基于北斗卫星定位及通信的录井设备定位跟踪系统

孙 源 荆文明 倪朋勃 沈文建 周嵩楷

(①中法渤海地质服务有限公司；②中石化中原油田普光分公司采气厂)

0 引 言

随着国家能源“七年行动计划”的实施，中法渤海地质服务有限公司录井作业量持续上升。由于录井作业地点较为分散，且录井设备需根据作业地点的变化不断进行调整，录井作业管理以电话、邮件等方式为主进行沟通，不能实时查询，沟通效率低，并且作业量激增与管理人员缺乏的矛盾突显。如何在保障信息安全的前提下实时掌握设备信息，实现录井设备动态跟踪管理，对中法渤海地质服务有限公司进一步实现“提质增效”十分重要。

我国人工智能、大数据、云计算、北斗定位导航、三维仿真等技术已越来越成熟。其中，北斗卫星导航系统(以下简称北斗系统)是我国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，可为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。从信息安全、业务需求两方面出发，有必要结合北斗定位导航技术研发设备定位跟踪管理系统。通过基于北斗全球卫星定位及通信的录井设备定位跟踪系统的设计研究，可实现设备位置信息的自动采集和上报，及时掌握设备分布及设备调度轨迹。同时，将设备位置信息与设备业务信息进行关联，可为设备的调度分配提供决策依据，为海洋石油录井作业管理提供高效的技术支撑。

1 北斗系统简介

1.1 北斗系统工作原理

“北斗”是我国独立自主设计、建设的卫星导航系统[1]，也是联合国有关机构认定的全球卫星导航定位四大核心供应商之一。按照“先区域，后全球”的总体建设规划，我国在2003年正式开通北斗卫星导航试验系统即北斗一代，成为继GPS、GLONASS之后，能够独立提供服务的三大卫星导航系统之一。

北斗一号系统采用三球交会测量原理进行定位，地面控制中心根据用户设备主动发送的定位申请信号，结合大地高程数据解算出用户所在位置的坐标。北斗二号系统定位将采用多颗卫星组成卫星阵列，用户设备根据接收到的4颗以上卫星的星历数据解算出所在位置的坐标，实现无源定位。

1.2 北斗系统组成

北斗卫星导航定位系统由导航通信卫星、地面控制中心和用户终端三部分组成[2]。导航通信卫星主要执行地面控制中心和用户终端间信号传递的中继服务；地面控制中心主要负责信号的发送、接收、信息处理以及整个系统的监控管理；用户终端是用户使用的设备，用于接收地面控制中心经卫星转发的出站信号以及经卫星向地面控制中心转发服务申请。

1.3 北斗系统功能

北斗卫星导航定位系统具有快速定位、简短数字报文通信和精密授时三大主要功能[3]。快速定位功能可确定用户地理位置，为用户提供定位导航服务；报文通信功能可为用户之间提供双向数字报文通信服务，电文最长可达120个汉字；精密授时功能可根据不同的精度需求，为用户提供单向和双向两种授时功能，供用户进行时间同步。

2 录井设备定位跟踪系统研究

2.1 系统整体架构设计

系统整体设计分为硬件和软件两部分。硬件部分实现设备定位及位置信息的上报；软件部分实现设备位置数据的接收、存储，设备信息的管理，以及设备分布和设备轨迹分布的GIS管理。整体架构[4]分为基础层、数据层、服务层及应用层四部分，如图1所示。

图1 系统整体架构设计

基础层：为整个系统提供基础支撑，包括网络和相关硬件支撑。网络主要有基础网络(局域网、互联网)、北斗卫星网(用于设备定位和通信服务)、物联网；北斗设备主要有北斗指挥机、北斗设备定位终端。

数据层：主要为数据存储和数据查询访问服务提供支撑，包括设备数据、空间数据(区域数据、设备位置数据、设备轨迹数据等)、业务数据等。

服务层：为系统独立出来的各个服务模块，包括数据服务(数据的采集、访问、清洗、展现、中转、调度、存储和备份)、地理信息系统服务、通信服务以及调度服务。

应用层：主要是提供面向用户的各种管理应用，包括系统管理(角色管理、菜单管理、用户管理、数据展现)、数据采集管理(北斗卡管理、定位终端管理、北斗定位终端管理、设备房定位终端管理、终端数据接入管理)、设备管控(设备分布管理、设备轨迹管理)。

2.2 系统功能设计

基于系统整体架构设计，系统功能结构[5]主要包括系统管理、数据采集管理和设备管控三大功能模块(图2)，各功能模块设计说明如下。

图2 系统功能结构

2.2.1 系统管理功能模块

系统管理功能模块主要包括系统权限管理和系统日志管理。系统权限管理通过角色、菜单、用户的管理实现对系统的安全性管理，对不同的用户分配不同的权限，来控制用户对系统的访问权限；系统日志管理对用户登录系统和操作系统的日志进行记录，可为用户登录和操作系统的行为进行分析，为系统的安全性管理提供基础记录数据。

2.2.2 数据采集管理功能模块

数据采集管理功能模块通过北斗相关定位设备的管理、设备房的管理、定位终端数据的接入管理，实现数据采集的综合管理。系统分别通过北斗卡管理、定位终端管理和北斗定位终端管理实现定位设备基本信息的维护管理功能，通过设备房定位终端管理实现定位设备与设备房的关系绑定管理，获取设备的位置就可以获取到设备房的位置。终端数据接入管理提供统一的查询界面，可以快速查找定位设备及设备房的位置信息及位置信息上报时间。

