基于GSM的钻井工程作业远程自动报警系统设计与开发

张志文

（中国石油长城钻探工程有限公司录井公司）

0 引言

当前，物联网相关技术已经成为勘探开发与油气生产数字化转型过程中非常重要的技术手段，在物联网领域大量远程终端设备借助移动通信网络来实现分布式监控和管理。GSM 作为目前应用非常成熟和完善的一种通信手段，可提供GPRS、语音、短消息等多种业务，其终端具有功耗小、性能稳定、抗干扰能力强且使用灵活方便等优点，以GSM 技术为代表的数据终端在油田勘探开发及油气生产数据采集监控与远程控制等方面都发挥了非常重要的作用。

在钻井工程作业现场，常规情况下钻井作业发生参数异常时，依靠录井仪器工程师及时发现问题并出具异常预报单，然后逐级通知司钻、技术员以及现场监督，因此能否在第一时间发现参数异常是避免钻井事故发生的关键。此外，由于钻井作业项目涉及甲方、钻井、钻井液、钻技服等多家单位，即使录井仪器工程师能够及时发现参数异常，也不能第一时间将异常情况全部通知到各生产相关方，现场异常预报的时效性无法得到有效保证。基于此，经过需求分析与方案论证，以提高钻井、录井等生产作业现场参数异常预警的时效性为出发点，采用基于GSM 技术的SIM 800系列通信芯片设计开发出钻井工程作业自动报警系统，为提升异常预报的实效性起到了积极作用。

SIM 800系列通信芯片作为一款高性能工业级四频段GSM/GPRS 通信模块，在语音、短信、GPRS 数据服务等智能集成和远程监控领域有着广泛的应用。在设计工程作业远程自动报警装置（硬件）的同时，开发了与综合录井DCR 传输软件配套使用的自动报警管理终端（软件），用于在钻井作业参数发生异常的情况下自动将异常情况推送给甲方监督、钻井方、录井方等各类生产管理人员。

该工程作业远程自动报警系统可通过配合现有录井参数采集与监控软件，应用GSM 通信技术，在钻井参数发生异常时自动触发异常报警处置流程，第一时间给提前预设的钻井方负责人员、现场监督以及基地管理人员等发送参数异常报警短报文和拨打异常报警语音电话（TTS语音播报）。此外，对于现场录井监控人员，即使在外巡检时也可通过随身携带的便携式移动终端，及时了解参数异常，从而快速处置，避免钻井事故的发生。

该报警系统硬件设计紧凑，可通过USB 接口或串口随时与录井采集机建立连接，即插即用，同时可根据需要添加多个报警推送用户，既解决了钻井生产作业现场参数异常发现与异常预报及时性的问题，又提升了勘探开发生产管理的信息化水平。

1 系统硬件设计方案

钻井工程作业远程自动报警系统硬件主要为自动报警数据采集器（RTU），该采集器使用性能稳定的SIM 800系列通信模块，采用SMT 封装，基于STE 的单芯方案，采用ARM 926EJ-S 架构，支持GPRS multi-slot class 10/class 8（可选）和GPRS 编码格式CS-1、CS-2、CS-3和CS-4，可以实现低功耗的语音、DTMF、短报文、TTS、GPRS数据传输以及蓝牙等功能。

RTU 的核心功能模块是具备68个贴片焊盘引脚的移动应用物理方案，提供了模块所有的物理硬件接口，SIM 800 系列芯片采用省电技术设计，在SLEEP模式下最低耗流只有1.0 mA，该芯片内嵌TCP/IP协议，扩展的TCP/IP AT 命令方便用户使用和数据传输。RTU 模块的硬件结构[1]主要包括数据通信电路、电源及保护电路、存储器、GSM 基带、GSM 射频、SIM卡电路、天线接口等（图1）。

图1 RTU硬件结构框图

RTU 模块的硬件资源[2]可满足用户的灵活应用，主串口和调试串口可以帮助用户进行调试与二次开发，一路音频接口，包括一个麦克风输入和一个受话器输出及可编程的通用输入输出接口（GPIO）。以上硬件资源配置使采集器功能具有丰富的可选择性，满足未来功能扩展的需要。

