基于北斗短报文的油气井场数据传输系统及应用

文 | 邓少飞 徐玉玲

中国石化北斗运营服务中心

一、引言

在我国新疆的塔克拉玛干沙漠腹地有着丰富的油气储量，随着国家加大对西部油气田开发的力度，在油气开采过程中第一时间掌握井场数据资料对后续的工作开展起着至关重要的作用。目前，油气田井场数据传输主要依靠光纤、宽带和4G网络，成本高，布线时间长，覆盖范围有限。在沙漠、戈壁等没有公共网络覆盖的区域，如何安全、高效地进行油气井场数据的传输成为油气田数字化建设的重要研究课题。

2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式开通。北斗卫星导航系统的区域短报文通信（RSMC）服务能力有了很大的提高。在公共网络还未铺设进井场之前，利用北斗卫星导航系统的区域短报文通信服务进行井场数据传输是最安全、最高效的方式。在西北油田开展了基于北斗短报文的油气井场数据传输系统的探索与应用，为油田增储上产提供强有力的技术支撑，对保障国家能源安全和时空信息安全具有重要意义。

二、区域短报文服务（RSMC）功能特点

北斗系统具备导航定位和通信数传两大功能，提供七种服务。具体包括：面向全球范围，提供定位导航授时（RNSS）、全球短报文通信（GSMC）和国际搜救（SAR）三种服务；在中国及周边地区，提供星基增强（SBAS）、地基增强（GAS）、精密单点定位（PPP）和区域短报文通信（RSMC）四种服务。

其中区域短报文服务（RSMC）通过上行L频段和下行S频段实现北斗终端和北斗卫星之间的信息传输。单次报文最大长度可达14000bit（约相当于1000个汉字）。另外，传输频次也有了很大的提高，最高可达1次/秒。

三、基于北斗短报文的油气井场数据传输系统的构建

基于北斗短报文的井场数据传输系统主要由三部分组成：终端供电系统、北斗数传终端、北斗数据传输系统（图1）。

图1 系统工作原理图

1.终端供电系统

终端供电系统为北斗数传终端提供双电源供电，主电源由井场电源供电，备用电源由太阳能供电。太阳能供电系统由太阳能电池方阵、充放电控制器、蓄电池组构成。普通型北斗数传终端的电源由太阳能供电系统提供，太阳能电池方阵白天把太阳能转换为电能，通过充放电控制器给负载供电的同时也给蓄电池组充电，在无光照时由蓄电池给负载供电。

2.植入召唤命令的北斗数传终端

北斗普通型数传终端，具备北斗三号RDSS位置报告、短报文通信，以及RNSS的北斗B1、GPS_L1单模或双模混合定位功能。终端内部设计集成度高、功耗低，选用低仰角性能较好的多频一体天线，可满足用户在各种极端条件下对北斗通信和位置报告的需求。

由于目前北斗三号卫星导航系统暂时未开放双向通信机制，所以目前北斗三号终端只具备从地面往北斗卫星传输数据的能力，无法接收卫星信号，下行链路无法将上位机（SCADA系统）中的数据召唤命令传输给远程终端控制系统（RTU），无法读取RTU中的传感器数据。因此，技术人员对油气田正在使用的一套IEC104传输协议进行研究，将SCADA系统中数据召唤命令的程序开发并集成到北斗数传终端内，在本地进行数据召唤，然后通过区域短报文通信服务将井场数据回传至油田内网生产系统。此终端具备可拆卸、易安装、小型化、双电保障等特点。

