北斗短报文通信在油田数据传输中的应用与探索

董虎?罗李黎?再开日亚·安尼娃尔?刘振国

摘要：北斗三号短报文通信技术具有终端集成度高、成本低、安装方便、可实现点对多点通信、保密性高等特点，且不受地形、地貌、空间距离的限制，适合油田边远井、预探井、单罐井等位处沙漠腹地、无人值守的应用场景。通过对北斗短报文通信特性的分析，结合油田数据传输要求，总结RTU和LoRa数据采集网关两种应用场景下开展实践测试的情况，验证了北斗通信系统在油田现场进行数据传输的可行性，为类似应用场景提供了参考借鉴。

关键词：北斗卫星；短报文；油田；数据传输

一、前言

油田分布区域广而且地形复杂，特别是许多油田地处沙漠、戈壁等人迹罕至的地区。同时，油气田还存在边远井、预探井、单罐井等部分边远单井，这些单井远离油田主力区块且分布稀疏，一直是各油田生产管理的难题，使用人工对井场进行数据抄录，巡检周期长、工作量大、耗时费力，且不能体现数据的及时性和准确性，用信息化技术进行远程管理是解决这些管理难题的有效方式。但因地理位置偏僻、分散，边远单井往往没有可依托的数据传输网络，不具备数据传输条件，造成远程自动化监控难以实施。因此，想用信息化技术解决管理难题，必须解决数据传输网络问题。

二、油田数据传输概况

随着油田物联网建设的逐步推进，各油田主力区块正逐步实现物联网覆盖。数据传输是油田物联网数据链路的重要组成部分，是数据上传下达的通道，如果数据通道出了问题则难以实现远程自动化监控。目前，已建油田物联网系统数据传输多采用无线网桥、4G等方式，现场采集控制设备基本采用RJ45、RS485等通信接口与传输网络设备连接，从而实现数据远传，数据传输协议主要使用Modbus通信协议。此类数据采集传输方式解决了大部分油气生产现场的数据传输问题。但是在偏远井区、计量站、運输管线，由于地理位置偏僻，传统的光纤、无线网桥、4G网络等无法覆盖或建设成本过高，造成在特定的生产现场无法实现数据的回传。随着北斗卫星短报文技术的发展，使数据传输技术在传统基础上又增加了可选方案，因北斗卫星传输采用天-地通信方式，不受地形、地貌、空间距离的限制，适合油田边远井、预探井、单罐井等位处沙漠腹地、无人值守的应用场景[1]。

三、北斗短报文通信在油田数据传输应用可行性分析

北斗卫星系统已在定位、导航等多领域提供了广泛的服务，因卫星通信具有不受地形、地貌、空间距离的限制，安装方便灵活，可实现点对多点通信，保密性高等特点，非常适合油田偏远井的数据传输。但在实际应用中必须将北斗通信系统的特点与油田数据传输的具体要求相结合才能实现北斗卫星通信服务于油田数据业务。对此，我们进行了初步的可行性分析。

（一）物理接口

油田现场与通信系统的硬件接口多采用RJ45和RS485，数据传输协议多采用Modbus协议，现场设备通信接口已实现数字化。北斗卫星短报文通信本质也是一种数字化通信方式，在物理层面可以灵活配置相应的数据接口，将数据按照北斗短报文要求进行排序及组包，具备油田应用的物理条件[2]。

（二）数据传输能力

利用北斗三号系统的短报文通信服务支持文字、字符、数字传输，并支持569字，7979bit（四级卡）全球通信能力技术，按照油田现场的数据情况计算后可同时并发多组数据量，可将采集上的电参、油压、功图、冲程、冲次、运行状态等参数和状态分4组包（单包<7979bit）上传，经过服务器解析整合后上传数据库，由油田生产监控平台通过Modbus TCP协议访问映射井场的数据。在数据传输能力上可以满足油田应用需求。

（三）数据传输要求

目前油田数据采集周期为3分钟/次，可满足绝大部分生产管理的需要，北斗短报文上传频次可达到1分钟/次，满足油田生产管理需求。北斗卫星三号短报文传输机制有别于RS485、RJ45的实时传输方式，它是一种非实时的传输机制，且会受到终端入站服务频度、终端传输能力、通信等级（汉字长度）的限制[3]。通过以上初步分析可知，以北斗三号通信为基础，对终端设备进行兼容性、适配性研发，在符合北斗三号短报文通信要求的前提下，对数据进行组包和解析完全可以实现油田生产数据的传输。

四、油田现场工作场景测试实践

在上述可行性分析的基础上，基于油田现场的采集环境和要求，根据现油田数据采集设备RTU、LoRa（如图1所示），在油田实际现场有针对性地开展实施北斗数传在多种数据传输链路下的测试工作，测试旨在通过部署北斗数据组包程序，以及安装北斗指挥机和北斗数传终端，实现油井数据的采集封装、卫星传输、解析映射，最后油田平台能够通过Modbus TCP协议的方式访问映射井场的数据，测试油井北斗数传系统软硬件适配性、功能完整性等方面是否可靠。