RTU 在进行器件PCB 布局设计前就充分考虑了模块的硬件可靠性，根据引脚定义的分布合理布局相关器件及接口，以最优化PCB 布局原则对板子的天线、音频、SIM 卡等硬件布局进行了优化。采集器的系统电源组件采用DC-DC 电源模块供电，电源稳定，支持USB 直接供电，同时带电源引脚，可以控制模块电源，还添加了ESD 静电保护电路，在系统安全和抗干扰等方面做了充分的考虑[3]，有利于最大程度提高系统运行效率。

RTU 使用串口通信的方式和外部连接，外部通过串口发送AT 指令使采集器核心通信模块SIM 800执行命令，实现系统通信检测、收发报警短报文、GPRS、拨打报警语音电话、语音通话等功能。

2 系统软件功能设计

钻井工程作业远程自动报警系统的主要功能首先是配合RTU 实现对硬件设备的管理，包括设备连接与测试、通信状态监测等功能；其次是实现对异常报警的管理，包括报警用户设置、关联井位设置、手自动报警模式设置以及报警方式和异常信息推送等功能；最后是实现对系统报警的综合管理，包括存储器管理、历史报警信息管理与数据统计分析、报警日志以及设备运行状态管理等功能（图2）。

图2 钻井工程作业远程自动报警系统主界面

系统在运行时数据处理计算机和RTU 模块通过串口发送AT指令进行通信，在此之前，需要设置正确的端口号和合适的波特率，然后连接设备，也可以使用USB-TTL 模块[4]配合。设备连接正常后，通过系统自检功能完成检测SIM 卡的网络注册、短信中心号码的查询和设置，以及信号强度的查询。该远程自动报警系统部署在钻井工程作业现场，系统配置GSM高增益吸盘天线，可以使天线延伸到室外，从而保证SIM 卡信号良好。在现场录井mlgplot 监控的同时，一旦工程采集参数出现异常时自动报警预警终端就会按照预先设定启动预警流程。

该系统主要通过WITS 协议和DCR 传输软件进行通信[5]，也可根据需要配置第三方工程参数监测软件。软件终端获取异常报警数据后会按照预先设定的流程执行预警预报指令，比如自动触发并发送AT指令控制SIM 800 系列通信模块拨打语音报警电话和发送报警短报文。系统可将GSM 通信过程中的一些重要信息按照用户需要进行管理与分析，报警过程中会将实时预警状态信息集中显示出来，语音和短报文报警完成后，自动将报警相关数据及时存储到后台log_message数据库中，以备查询（图3）。

图3 钻井工程作业远程自动报警系统业务流程

2.1 系统预警目标用户设置

为了满足用户灵活多样的使用需求，该系统在目标预警用户管理上提供了多种管理策略。在用户分类上除传统录井监控需要外，增加了钻井方用户、甲方用户以及工程相关方用户。在预警权限方面，设置优先预警权限，在首次出现预警失败的情况下，可以对二次预警方式进行选择，同时对终止预警处置方式给出了选择条件。此外，系统提供了多种预警方式，可以单项预警，也可以组合预警，并且能够自由设置不同类型的预警用户，从而为系统提供了更加丰富的功能，以满足不同用户个性化的需要。

2.2 报警信息汇总统计与分析

工程作业异常预警信息的历史跟踪对改善工程作业质量和提高异常预报效率有着非常重要的作用，系统在实现异常预警的基础上，可对历史预警信息进行自动汇总，并按照用户需要进行统计分析。通过后台历史报警监控可查询任意时段报警的次数，在该时段可自动统计各类报警的频次，同时系统可提供数据表和图形两种类型的展示方式，使统计分析结果更加直观，便于查询分析。

2.3 设备运行状况监控与分析

设备运行状况的监控是完成对该远程自动报警系统运行状况的自动监控，实现对设备预警成功、失败以及失败原因等各种状态的统计记录和历史回溯。系统可记录某时间段内异常预警的状态信息，包括时间、预警目标、短报文是否发送成功、语音预警是否拨打成功，拨打失败并记录失败原因等。

系统可根据设备预警记录自动统计某个时间段内预警成功事件以及各类预警失败事件的频次，比如某个月预警过程中用户关机次数、占线次数、拒绝接听次数以及设备连接失败次数等。此外，针对每个具体的事件可以分析各类型用户数量，比如某月系统正常报警100 次，系统可自动分析100 次报警中录井用户、钻井用户、甲方用户以及其他相关方用户报警数量的构成比例，方便管理人员实现对历史报警的追溯。设备运行状况的自动监控与分析对保障工程作业安全监督与检查能够起到非常关键的作用。