本地数据召唤过程如下：

·主站（北斗终端）启动RTU数据召唤命令；

·从站（RTU终端）以RTU数据召唤确认帧应答；

·从站（RTU终端）生成并向主站发送RTU数据报文；

·从站（RTU终端）向主站发送RTU数据召唤结束报文。

3.北斗数据传输系统

北斗数据传输系统利用北斗数传终端通过北斗卫星导航系统将油气井场数据发送至卫星再回传至地面运控中心，地面运控中心通过专线将数据传输到石化智云服务器。石化智云服务器和油田内网可以在中石化内网进行数据的安全交互，进而完成井场数据回传至油田内网生产系统。北斗数据传输系统支持短报文收发、编解码以及北斗设备管理功能。北斗数据传输系统接收北斗数传终端读取的RTU数据，完成信息存储、丢包重传、组包上报和终端状态管理。

北斗数据传输系统采用分层架构进行设计，总体架构主要包括感知层、传输层、服务层、业务应用层以及信息化标准规范体系和安全防范体系。系统架构如图2所示。

图2 北斗数据传输系统架构图

感知层即数据采集层，位于体系架构的底层，通过RTU终端和北斗数传终端为系统运行提供可用的数据源。

传输层将感知层采集到的数据进行传输。本系统网络传输采用北斗卫星与北斗地面专网相结合的传输方式。

服务层为上层业务应用系统提供数据服务支撑，主要包括数据接收、存储与转发。系统数据服务层接收来自北斗地面总站推送的短报文信息，然后将数据通过网络协议推送到西北局生产系统。

业务应用层面向西北油田井场数据传输业务，提供基于北斗的短报文通信能力，可为其他石油石化业务赋能。系统实行数据丢包补报机制。由于政策原因，平台不能把数据的回传情况以回执的方式实时反馈给井场终端，因此井场终端不能实时了解信息回传的情况，为此设置了一组数据多次重复发送的机制，到达平台后进行数据包比对，组合成完整数据，从而保证数据的完整，避免传输过程数据丢包造成的数据不完整情况。

标准规范体系。系统在遵循国家和行业相关标准的基础上，建立本项目北斗信息化标准规范体系，该体系是项目各系统之间实现互联互通、信息共享和业务协同的基础，是项目设计、实施和维护的重要依据。

安全防护体系。系统严格遵循国家和行业相关安全标准体系，该体系贯彻整个系统体系结构过程。系统基于石化智云搭建，依托总部现有的安全管理基础设施，实现平台的集中日志采集和分析、统一安全运维和运行状态统一监控。

四、应用实践

2021年6月，在中石化西北油田采油四厂某油井进行了“基于北斗的井场数据传输实验”。现场井场数据采集单元为RTU，技术人员通过TCP/IP物理接口连接北斗数传终端。通过内置的数据召唤命令，成功对RTU采集的井场数据进行了召唤。图3为井场安装数传终端现场图。

图3 井场安装数传终端

数据的回传过程遵循北斗短报文数据的传输格式，传输过程不做数据解析。当数据进入企业内网后，按照IEC104协议和《生产指挥系统对外数据接口技术规范》对数据进行解析。

经过井场对数据的召唤，再通过北斗卫星链路回传到集团内网，最终进入油田内网。此次实验成功将数据推送至目标地址。通过分析对比，回传数据全部正确。

五、结论

通过本次研究和实验，验证了基于北斗三号短报文的油气井场数据传输系统的稳定可靠。此系统具有以下特点：1）数据传输过程高效、准确，丢包补报机制确保了数据传输的完整性，保证了数据100%回传；2）北斗三号短报文单次最大可发送14000bit，相当于1000个汉字，通过计算，完全满足目前井场的数据传输需求；3）数据安全有保证，数据传输所使用的卫星链路为保密通道，且数据传输过程不做任何的解析工作，数据一直处于加密状态；4）性价比高，随着北斗三号卫星导航系统的正式开通，北斗导航系统的应用将更加广泛，北斗系统将进入国民生产的方方面面，应用的不断扩大必将催生单品价格不断降低。

此次油气井场数据传输系统链路的打通，不仅为油气井在无公网环境的数据回传提供了可能，也可以解决无公网环境下钻井、录井数据的及时回传，作为一种不受环境影响的通信手段，可以复制到国民生产的多个方面。