北斗卫星导航系统在石油石化行业的应用探索

文 | 徐雷 葛冰儿 敬育嘉 黄途文 张琳 陈露

航天恒星科技有限公司

一、引言

石油天然气等石油化工产品，从其生产到最终销售覆盖开采、运输、炼化、存储、销售等多个环节。此外，由于石油、天然气资源本身易燃易爆的特性，相关企业一般都建设在远离城市的地区。因此，石油石化行业的设备设施具有数量多、分布广、生产环境特殊的特点。作为国民经济的命脉，国家对石油石化企业的安全生产高度重视，石油石化企业对于本身的生产安全也提出了越来越高的要求。2020 年7 月31 日，随着北斗三号全球卫星导航系统服务的正式开通，北斗系统提供的高精度定位导航、短报文、授时等功能被逐步应用于各行各业，石油石化企业也提出了应用北斗卫星导航系统，服务企业人员、车辆安全管控，生产设备定期巡检，偏远地区油气设施数据传输与远程控制等业务，提升企业的安全生产数字化管理水平和应急事件处置能力。

二、行业应用现状及需求分析

1.应用现状

目前，我国石油石化行业在信息化建设中对卫星导航技术已有应用，但大部分设备及软件系统都是基于GPS 系统，通过结合地面移动通信网络，应用于人员、车辆定位，运输车辆导航，勘探测绘等场景，部分提升了相关企业的生产管理水平。

2.存在的问题

虽然GPS 系统在石油石化企业得到了应用，但仍存在以下问题：

1）定位准确度低，与实际位置偏差大，严重时甚至出现过GPS 数据严重失真、无法提供服务的问题。

2）缺乏体系化设计，存在系统重复建设、标准化程度差、不同业务使用不同终端设备等现象。

3）在野外环境下，缺乏通信保障，相关业务场景数据无法实时回传，影响应急事件处置，导致安全生产隐患。

4）随着国际局势的变化，石油石化企业对GPS 系统的信息安全隐患存在较大顾虑。

3.需求分析

针对石油石化行业的卫星导航系统应用现状以及存在的问题，通过与某石油石化企业的管理层、业务部门负责人以及现场作业人员的沟通交流，并对不同人员的需求进行分析，明确了某石油石化企业对系统“兼顾日常生产管理和安全生产管理”的指导原则，并确定具体应用需求如下：

1）提供统一的北斗时空信息服务平台，为企业的各项业务提供统一标准的高精度位置服务、短报文通信服务。

2）提供能够对企业下属人员、车辆进行统一管理的业务系统，实现人员、车辆的基本信息管理，作业任务下发及跟踪执行，绩效考核，异常事件处置，以及应急通信与指挥调度等功能。

3）针对厂区、库区日常巡检等工作场景，能够实现巡检任务事前规划、事中监控、事后评估等功能，能够在巡检过程中采集巡检目标的实时状态，巡检人员在发现问题时能够及时上报，后台技术支持人员能够远程对巡检人员进行技术指导，协助排除问题。

4）能够及时将野外区域的开采设备、油气库、油气管道的工作状态参数传输至企业总部，发现问题能够及时报警并将报警信息发布至相关部门及时进行处置，提高对野外油气设施的管理效率，加强安全生产管控。

5）根据应用场景，为人员、车辆、设备设施配置专用北斗智能终端设备，实现定位、导航、通信、信息采集、突发事件上报、紧急报警等功能，满足相关业务场景的使用要求。

6）针对北斗短报文应用，能够对使用人员、终端设备、通信SIM 卡进行统一管理，实现信息收发管理、计费管理、运维管理等功能。

三、系统设计

航天恒星科技有限公司承担了某石油石化企业的北斗综合应用服务平台建设项目。经方案论证，项目组采用“云、网、端”的架构对平台进行了设计，建设内容包括：统一的北斗基础服务平台，针对业务场景需求开发的人员车辆管理、日常巡检管理和野外油气设施远程监管三个业务系统，以及运行在北斗终端设备上的配套APP 软件。此外，针对用户提出的北斗短报文业务运营需求，在北斗基础服务平台中专门开发了北斗短报文运营服务系统对业务提供支撑。

1.平台设计

北斗基础服务平台采用云结构设计，是整个系统的核心，是业务系统的基础。平台的核心功能由云基础设施、大数据基础服务、北斗基础服务三部分实现（图1）。

图1 北斗基础服务平台架构图

云基础设施主要由计算机、服务器、存储阵列、网络设备等物理设备构成，通过虚拟化、分布式存储等云计算技术，实现资源的虚拟化，形成系统的存储资源池、计算资源池和网络资源池。

大数据基础服务为北斗基础服务、业务系统提供数据支撑，是平台高效运营的关键。大数据基础服务应用数据仓库技术，按照业务专题建立数据库，对终端采集的数据进行分析、治理，实现信息集成共享、资源交换、业务协同等功能。

北斗基础服务应用北斗卫星导航系统提供的高精度定位、短报文服务，为业务系统提供人员、车辆、设施定位，卫星导航，北斗短报文通信等服务，并通过运维管理、计费、系统管理等功能实现北斗短报文服务的运营支撑，满足未来用户的业务拓展、推广应用等需求。

2.业务系统及APP 设计

人员车辆管理、日常巡检管理和野外油气设施远程监管三个业务系统软件均采用微服务架构开发，通过构建一系列低耦合的服务集合实现业务系统的各项功能（图2）。相较于传统的软件开发方法，微服务架构既可以降低开发风险和成本，又可以提高业务系统的整体可用性和性能，还可以简化代码维护难度。

