北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在石油石化行業(yè)的應(yīng)用探索

文 | 徐雷 葛冰兒 敬育嘉 黃途文 張琳 陳露

航天恒星科技有限公司

一、引言

石油天然氣等石油化工產(chǎn)品，從其生產(chǎn)到最終銷售覆蓋開采、運(yùn)輸、煉化、存儲(chǔ)、銷售等多個(gè)環(huán)節(jié)。此外，由于石油、天然氣資源本身易燃易爆的特性，相關(guān)企業(yè)一般都建設(shè)在遠(yuǎn)離城市的地區(qū)。因此，石油石化行業(yè)的設(shè)備設(shè)施具有數(shù)量多、分布廣、生產(chǎn)環(huán)境特殊的特點(diǎn)。作為國民經(jīng)濟(jì)的命脈，國家對(duì)石油石化企業(yè)的安全生產(chǎn)高度重視，石油石化企業(yè)對(duì)于本身的生產(chǎn)安全也提出了越來越高的要求。2020 年7 月31 日，隨著北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)的正式開通，北斗系統(tǒng)提供的高精度定位導(dǎo)航、短報(bào)文、授時(shí)等功能被逐步應(yīng)用于各行各業(yè)，石油石化企業(yè)也提出了應(yīng)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，服務(wù)企業(yè)人員、車輛安全管控，生產(chǎn)設(shè)備定期巡檢，偏遠(yuǎn)地區(qū)油氣設(shè)施數(shù)據(jù)傳輸與遠(yuǎn)程控制等業(yè)務(wù)，提升企業(yè)的安全生產(chǎn)數(shù)字化管理水平和應(yīng)急事件處置能力。

二、行業(yè)應(yīng)用現(xiàn)狀及需求分析

1.應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，我國石油石化行業(yè)在信息化建設(shè)中對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)已有應(yīng)用，但大部分設(shè)備及軟件系統(tǒng)都是基于GPS 系統(tǒng)，通過結(jié)合地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用于人員、車輛定位，運(yùn)輸車輛導(dǎo)航，勘探測(cè)繪等場(chǎng)景，部分提升了相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)管理水平。

2.存在的問題

雖然GPS 系統(tǒng)在石油石化企業(yè)得到了應(yīng)用，但仍存在以下問題：

1）定位準(zhǔn)確度低，與實(shí)際位置偏差大，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)過GPS 數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真、無法提供服務(wù)的問題。

2）缺乏體系化設(shè)計(jì)，存在系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)化程度差、不同業(yè)務(wù)使用不同終端設(shè)備等現(xiàn)象。

3）在野外環(huán)境下，缺乏通信保障，相關(guān)業(yè)務(wù)場(chǎng)景數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)回傳，影響應(yīng)急事件處置，導(dǎo)致安全生產(chǎn)隱患。

4）隨著國際局勢(shì)的變化，石油石化企業(yè)對(duì)GPS 系統(tǒng)的信息安全隱患存在較大顧慮。

3.需求分析

針對(duì)石油石化行業(yè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀以及存在的問題，通過與某石油石化企業(yè)的管理層、業(yè)務(wù)部門負(fù)責(zé)人以及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的溝通交流，并對(duì)不同人員的需求進(jìn)行分析，明確了某石油石化企業(yè)對(duì)系統(tǒng)“兼顧日常生產(chǎn)管理和安全生產(chǎn)管理”的指導(dǎo)原則，并確定具體應(yīng)用需求如下：

1）提供統(tǒng)一的北斗時(shí)空信息服務(wù)平臺(tái)，為企業(yè)的各項(xiàng)業(yè)務(wù)提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的高精度位置服務(wù)、短報(bào)文通信服務(wù)。

2）提供能夠?qū)ζ髽I(yè)下屬人員、車輛進(jìn)行統(tǒng)一管理的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人員、車輛的基本信息管理，作業(yè)任務(wù)下發(fā)及跟蹤執(zhí)行，績(jī)效考核，異常事件處置，以及應(yīng)急通信與指揮調(diào)度等功能。

