摘　要：北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用兩顆地球同步衛(wèi)星為用戶提

供全天候、區(qū)域性衛(wèi)星定位及短報(bào)文通訊應(yīng)用服務(wù)，非常有利于偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋作業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸和定位。由多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)智能終端、北斗衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星地面接收站和油氣田測(cè)控中心四個(gè)部分組成油氣田SCADA系統(tǒng)。利用其通訊定位功能可擺脫地理、交通、電力的限制，在高危區(qū)傳輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)，能在常規(guī)專網(wǎng)、公網(wǎng)中斷和國(guó)外衛(wèi)星通信掐斷的情況下，或是在突發(fā)地質(zhì)災(zāi)或重大事故時(shí)，確保油氣田生產(chǎn)、運(yùn)輸正常，使國(guó)家公共安全得到保障。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星；SCADA；管道；救援；通信

隨著中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全國(guó)石油消耗量迅速增長(zhǎng)，石油天然氣等能源產(chǎn)業(yè)在國(guó)家經(jīng)濟(jì)中的地位越來越重要。各大型油氣生產(chǎn)企業(yè)均期盼能實(shí)現(xiàn)高效安全生產(chǎn)、數(shù)字化遠(yuǎn)程管理和調(diào)度指揮。但目前國(guó)內(nèi)大部分遠(yuǎn)離居住區(qū)的油氣站場(chǎng)仍采用傳統(tǒng)的定期巡檢方式記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)，油氣管道由于所處的地理環(huán)境復(fù)雜，常受到地質(zhì)災(zāi)害和人為破壞的威脅，更是難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化管理和測(cè)控。隨著油氣站場(chǎng)的增加，管道鋪設(shè)面更廣，對(duì)油氣田原有SCADA系統(tǒng)提出了更高的要求。利用北斗衛(wèi)星通訊定位功能就可擺脫地理、交通、電力的限制，不僅可在高危地區(qū)傳輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)，構(gòu)建油氣田全域SCADA系統(tǒng)，而且能在常規(guī)專網(wǎng)、公網(wǎng)中斷和國(guó)外衛(wèi)星通信掐斷的情況下，或是在突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害或重大事故時(shí)，確保油氣田生產(chǎn)、運(yùn)輸正常，使國(guó)家公共安全得到保障^[1]。

1 北斗定位通信系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星系統(tǒng)，其一代系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為北斗一號(hào)。該系統(tǒng)利用兩顆地球同步衛(wèi)星為用戶提供全天候、區(qū)域性衛(wèi)星定位及短報(bào)文通訊應(yīng)用服務(wù)，非常有利于偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋作業(yè)的數(shù)據(jù)傳輸和定位。各用戶可使用北斗衛(wèi)星接入機(jī)入網(wǎng)，采用民用版本通訊協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)。目前各運(yùn)營(yíng)商為入網(wǎng)用戶提供不同類型和大小的接入機(jī)以及唯一標(biāo)識(shí)機(jī)號(hào)。北斗定位通信系統(tǒng)主要指標(biāo)如下^[2]：定位精度：<10 m；一次成功定位成功率：≥95％；平均通信延時(shí)：<2 s。

2 系統(tǒng)實(shí)施方案

針對(duì)我國(guó)油氣田開發(fā)的實(shí)際需求，利用北斗衛(wèi)星構(gòu)建的SCADA系統(tǒng)主要測(cè)控對(duì)象包括：油氣站場(chǎng)或單井的生產(chǎn)狀況，油氣集輸管道以及閥室的工作狀況，管道周圍山體的活動(dòng)情況，相關(guān)人員、車輛所處位置等。根據(jù)上述測(cè)控對(duì)象的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)智能終端構(gòu)建油氣田SCADA系統(tǒng)，主要包括：站場(chǎng)測(cè)控終端、閥室測(cè)控終端、管道監(jiān)測(cè)終端、山體位移監(jiān)測(cè)終端、車輛終端、人員終端。各終端分別安裝在各測(cè)控點(diǎn)并連接北斗衛(wèi)星接入機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與測(cè)控中心的數(shù)據(jù)傳輸。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)智能終端功能