（一）北斗数传终端与现场设备通信连接的建立

北斗数据采集传输一体化终端（如图2所示）与RTU或LoRa网关采用有线方式（RS485/232）连接，进行数据读取，经发射端数据调制，发送至通信卫星。

终端主要技术指标为：

1.符合油田公司《油气生产物联网系统建设规定》运行规范要求。

2.提供RS232/422接口用于数据交互。

3.支持短报文通信，支持文字、字符、数字传输。

北斗数传终端和油田现场设备硬件连接完成后，通过笔记本电脑或手机端App对连接情况进行了测试，测试结果连接正常，可以进行数据收发（如图3所示）。

（二）数据流

北斗数传终端通过串口Modbus协议访问RTU，获取井场的压力、流量、温度、电压、电流、变频器参数等数据。然后通过北斗链路将数据传送至北斗指挥机。北斗指挥机通过串口/网口将数据透传至服务器端的数据组包程序，在该程序中将井场数据映射至模拟井场。油田平台可通过Modbus TCP协议去访问模拟井场获取实际的采样值[4]。油田平台通过Modbus TCP协议对数据映射关系表进行控制指令下发，数据组包程序收到控制指令后进行组帧通过网口发送至北斗指挥机。指挥机通过北斗链路将控制指令传送至目标井场的北斗数传终端。北斗数传终端通过Modbus协议将控制指令下发至RTU，由RTU执行控制指令（如图4所示）。

（三）北斗数传管理系统部署

1.北斗指挥机

通用型北斗三号短报文、北斗三代通信定位导航终端一体机集成了RDSS（短报文）技术，负责接收各北斗短报文数传终端反馈的采集数据，同时对多终端系统进行统一指挥调度（如图5所示）。

2.北斗解析服务器

负责部署油井北斗数传系统的指挥机数据组包软件和建立油井数据库，对指挥机推送的短报文进行解析和数据映射。

（四）北斗数传测试设备（见表1）

（五）數据接入

基于油田现场的有线采集环境和无线采集环境情况，制定以下2种测试方案：

1.无线采集

井口采用Lora仪表和Lora网关进行数据采集，网关与北斗数传终端用RS232/RS485串口相连，数据交互采用Modbus协议进行，再由北斗数传终端通过北斗短报文方式将采集数据发送到北斗指挥机，由北斗数据解析服务器完成数据组包后，最终将数据经交换机传送至油田平台服务器，数据传输链路如图6所示。

2.有线采集

井口采用有线仪表及RTU进行数据采集，RTU通过网口转串口通信模块与北斗数传终端的RS232/RS485串口相连，数据交互采用Modbus协议进行，再由北斗数传终端通过北斗短报文方式将采集数据发送到北斗指挥机，由北斗数据解析服务器完成数据组包后，最终将数据经交换机传送至油田平台服务器。数据传输链路如图7所示。

（六）数据落地

服务器部署数据组包程序，负责完成数据接收、数据组包处理，同时在服务器端模拟井场数据情况，实现远端实际井场在服务器端的数据映射。油田生产管理平台系统能够通过Modbus TCP协议的方式访问映射井场的数据[5]。

五、推广情况

通过前期北斗数传系统的技术论证及现场实景测试，充分验证北斗短报文通信可以在油田生产中推广应用，特别针对油田沙漠腹地、无人值守油区的边远井、预探井、单罐井生产数据可以实现同步卫星数据传输。

通过北斗卫星的成功实施应用，实现油田偏远地区数据的回传，为企业有质量、有效益的生产提供技术支撑，形成以下效果：

（一）在边远井、单罐井等偏远井区的日常生产管理中，北斗卫星的投用大大减少了员工单井巡检次数，缩减人力薪金费用，达到减员增效目的。

（二）为偏远井区的数据采集提供技术支撑，提升油气田偏远井管理效率，提高油田数字化的覆盖率，为油气田偏远井在无光缆、无运营商网络覆盖条件下实现远程数字化管理提供了新的手段。

（三）单罐生产井液位采集精准预警。利用北斗数传短报文技术，解决了偏远油区单罐生产井数据采集问题，消除数据传输孤岛，避免大罐溢罐、原油偷盗等情况，降低生产环境风险、提升油田本质安全[5]。

六、结语

经过油田前期技术论证及现场测试，北斗数传终端可适配具有RS485/232输出的现场数采网关，使用北斗卫星短报文通信技术完全可以应用于油田数据传输，可实现偏远油井、水井、单罐井等生产数据的回传，有效提高生产效率，保证生产安全。但在油田现场生产应用中，应注意以下问题：一是需注意平台连续下发指令会导致指令排队，北斗指挥机卡频度为60秒，1分钟内只能下发一次指令。二是由于北斗三号短报文系统上传发送数据包有限，如果数据长度多过大，组包过多，会造成数据延迟等一系列问题，所以在实施前，应当仔细评估采集数据量是否会对北斗三号短报文系统造成过大的压力。

参考文献

[1]孙波.北斗卫星通信技术在水文测报数据传输中的应用研究[J].工程技术（全文版），2016（07）：209.

[2]王福龙.浅谈北斗卫星导航系统的应用现状与发展[J].中国科技博览，2013（26）：1.

[3]邓志君，梁松峰.基于RS485接口Modbus协议的PLC与多机通讯[J].微计算机信息，2010，26（08）：107-108.

[4]姚彬.偏远油气井北斗短报文数据传输系统的建构与应用[J].油气田地面工程，2019，38（09）：100-103.

[5]胡海林，刘克岩．基于北斗卫星的油田数据传输系统的研究[C]//中国宇航学会.2013年卫星应用学术交流与研讨会，2013：249-251.

作者单位：新疆油田公司准东采油厂

责任编辑：尚丹