3）針對(duì)廠區(qū)、庫區(qū)日常巡檢等工作場(chǎng)景，能夠?qū)崿F(xiàn)巡檢任務(wù)事前規(guī)劃、事中監(jiān)控、事后評(píng)估等功能，能夠在巡檢過程中采集巡檢目標(biāo)的實(shí)時(shí)狀態(tài)，巡檢人員在發(fā)現(xiàn)問題時(shí)能夠及時(shí)上報(bào)，后臺(tái)技術(shù)支持人員能夠遠(yuǎn)程對(duì)巡檢人員進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，協(xié)助排除問題。

4）能夠及時(shí)將野外區(qū)域的開采設(shè)備、油氣庫、油氣管道的工作狀態(tài)參數(shù)傳輸至企業(yè)總部，發(fā)現(xiàn)問題能夠及時(shí)報(bào)警并將報(bào)警信息發(fā)布至相關(guān)部門及時(shí)進(jìn)行處置，提高對(duì)野外油氣設(shè)施的管理效率，加強(qiáng)安全生產(chǎn)管控。

5）根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，為人員、車輛、設(shè)備設(shè)施配置專用北斗智能終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航、通信、信息采集、突發(fā)事件上報(bào)、緊急報(bào)警等功能，滿足相關(guān)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的使用要求。

6）針對(duì)北斗短報(bào)文應(yīng)用，能夠?qū)κ褂萌藛T、終端設(shè)備、通信SIM 卡進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)信息收發(fā)管理、計(jì)費(fèi)管理、運(yùn)維管理等功能。

三、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

航天恒星科技有限公司承擔(dān)了某石油石化企業(yè)的北斗綜合應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目。經(jīng)方案論證，項(xiàng)目組采用“云、網(wǎng)、端”的架構(gòu)對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，建設(shè)內(nèi)容包括：統(tǒng)一的北斗基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)，針對(duì)業(yè)務(wù)場(chǎng)景需求開發(fā)的人員車輛管理、日常巡檢管理和野外油氣設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)管三個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，以及運(yùn)行在北斗終端設(shè)備上的配套APP 軟件。此外，針對(duì)用戶提出的北斗短報(bào)文業(yè)務(wù)運(yùn)營需求，在北斗基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)中專門開發(fā)了北斗短報(bào)文運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)對(duì)業(yè)務(wù)提供支撐。

1.平臺(tái)設(shè)計(jì)

北斗基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)采用云結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是業(yè)務(wù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。平臺(tái)的核心功能由云基礎(chǔ)設(shè)施、大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)服務(wù)、北斗基礎(chǔ)服務(wù)三部分實(shí)現(xiàn)（圖1）。

圖1 北斗基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)圖

云基礎(chǔ)設(shè)施主要由計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、存儲(chǔ)陣列、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等物理設(shè)備構(gòu)成，通過虛擬化、分布式存儲(chǔ)等云計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)資源的虛擬化，形成系統(tǒng)的存儲(chǔ)資源池、計(jì)算資源池和網(wǎng)絡(luò)資源池。

大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)服務(wù)為北斗基礎(chǔ)服務(wù)、業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，是平臺(tái)高效運(yùn)營的關(guān)鍵。大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)服務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)，按照業(yè)務(wù)專題建立數(shù)據(jù)庫，對(duì)終端采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、治理，實(shí)現(xiàn)信息集成共享、資源交換、業(yè)務(wù)協(xié)同等功能。

北斗基礎(chǔ)服務(wù)應(yīng)用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的高精度定位、短報(bào)文服務(wù)，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供人員、車輛、設(shè)施定位，衛(wèi)星導(dǎo)航，北斗短報(bào)文通信等服務(wù)，并通過運(yùn)維管理、計(jì)費(fèi)、系統(tǒng)管理等功能實(shí)現(xiàn)北斗短報(bào)文服務(wù)的運(yùn)營支撐，滿足未來用戶的業(yè)務(wù)拓展、推廣應(yīng)用等需求。

2.業(yè)務(wù)系統(tǒng)及APP 設(shè)計(jì)

