 13口井进行试验，若按照光缆铺设，覆盖 13口井共需 80～90km，160万～180万元 ；而利用北斗终端部署，提供油田所需数据传输功能仅需 30 万元，约节约资金 140 万元。

新疆油田约有 3万口井，按偏远井 10% ～15% 的比例计算，每套北斗终端预计售价 2万元，共可产生经营收入6000万～9 000 万元。同时，对于国内各大油田，如吐哈油田，塔里木油田等，均有偏远井远端数传的业务需求。对这些油田按偏远井10% 的比例计算，也将产生 3 000 万～6 000 万元的经济效益。因此，该产品的市场规模和应用前景十分可观。

5 推广应用情况

北斗数据采集传输一体化终端于 2015 ～2017 年分别在新疆克拉玛依气田、风城水源井区、吐哈油田红台井区等多个油区投入使用，这是新疆油田首次使用北斗卫星实现井口仪表数据的传输。把传统的 定岗值守、按时巡检 转变为 集中监测、无人值守、故障巡检 的管理模式，不仅优化了巡检方式，节约了生产成本，也能保障油田生产安全平稳运行。

在水利方面，2017 年，地处偏僻、无地面信息通讯链路的水文检测站建设了一套北斗一体化终端，采用太阳能电池板与蓄电池供电方式，水文站数据传回克拉玛依市进行数据监 测及分析。通过北斗技术可以构建覆盖全球地域的实时气象 水文数据传输，建立气象水文数据卫星传输系统，并开发气 象水文数据综合应用系统，形成从数据的终端采集到卫星传 输、存储、分发，直到数据的处理、综合应用等一整套的气 象水文数据业务模式。

6 结 语

随着“一带一路”建设的不断推进，越来越多沿线国家 的产业需要用到“位置服务”。与此同时，各方力量正推动着中 国与“一带一路”沿线国家在北斗系统科技创新、成果转化和 产业化方面的合作。未来，北斗系统将会迎来更大的发展。