天基物联网在油气行业数字化转型中的应用

佘淑凤，邱庆举，丁 晟

（青岛上合航天科技有限公司，山东 青岛 266300）

0 引言

数字经济的发展是社会演变与科技进步的必然趋势，同时也是国家规划的重要战略之一[1]。对于实体经济行业而言，抓住数字化转型机遇，有助于更好地应对外部风险以及创造新的增长点。作为国家重要战略产业，油气产业链中每一环节都影响着国计民生的方方面面，面对技术革新浪潮与国家战略趋势，传统油气行业的数字化转型迫在眉睫。

物联网技术能将“感知”渗透至油气生产、运输、处理全产业链各个环节，以“数据驱动”实现油气产业的降本增效与智能决策[2]。其中，稳定可靠的数据通信网络至关重要，然而受到地理、气候条件等的限制，油气行业物联网数据在传输过程中会面临网络信号覆盖不全甚至缺失问题。

作为实现全球万物互联的关键一环，天基物联网具备“广覆盖、大容量、全天候”等特点[3]，通过卫星通信在无地面网络覆盖、恶劣天气环境以及跨国家地区等复杂条件下实现可靠稳定的通信连接。因此，天基物联网在油气行业数字化、智能化转型中具有广阔的应用前景与研究价值。

1 油气行业现状及数字化转型必要性

在新冠疫情全球蔓延以及国际政治经济形势跌宕起伏的影响下，国际油市波澜四起。根据《中国油气产业发展分析与展望报告蓝皮书（2019—2020）》分析，2020年间受到疫情影响，国际油气需求萎缩，叠加“价格战”事件影响，国际油价崩盘至负数，创下近30年最大跌幅[4]。国际油气行业动荡局势给产业链中各企业的生存带来巨大挑战与压力，对于企业的创新技术与运营管理机制要求不断提高。油气企业需对外部环境进行快速响应、提高生产效能、降低生产成本、提升核心技能以及具备科学的决策机制来应对生存之战。

数字化转型作为国家重要战略部署，其发展影响各行各业。数字经济已成为国家经济增长的新动能，2019年其对我国国内生产总值的增长的贡献率达到了67.6%[5]。面对国际油市环境波动提出的生存挑战，以及国家战略发展大方向，油气行业数字化转型势在必行。

2 天基物联网特点及应用优势

随着油气时代4.0的到来，数字化油田建设发展如火如荼，物联网技术广泛被应用于油田的全面感知与智能监控方面，国内以中石油为代表的油气企业先后大力部署油田物联网建设，初步实现数据采集自动率95%、实时监控预警100%、劳动生产率提高20%等效益[6]。然而，仍有大量油气作业发生于地面网络无法覆盖的地区（如海洋、沙漠以及部分偏远地区），数据传输链路的不畅通大大增加了企业人力巡检维护成本，使得设备工作效率低、业务管理流程落后等问题突出。这些场景下的油气生产与运输设备的状态监控与数据采集主要受制于网络传输，天基物联网则是解决该问题的关键，以卫星作为通信中继站，能够实现设备与地面监控中心的单向或双向通信。

天基物联网系统组成主要包括空间段、地面端与应用段。在应用端通过卫星物联网终端或网关与卫星建立单向或双向通信连接；空间段由卫星或卫星星座组成，组成星座的卫星之间可通过星间链路实现数据传输；地面段包括接收卫星信号的地球站，地面运控中心可监测控制卫星在轨运行状态，保证数据传输稳定、可靠，数据通过地面专网传输至数据中心，上传至业务运营支撑系统平台，为用户提供数据服务。天基物联网相对地面物联网具有“全球覆盖、全天时、全天候”等优势，能够不受地理位置与气候环境的影响，持续远程监测管理设备，为全球油气数字化转型增添“关键一环”。如图1所示。