2.2.3 设备管控功能模块

设备管控功能模块通过设备的分布管理和设备轨迹管理，实现对设备的管控。基于开源地图引擎，通过符号化的方式，对设备的位置进行标注。实现了设备的聚合显示，当设备的分布比较密集时，会以聚合的显示方式显示该处有多少个设备，当点击此处时会以列表形式显示该处的设备名称，点击单个设备会显示该设备的详细信息。系统会根据设备的定位历史记录形成设备的活动轨迹。可以通过设备名称进行检索快速定位到设备，也可设置时间条件，检索不同时间段设备的活动轨迹，系统会以地图引擎为基础，在地图上绘制出设备的活动轨迹，直观展示设备的轨迹情况。

2.3 系统流程设计

根据系统功能的需要，系统流程分为设备房位置分布显示流程和设备房轨迹分布显示流程两部分。

设备房位置分布显示流程如图3所示。通过设备房定位终端接收卫星信号计算自身的位置信息，经由集成的短报文通信模块将北斗短报文经北斗通信卫星传输，由地面的北斗指挥机接收，位置服务器收到北斗指挥机上报的北斗短报文信息后对其进行解析，解析完成后得到设备房的位置信息，位置服务器对解析后的数据进行加密，同时将加密后的数据以Socket方式推送到客户端，由客户端对数据解密后在系统中显示，另外将加密的数据写入存储服务器进行存储。

图3 设备房位置分布显示流程

设备房轨迹分布显示流程如图4所示。通过客户端输入设备和时间段查询条件，经应用服务器从存储服务器获取指定录井设备的位置数据，再经应用服务器计算设备的位置数据后得到设备的轨迹数据，并将计算得出的轨迹数据返回给客户端，客户端对设备轨迹数据进行绘制显示。

图4 设备房轨迹分布显示流程

2.4 系统硬件设计

2.4.1 系统网络拓扑设计

硬件系统由北斗设备房定位终端、北斗卫星、北斗指挥机、数据中心及客户端五大部分构成，其系统网络拓扑[6]如图5所示。在设备房上安装北斗定位终端，北斗定位终端通过接收北斗卫星信息计算自身的位置，再通过内置的北斗短报文模块将位置信息经由卫星发射到陆地北斗指挥机接收。北斗指挥机接收北斗定位终端传回的位置信息，进行位置信息计算处理，并将计算获取的位置数据存入系统数据库，同时通知前端显示系统及时更新设备的显示位置。

图5 系统网络拓扑图

2.4.2 设备房定位终端

设备房定位终端是基于北斗卫星通信/定位系统，针对设备房运输、转运过程中位置监控的需求进行设计的。通过在设备上安装设备房定位终端，将设备定位终端与设备房绑定，实时掌握设备房的分布及运动轨迹。

考虑防爆要求的场景，设备房定位终端采用天线(图6)与主机(图7)分体设计的方式。天线采用无源天线，无需供电，采用磁吸或者法兰盘的方式装在设备房外部。主机采用型材的外壳结构，电路板、电池等安装在型材内部，型材前后面板预留接口，连接天线和电源等。

图6 天线外观设计

图7 主机外观设计

2.4.3 北斗指挥机

北斗指挥机(北斗指挥型用户机)是为了便于集团组网、调度指挥而设计的特种用户机，最多可以管理2000个下属用户。其除了具有普通型用户机的所有功能外，还可以同时监控接收其下辖用户机的定位和通信信息，并可向所辖用户机发送通播指挥信息。

系统采用北斗指挥型用户机统一接收设备房定位终端上报的位置信息，经系统按指定的协议对上报信息进行解析存储在系统数据库中。北斗指挥型用户机的组成如图8所示。

图8 北斗指挥型用户机组成

3 应用效果

基于北斗全球卫星定位及通信的录井设备定位跟踪系统已在天津塘沽、上海、广东深圳、广东湛江四个地区共计40套设备房进行了安装和成功应用，实现了设备房位置数据定时采集，并传输到后方基地服务器，使作业管理者能够实时跟踪设备房的位置，进行设备房的分布管理和轨迹跟踪。该设备跟踪定位系统运行后，可以实时跟踪设备房的位置，及时掌握设备房的分布情况，设备定位分布应用效果如图9所示。

经过4个多月的运行跟踪，40套设备共采集设备房位置记录91051条， 对设备的历史定位记录进行空间数据处理，形成了设备历史轨迹记录(图10)，藉此可对设备的历史运行情况进行跟踪和分析，实现了设备的全生命周期跟踪管理。

图9 设备房定位分布效果

图10 设备历史轨迹记录

4 结束语

基于北斗定位导航技术、大数据技术，通过系统的研究与设计，实现了设备房位置数据的自动采集、传输、存储及显示，为设备的数字化管理和规范化管理打下了坚实的基础。

系统基于采集的设备位置数据，实现设备分布和轨迹分布的自动化管理，为设备的全生命周期管理提供技术支撑手段和管理平台，为设备的整体调度分配提供决策依据。