3 软件开发与业务流程

由于该工程作业远程自动报警系统运行于Windows 平台之上，采用客户端形式进行安装部署，系统软件采用.NET framework 框架，编程语言选用简单、现代、面向对象的C#语言，利于方便快速开发，且易于维护。

3.1 系统软件设计

钻井工程作业远程自动报警系统软件的关键是控制SIM 800系列模块通信过程中要合理利用延时来准确地监控预警短报文发送和预警语音电话拨打过程中成功和失败的各种状态。同时由于在拨打语音电话过程中系统会严重占用CPU资源，可能导致软件界面出现假死现象，所以编程过程中引入了多线程来解决该问题[5]（图4）。

图4 系统软件运行流程

3.2 预警业务流程

远程自动报警系统在预警信息获取、预警信息加载与传输的基础上，最重要的是实现预警短报文和预警语音电话的自动触发和有序推送。系统借助AT指令，通过软件业务流程的合理分配，顺利实现了预警短报文和预警语音电话的触发、推送和资源释放。

3.2.1 预警短报文发送

AT 指令是应用于终端设备与PC 应用之间的连接与通信指令[6]，它提供了一种移动平台与数据终端设备之间的通用接口。通过发送AT指令控制数据终端与GSM 网络业务进行交互，用户通过AT 指令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、传真等方面的控制。

AT 指令收发短报文主要有两种模式[7]：Text 模式和PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）模式。使用Text 模式收发短报文代码简单，很容易实现，最大缺点是不支持中文短报文。PDU 模式不仅能发送中文短报文，也能发送英文短报文，PDU 模式收发短报文有3种编码可用：7-bit、8-bit和UCS 2编码。7-bit编码用于发送普通的ASCII 字符，即英文短报文，最多可发送160字符；8-bit编码通常用于发送数据消息；

UCS 2编码用于发送Unicode字符，可发送中文字符，最多发送70个字符。对照规范，SMSC为短消息业务中心地址，PID 为协议识别，DCS 为数据编码，UDL为用户数据长度，UD 为用户数据，VP 为有效时间，MR指令是发出信息。

3.2.2 预警语音电话拨打

拨打预警语音电话需要使用的AT 指令为ATD，拨打方式比较简单，但是重点需要AT+CLCC 指令来查询呼叫列表，从而不停地接收预警电话拨打过程中的通话状态，包括：电话拨打成功、对方未接听电话、对方网络异常、关机、对方占线、系统错误等情况。同时，在预警电话接通后，SIM 800系列模块通过其自带的TTS 语音播报功能，可以将异常信息以语音的形式播放，从而提高了系统的人机交互性。

4 测试情况

为了检验钻井工程作业远程自动报警系统是否满足设计要求，在完成系统软硬件的开发后，项目首先在实验条件下搭建了系统的软硬件测试环境，分别对系统的硬件部分和软件部分进行了模拟测试，并且完成了系统的软硬件联调联试。

硬件性能测试：在主板休眠、空闲、通话、待机以及数据传输等不同状态下进行了多频段信号自动搜索验证实验，同时在回音消除和噪声抑制以及抗干扰方面进行了测试。在模拟复杂环境条件下，给装置输入多种不同类型的指令信号，输出信号都能保证电平的有效性，进而可确保硬件系统在不同生产现场环境下运行的稳定性和可靠性。

软件功能及系统联调测试：从DCR 接收到异常预警信息后，软件系统会按照提前制定好的预警规则触发报警。在执行报警流程过程中，通过串口工具截取数据流发现，在语音报警电话拨打前，系统会通过“AT+COLP”指令进行线路连接确认。短报文的系统测试与此类似，都可通过系统返回指令等信息反映软硬件设计的可行性，最后通过被叫用户预警信息的接收情况来验证系统软件以及整个系统报警的准确性和响应的及时性。

5 结束语

钻井工程作业远程自动报警系统的设计与开发为传统录井异常预报提供了一种辅助手段，为钻井工程作业的信息化管理水平提升提供了一个可以借鉴的思路。系统可以最大程度地帮助作业现场钻井、录井、钻井液等不同业务单位的用户提高对钻井异常状况的感知速度，同时也在一定程度上有助于减轻现场监控与后台跟踪管理人员的工作强度，从而为保障钻井安全和提升钻井作业效率提供帮助。