图1 天基物联网系统组成示意图

3 天基物联网在油气产业链数字化中的 应用

3.1 油气勘探与开采监测

（1）油井状态监测及设备故障预测。油气企业提高生产效率的重要途径之一，就是保障设备正常运行的最大时长。在传统工作过程中，主要通过工人对油气开采设备各部件定期巡检与视察，以获取设备工作状态。在类似海上钻井平台等工作场景中，这项工作内容将耗费巨大的人力成本支出，且无法保证设备的实时监测与故障速查。因此，油气数字化转型重点策略之一，就是通过在线远程监控和诊断服务，增加设备的正常运行时间来提高生产效率和降低成本。

天基物联网系统能够通过感知层的传感器，采集钻井系统各项关键工作参数，例如，钻柱瞬时扭矩、钻井泵轴承温度、泵冲力、电机电压电流等数据，再通过卫星通信及地面通信融合网络传输至地面数据中心。地面技术人员能够通过分析上报参数数据，持续远程监控钻井平台各系统工作状态。同时结合人工智能算法与油井大数据分析，实现设备故障预测，通过预知故障风险，从而有针对性地检修设备，达到减少宕机时长及维修成本，提高生产效率的目的。

（2）危险报警与紧急情况自动处理。保障生产的安全可靠同样是油气行业重点关注之一，油气资源本身具有易燃烧特性，同时在开采过程中也会产生易燃气体，一旦泄露将引发爆炸导致严重安全事故，具有极大安全隐患。天基物联网系统通过井下传感器装置实时监测油田状态，如发生异常情况则根据预设程序对风险情况进行分级预警，达紧急程度则实现自动切断功能。此外技术人员远程获取报警信息及事故类型后，也能够通过卫星网络实现对设备的远程控制。

3.2 油气运输状态监测

油气管道是油气资源进行大规模、长远距离运输的一种重要工具，因此，对于油气管道运输状态的监测是保障其安全运行的重要基础。要实现对管道任意损坏或泄漏之处做出快速和准确的响应，就需要对油气管道进行远距离、多节点、稳定的实时监测。采用地面光纤监测或蜂窝网络进行监测，存在建设成本高、地理范围覆盖不全、恶劣天气网络稳定性无法保障等问题。天基物联网能够实现全球无缝覆盖，且不受天气与地理环境等影响，保证通信稳定可靠。通过沿管道布设传感器与流量计，采集管道压力、管道腐蚀、流量、管道泄漏等指标，并连接到中心网关进行数据卫星中继传输，技术人员可远程监测管道运输状态。当采集指标数据超过预设阈值时会触发警报，数据中心可依据具体情况进行远程操作，如调整流量阀以保障运输的正常进行。

3.3 相关企业应用示例

（1）INMARSAT。INMARSAT即国际海事卫星组织，是全球移动卫星通信领域的引领者，致力于为全球用户提供随时、随处的卫星网络接入服务。2021年8月，INMARSAT推出面向全球服务的卫星物联网络ELERA IoT，该网络服务范围广泛，涉及农业、工业、能源以及生态环境等多个领域，其中，油气行业被列为重点关注方向之一。INMARSAT提出要为全球数千口油气井和数十万千米油气运输管道提供可靠的卫星网络连接，以实现实时监控和数字化生产过程，在提高企业运营效率同时降低对环境和现场人员的风险。

ELERA IoT关注于提高企业在油气开采及运输过程中的生产效率，其典型应用场景有：一是钻井起升系统监测，通过安装天基物联网终端监测升降机设备运行状态，一旦发现存在安全或环境风险问题，操作人员能够远程关闭升降系统，并且可以使用连续观测数据进行故障分析，及时预测设备维修需求，确保其运行性能最佳。二是油气井口监测，使用天基物联网对油气井口实时监测，可以远程评估生产流量确保井的最佳效率，并且连接多个安全系统，警报和自动关闭设置能够降低事件损害性，保障人身安全。三是管道运输监测，通过大量传感器与流量计进行管道数据采集，并通过天基物联网终端实现数据传输，操作员可以远程确认流量变化点，确定问题发生的区域，以便及时排查故障。