站場(chǎng)測(cè)控終端安裝在油氣田各集輸站場(chǎng)或單井上，輸入端連接變送器獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，輸出端連接執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)作，通訊端連接北斗衛(wèi)星接入機(jī)。

閥室測(cè)控終端安裝在油氣管道沿線各閥室中，其輸入、輸出端與閥室控制器的輸出、輸入端對(duì)應(yīng)連接，采集和傳輸閥室的工作狀況參數(shù)，修改閥室控制器的控制參數(shù)，通訊端連接北斗衛(wèi)星接入機(jī)。管道監(jiān)測(cè)終端安裝在管道沿線陰極保護(hù)站附近。輸入端與陰極保護(hù)站的輸出線連接，監(jiān)測(cè)陰極保護(hù)電位，并利用北斗接入機(jī)和北斗衛(wèi)星對(duì)管道定位^[3]。通過上述參數(shù)可對(duì)管道的完整性進(jìn)行初步判斷，從而防止重大事故發(fā)生。山體位移監(jiān)測(cè)終端安裝在站場(chǎng)、閥室、油氣管道附近需要對(duì)山體位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)的地區(qū)，該域往往是無市電、農(nóng)電供給的危險(xiǎn)區(qū)域，或者是衛(wèi)星信道受阻區(qū)域。多個(gè)山體位移監(jiān)測(cè)終端采用包括ZIGBEE、自由波等方式連接，構(gòu)成一個(gè)無線通信網(wǎng)，形成監(jiān)測(cè)陣列。網(wǎng)內(nèi)將一個(gè)終端設(shè)為帶北斗衛(wèi)星傳輸功能的主站，其余為從站。從站監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)傳輸給主站后再通過衛(wèi)星遠(yuǎn)傳。該類終端可用太陽(yáng)能供電，以擴(kuò)大系統(tǒng)監(jiān)測(cè)區(qū)域。車輛終端可安裝在移動(dòng)指揮車、救援車、運(yùn)輸車輛上。該終端利用北斗接入機(jī)和北斗衛(wèi)星對(duì)上述車輛定位，并自動(dòng)將定位信息上傳測(cè)控中心服務(wù)器，保證測(cè)控中心人員在發(fā)生油氣泄漏等重大事故時(shí)，能根據(jù)位置信息對(duì)車輛進(jìn)行正確高效的調(diào)度。同時(shí)該終端能在事故地點(diǎn)25公里半徑范圍內(nèi)建立無線數(shù)字語(yǔ)音集群通信網(wǎng)，和人員終端建立無線語(yǔ)音通信連接，保證救援人員之間的語(yǔ)音通話。無線數(shù)字語(yǔ)音集群通信網(wǎng)是指集對(duì)講機(jī)、GSM、CDMA傳輸于一體的智能化數(shù)字語(yǔ)音通信網(wǎng)^[4]。

人員終端一般由救援人員攜帶。在發(fā)生油氣泄漏等重大事故或通信中斷的情況下，救援人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)施救和處理事故，利用該終端實(shí)現(xiàn)在無線數(shù)字語(yǔ)音集群通信網(wǎng)內(nèi)通話，實(shí)現(xiàn)與測(cè)控中心指揮人員的短報(bào)文通信；同時(shí)該終端利用北斗接入機(jī)和北斗衛(wèi)星對(duì)救援人員定位，并且自動(dòng)將定位信息上傳測(cè)控中心服務(wù)器，方便測(cè)控中心指揮人員做出正確的調(diào)度。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)智能終端組網(wǎng)