人員車輛管理、日常巡檢管理和野外油氣設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)管三個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)軟件均采用微服務(wù)架構(gòu)開發(fā)，通過構(gòu)建一系列低耦合的服務(wù)集合實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能（圖2）。相較于傳統(tǒng)的軟件開發(fā)方法，微服務(wù)架構(gòu)既可以降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)和成本，又可以提高業(yè)務(wù)系統(tǒng)的整體可用性和性能，還可以簡(jiǎn)化代碼維護(hù)難度。

圖2 業(yè)務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

運(yùn)行在終端設(shè)備上的APP 軟件，采用Hybrid APP 的應(yīng)用開發(fā)方式。它結(jié)合了Web 應(yīng)用和原生應(yīng)用兩者優(yōu)勢(shì)，通過WebView 組件將HTML、CSS、JavaScript 等Web 技術(shù)運(yùn)行在終端操作系統(tǒng)提供的原生應(yīng)用容器中，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)終端底層硬件的訪問，又可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問運(yùn)行在北斗基礎(chǔ)服務(wù)平臺(tái)上的業(yè)務(wù)系統(tǒng)軟件。Hybrid APP 開發(fā)方式可有效解決APP 軟件在不同廠家生產(chǎn)的終端上運(yùn)行的平臺(tái)兼容性問題，還可以實(shí)現(xiàn)APP 功能的快速迭代。

3.北斗短報(bào)文運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

北斗短報(bào)文運(yùn)營服務(wù)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)北斗短報(bào)文通信用戶管理、SIM 卡管理、入網(wǎng)管理、通信管理、計(jì)費(fèi)管理、運(yùn)維管理等功能，滿足油氣業(yè)務(wù)的通信需求以及北斗短報(bào)文業(yè)務(wù)的運(yùn)營服務(wù)需求。系統(tǒng)架構(gòu)及核心業(yè)務(wù)流程如圖3、圖4 所示。

圖3 短報(bào)文服務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)

圖4 北斗短報(bào)文服務(wù)核心業(yè)務(wù)流程圖

四、應(yīng)用效果

北斗綜合應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)，使某石油石化企業(yè)利用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供的高精度位置服務(wù)、北斗短報(bào)文服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)人員、車輛、船舶、采油井、油氣庫等設(shè)備設(shè)施的精細(xì)化管理。

1.人員安全管控

應(yīng)用北斗綜合應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，某石油石化企業(yè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)作業(yè)人員安全的精細(xì)化管理。生產(chǎn)管理人員能夠隨時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員在廠區(qū)內(nèi)的位置及工作狀態(tài)。管理人員可對(duì)日常工作項(xiàng)、工作區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃，并下發(fā)給每一位作業(yè)人員，一旦作業(yè)人員進(jìn)行了違規(guī)操作或進(jìn)入了非工作區(qū)域，系統(tǒng)都將產(chǎn)生報(bào)警信息，提醒管理人員及時(shí)出面干預(yù)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)緊急事件時(shí)，作業(yè)人員也可以主動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，并利用北斗短報(bào)文功能及時(shí)與管理人員取得聯(lián)系。此外，系統(tǒng)可根據(jù)作業(yè)人員的個(gè)人信息，定期檢查作業(yè)人員的上崗資格條件，督促組織對(duì)上崗人員及時(shí)培訓(xùn)和考核，避免出現(xiàn)不具備上崗條件的作業(yè)人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的情況（圖5）。

圖5 人員安全管控應(yīng)用

2.車輛安全管控

某石油石化企業(yè)擁有很多油氣運(yùn)輸車輛，并且每天都有上下游企業(yè)的危化品運(yùn)輸車輛進(jìn)入企業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，如果管理不善將成為巨大的安全隱患。北斗綜合應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油氣運(yùn)輸車輛、危化品運(yùn)輸車輛的數(shù)字化、智能化管理。系統(tǒng)建立了人員、車輛、貨物的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)司機(jī)、車輛、貨物信息的全面掌握。通過人、車、貨、路線等要素的關(guān)聯(lián)匹配，再加上運(yùn)輸車輛上安裝的北斗短報(bào)文車載終端上報(bào)的車輛位置信息，使車輛管理調(diào)度人員能夠隨時(shí)掌握每個(gè)司機(jī)、每輛運(yùn)輸車輛、每輛車的車上貨物的狀態(tài)及位置，確保油、氣、危險(xiǎn)品、化學(xué)品的運(yùn)輸安全（圖6）。