（2）Orbcomm。Orbcomm是美国头部天基物联网商业应用企业，致力为全球客户提供基于低轨卫星的资产管理服务。在车辆运输、物流货运、海洋海事等领域应用广泛，在能源领域的油气方向也有较为完整的解决方案，其典型应用场景包括：一是油气运输车辆监测，通过天基物联网设备监测车辆及驾驶人员状态，如位置、车速、安全带状态等参数，降低发生安全事故风险，保证油气资源完好运输。二是油气设备远程监控，日常监测流量计、压力、温度等参数，远程监控生产井口压缩机以减少宕机时间，确保峰值效率，同时可远程操控阀门，以避免发生油气泄露。三是油气管道监测，通过压力传感器收集现场参数，接收关键警报并测量管道流量，监控管道整流器，以防止腐蚀，减少泄漏，延长设备寿命。

（3）国内相关系统，我国天基物联网发展起步相对较晚，但近年来广阔的发展市场吸引大量企业纷纷布局卫星物联网，大批物联网卫星星座系统正处于规划部署过程中。北斗卫星系统除提供实时定位服务外，还具备短报文功能，使其具备卫星物联网服务能力，但受到通信频次与通信速率的限制，北斗系统在油气领域不适用于对数据传输实时性要求和速率要求较高的场景，可用于日常监测数据的传输，作为长时间序列监测数据的来源。中国电信于2021年11月正式发布天通卫星物联网业务，天通具有高轨卫星网络资源优势，或将在油气领域发挥巨大应用价值。此外，部分民营企业也在大力部署天基物联网方向，并以低轨物联卫星星座的建设为主，建成后将对国内卫星网络资源形成有效补充，构建起“高轨+低轨”的立体天基物联网络，为我国油气行业的数字化提供完整和可靠的网络支撑。

4 技术发展方向及趋势

4.1 边缘计算能力

同整个物联网产业发展趋势一样，边缘计算能力的拓展在天基物联网的发展中同样是制胜关键。传统天基物联网终端将采集到的数据经过卫星网络传送至数据云平台，通过用户远程判断后将指令再次返回终端，这对于类似油气行业安全预警等场景来说延时将会被放大，且对卫星容量以及云端算力均是一定程度上的考验，应提升天基物联网终端的边缘计算能力使其具备对异常数据的快速计算和响应能力，将数据边缘化处理以分担中心节点的负担，并且减轻大量并发数据对卫星容量的压力。可以预见，未来边缘计算服务将成为推进天基物联网发展的重要力量。

4.2 天地网络融合

天基物联网虽然较地面网络具备“广覆盖、全天候”等优势，但地面网络发展的成熟度与普及度远高于卫星网络。因此，天基物联网作为地面网络的有力补充，在适当条件下与地面网络的融合应用能够更充分地发挥两者的优势。例如，在油气管道监测这类多节点接入的场景中，可以采用LoRaWAN网络将节点传感器数据汇集至网关处，再由网关向卫星进行数据发送，这样可以减少卫星物联终端设备部署成本，同时减轻卫星并发连接数据压力。

5 结束语

油气行业数字化转型不仅关乎企业经营效益，同时也是国家战略发展重要内容。天基物联网系统以其“广覆盖、大容量、全天候”的优势，与地面物联网相互弥补，从而全面实现油气生产与运输过程中的数据自动采集、控制与管理，在提高各生产操作单元的自动化水平的同时，使企业具备科学、智能的决策能力。当前，我国天基物联网的商用仍处于初级阶段，在油气领域缺乏相对成熟、完整的解决方案，国内各天基物联网运营商可适当借鉴国外相关系统成熟产品与解决方案，同时结合国内具体情况与需求有所创新，紧跟技术发展趋势，共同推进国内油气行业的数字化转型进程，为油气行业的可持续发展做出贡献。■