图2 业务系统架构示意图

运行在终端设备上的APP 软件，采用Hybrid APP 的应用开发方式。它结合了Web 应用和原生应用两者优势，通过WebView 组件将HTML、CSS、JavaScript 等Web 技术运行在终端操作系统提供的原生应用容器中，既可以实现对终端底层硬件的访问，又可以通过网络访问运行在北斗基础服务平台上的业务系统软件。Hybrid APP 开发方式可有效解决APP 软件在不同厂家生产的终端上运行的平台兼容性问题，还可以实现APP 功能的快速迭代。

3.北斗短报文运营服务系统设计

北斗短报文运营服务系统可实现北斗短报文通信用户管理、SIM 卡管理、入网管理、通信管理、计费管理、运维管理等功能，满足油气业务的通信需求以及北斗短报文业务的运营服务需求。系统架构及核心业务流程如图3、图4 所示。

图3 短报文服务系统架构

图4 北斗短报文服务核心业务流程图

四、应用效果

北斗综合应用服务平台的建设，使某石油石化企业利用北斗卫星导航系统提供的高精度位置服务、北斗短报文服务，实现了对企业人员、车辆、船舶、采油井、油气库等设备设施的精细化管理。

1.人员安全管控

应用北斗综合应用服务平台，某石油石化企业实现了对作业人员安全的精细化管理。生产管理人员能够随时掌握现场作业人员在厂区内的位置及工作状态。管理人员可对日常工作项、工作区域进行规划，并下发给每一位作业人员，一旦作业人员进行了违规操作或进入了非工作区域，系统都将产生报警信息，提醒管理人员及时出面干预。当现场出现紧急事件时，作业人员也可以主动进行报警，并利用北斗短报文功能及时与管理人员取得联系。此外，系统可根据作业人员的个人信息，定期检查作业人员的上岗资格条件，督促组织对上岗人员及时培训和考核，避免出现不具备上岗条件的作业人员进行现场作业的情况（图5）。

图5 人员安全管控应用

2.车辆安全管控

某石油石化企业拥有很多油气运输车辆，并且每天都有上下游企业的危化品运输车辆进入企业生产区域，如果管理不善将成为巨大的安全隐患。北斗综合应用服务平台的建设，实现了对油气运输车辆、危化品运输车辆的数字化、智能化管理。系统建立了人员、车辆、货物的基础信息数据库，实现了对司机、车辆、货物信息的全面掌握。通过人、车、货、路线等要素的关联匹配，再加上运输车辆上安装的北斗短报文车载终端上报的车辆位置信息，使车辆管理调度人员能够随时掌握每个司机、每辆运输车辆、每辆车的车上货物的状态及位置，确保油、气、危险品、化学品的运输安全（图6）。

图6 车辆安全管控应用

3.日常巡检

石油炼化是石油石化企业将原油转化为石油制品的关键环节，为保证炼化生产活动的正常开展，某石油石化企业下属炼油厂的现场作业人员每天要进行多班次设备设施巡检，巡检对象包括原油储罐等贮藏设施、蒸馏塔等生产装置、管道及阀门等输送设施、生产控制系统以及供电消防等保障设备。在为现场作业人员配发了北斗高精度手持终端后，管理人员可应用日常巡检管理系统规划、下发每日的巡检任务，并可以实时掌握作业人员的巡检路径及任务的执行情况。现场作业人员则可以应用手持终端上集成的摄像头、射频识别（RFID）读取模块等信息采集设备，快速采集巡检对象的状态信息，提高了巡检工作效率。在发现异常时，作业人员也可以及时上报异常情况，及时采取纠正措施进行处置（图7）。

图7 日常巡检应用

4.野外油气设施远程监管

某石油石化企业的部分采油井、储油库、储气库远离城市和乡村，现场没有移动通信网络覆盖，需要生产人员、巡检人员定期开车前往现场检查设备设施上的检查传感器的工作情况，并将相关数据拷贝至移动存储设备上带回，日常管理成本高、效率低，且存在安全隐患。

本项目在野外采油井、储油库、储气库上安装了北斗数传终端，利用串口服务器、Zigbee 网关等设备获取传感器的监测数据，并将数据进行封装打包后，利用数传终端的北斗短报文功能定时回传至北斗综合应用服务平台，实现对野外油气设施的远程监管。另外，根据用户的作业规范，在系统中设定了各个传感器的读数报警阈值，当出现异常数据时产生报警信息并通知相关业务部门及人员及时进行处置，确保了生产管理部门及时、准确获取生产及设备状态数据，提高生产运行管理水平，保证生产安全（图8）。

图8 野外油气设施远程监管应用

五、结束语

本项目的实施，有效提升了某石油石化企业的数字化管理能力，助推企业高质量发展。展望未来，以北斗三号卫星导航系统在石油石化行业的应用为牵引，综合应用卫星遥感、卫星通信等卫星应用技术，服务石油石化行业的油气资源勘探、地质灾害监测、海外油气田建设、海上作业监管、油气管线监测、油气运输安全监管等业务，既能大大促进我国卫星应用产业的快速发展，也对推进石油石化企业的数字化转型，助力相关企业的全球战略，保障国家能源安全，推动国民经济发展有着极为重要的意义。