整個(gè)系統(tǒng)包括北斗衛(wèi)星信道、無線信道和無線數(shù)字語(yǔ)音信道三種信道，適合在山谷、狹長(zhǎng)地域或地理?xiàng)l件復(fù)雜區(qū)域使用，尤其適合數(shù)據(jù)量不大的油氣站場(chǎng)、管道狀況的監(jiān)測(cè)和應(yīng)急救援通信保障。在衛(wèi)星信號(hào)良好的區(qū)域，直接利用北斗衛(wèi)星的短報(bào)文方式與測(cè)控中心傳輸數(shù)據(jù)；在衛(wèi)星信號(hào)受阻或有地質(zhì)危險(xiǎn)的區(qū)域，利用無線信道構(gòu)建無線通信網(wǎng)，再利用北斗衛(wèi)星信道遠(yuǎn)傳；在需要語(yǔ)音通話的場(chǎng)合，利用無線數(shù)字語(yǔ)音信道構(gòu)建語(yǔ)音通信網(wǎng)。

2.3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

由多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)智能終端、北斗衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星地面接收站和油氣田測(cè)控中心四個(gè)部分組成油氣田SCADA系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)智能終端配備具有唯一標(biāo)識(shí)號(hào)的北斗接入機(jī)，通過該接入機(jī)與北斗衛(wèi)星傳輸監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；北斗衛(wèi)星通過衛(wèi)星信道與衛(wèi)星地面接收站傳輸數(shù)據(jù)，地面接收站再將數(shù)據(jù)傳輸給運(yùn)營(yíng)商的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。該數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器向互聯(lián)網(wǎng)提供加密訪問端口，油氣田測(cè)控中心的應(yīng)用服務(wù)器通過互聯(lián)網(wǎng)訪問該加密端口，實(shí)現(xiàn)與運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的連接，再根據(jù)北斗接入機(jī)的標(biāo)識(shí)號(hào)傳輸各現(xiàn)場(chǎng)智能終端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

該SCADA 系統(tǒng)分別于2010 年 12 月、2011 年6～7月在中石油管道公司蘭成渝分公司成都站所轄管線，中石化西南油氣分公司川西采氣廠石板灘輸配氣站、青白江配氣站，石板灘－斑竹園輸氣管線、青白江—大灣輸氣管線等多個(gè)測(cè)試點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行了近兩個(gè)月的性能實(shí)驗(yàn)和試用，測(cè)控中心設(shè)在西南石油大學(xué)油氣田數(shù)字化研究與工程中心內(nèi)，并和其他數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和資料分析可知，該系統(tǒng)不依靠任何通信公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)便能準(zhǔn)確獲取各站場(chǎng)、閥室的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，獲取集輸管道的狀態(tài)信息，替代人工巡線工作；獲取移動(dòng)車輛、人員的位置信息，并能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通話。系統(tǒng)可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，數(shù)據(jù)丟包率<1%，定位精度<10 m，能滿足油氣田及其他相似行業(yè)無人測(cè)控生產(chǎn)、輔助應(yīng)急救援的需要。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王錦，曹謝東，茹黎南，等．北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在國(guó)家能源建設(shè)戰(zhàn)略重點(diǎn)—石油、天然氣田開發(fā)中的應(yīng)用探討[J]．中國(guó)航天，2010（3）：15-18．

[2] 譚述森，竇長(zhǎng)江．論基于北斗的衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用服務(wù)[J]．中國(guó)航天，2008（7）：11-13．

[3] 王慶峰，李躍輝，徐建，等．GPS衛(wèi)星定位技術(shù)在埋地管道腐蝕檢測(cè)中的應(yīng)用[J]．油氣田地面工程，2003，22（12）：32．

[4] 盧瑞峰．DIMETRA數(shù)字集群調(diào)度系統(tǒng)語(yǔ)音功能的研究與開發(fā)[D]．北京：北京交通大學(xué)，2009．

　　 (本文作者：夏文鶴¹茹黎南²　1 西南石油大學(xué)電氣信息學(xué)院　 2 四川省科技交流中心)