圖6 車輛安全管控應(yīng)用

3.日常巡檢

石油煉化是石油石化企業(yè)將原油轉(zhuǎn)化為石油制品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為保證煉化生產(chǎn)活動(dòng)的正常開展，某石油石化企業(yè)下屬煉油廠的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員每天要進(jìn)行多班次設(shè)備設(shè)施巡檢，巡檢對(duì)象包括原油儲(chǔ)罐等貯藏設(shè)施、蒸餾塔等生產(chǎn)裝置、管道及閥門等輸送設(shè)施、生產(chǎn)控制系統(tǒng)以及供電消防等保障設(shè)備。在為現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員配發(fā)了北斗高精度手持終端后，管理人員可應(yīng)用日常巡檢管理系統(tǒng)規(guī)劃、下發(fā)每日的巡檢任務(wù)，并可以實(shí)時(shí)掌握作業(yè)人員的巡檢路徑及任務(wù)的執(zhí)行情況。現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員則可以應(yīng)用手持終端上集成的攝像頭、射頻識(shí)別（RFID）讀取模塊等信息采集設(shè)備，快速采集巡檢對(duì)象的狀態(tài)信息，提高了巡檢工作效率。在發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，作業(yè)人員也可以及時(shí)上報(bào)異常情況，及時(shí)采取糾正措施進(jìn)行處置（圖7）。

圖7 日常巡檢應(yīng)用

4.野外油氣設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)管

某石油石化企業(yè)的部分采油井、儲(chǔ)油庫、儲(chǔ)氣庫遠(yuǎn)離城市和鄉(xiāng)村，現(xiàn)場(chǎng)沒有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋，需要生產(chǎn)人員、巡檢人員定期開車前往現(xiàn)場(chǎng)檢查設(shè)備設(shè)施上的檢查傳感器的工作情況，并將相關(guān)數(shù)據(jù)拷貝至移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備上帶回，日常管理成本高、效率低，且存在安全隱患。

本項(xiàng)目在野外采油井、儲(chǔ)油庫、儲(chǔ)氣庫上安裝了北斗數(shù)傳終端，利用串口服務(wù)器、Zigbee 網(wǎng)關(guān)等設(shè)備獲取傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝打包后，利用數(shù)傳終端的北斗短報(bào)文功能定時(shí)回傳至北斗綜合應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)野外油氣設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)管。另外，根據(jù)用戶的作業(yè)規(guī)范，在系統(tǒng)中設(shè)定了各個(gè)傳感器的讀數(shù)報(bào)警閾值，當(dāng)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信息并通知相關(guān)業(yè)務(wù)部門及人員及時(shí)進(jìn)行處置，確保了生產(chǎn)管理部門及時(shí)、準(zhǔn)確獲取生產(chǎn)及設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，提高生產(chǎn)運(yùn)行管理水平，保證生產(chǎn)安全（圖8）。

圖8 野外油氣設(shè)施遠(yuǎn)程監(jiān)管應(yīng)用

五、結(jié)束語

本項(xiàng)目的實(shí)施，有效提升了某石油石化企業(yè)的數(shù)字化管理能力，助推企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。展望未來，以北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在石油石化行業(yè)的應(yīng)用為牽引，綜合應(yīng)用衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星通信等衛(wèi)星應(yīng)用技術(shù)，服務(wù)石油石化行業(yè)的油氣資源勘探、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、海外油氣田建設(shè)、海上作業(yè)監(jiān)管、油氣管線監(jiān)測(cè)、油氣運(yùn)輸安全監(jiān)管等業(yè)務(wù)，既能大大促進(jìn)我國衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，也對(duì)推進(jìn)石油石化企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，助力相關(guān)企業(yè)的全球戰(zhàn)略，保障國家能源安全，推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著極為重要的意義。