石油钻井平台北斗应用方案

石油钻井平台北斗应用

方案

Document number：WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT

（初稿）

一、项目概况

（一）编写依据

1.项目概述

本设计方案针对国内已经开展的深水油气田开发中的平台现场，提供了以北斗卫星导航系统为核心的多网融合现场监测技术，着重解决来看海上钻井平台的自身稳固性监测问题和在外作业人员的安全与现场指挥调度，综合实现了现场监测与预警、船舶作业管理、应急指挥与救援于一体的海上石油钻井平台北斗综合应用系统。

2.现国家及其它地区有关北斗卫星综合应用平台建设指导文件

《中国第二代卫星导航系统重大专项实施方案》，中央军委、国务院，2009年11月

《卫星导航应用产业“十一五”投资指南》，工业和信息化部，2008年10月

《2025年美国国家PNT构架体系发展目标及发展战略》（2011年）

《关于促进卫星应用产业发展的若干意见》（发改高计〔2007〕3057号）

《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020）》（国发

〔2005〕第044号）

（二）项目名称

海上石油钻井平台北斗综合应用系统

（三）建设目标与内容

建成海上石油钻井平台北斗综合应用系统，更好的让北斗服务于石油行业，为“智慧油田”打下坚实基础。

海上石油钻井平台北斗综合应用系统总体架构可以概括为“一个平台、一套标准、三个系统”，即在海上石油钻井平台总控平台的基础框架下，建设监测、指挥和船舶管理三个系统。

海上石油钻井平台北斗综合应用系统是数字油田的一部分，为智慧油田提供综合信息与手段支持。

二、项目建设的背景、必要性

（一）项目建设的背景

卫星导航系统是信息时代国家经济建设的重要支柱，是直接关系到国家安全和经济发展的核心技术与支撑系统，是全球竞争和大国利益的焦点之一。以北斗卫星为主的卫星应用产业是战略性新兴产业，应用领域广阔，并推动传统行业的升级改造、社会智能化水平的提升和政府智能化管理服务水平的提升，不断催生新的产业形态，将对我国石油开采行业发展产生巨大的影响。

1.北斗卫星应用产业处于规模化突起的关键阶段

“中国北斗卫星导航系统”（以下简称“北斗”）是国家十六个重大科技专项之一，按照“北斗”三步走发展战略规划，覆盖亚太地区的“北斗”区域卫星导航系统已经构成并初步形成稳定服务能力。具备定位导航、通讯、授时三大功能，在交通运输、海洋渔业、气象、测绘、地质勘探、减灾救灾、国防等多个领域逐步应用。

近几年，如何改变中国卫星导航产业，尤其是大众产业过度依赖GPS的局面，将北斗产业规模化延拓到民生领域和经济社会活动的方方面面，将是北斗产业发展面临的严峻挑战，也是北斗产业在中国逐步形成市场主导能力和规模化突起的战略时期。

2.“数字油田”的建设为北斗产业发展提供了战略平台

数字油田是全面信息化的油田，即指以信息技术为手段全面实现油田实体和企业的数字化、网络化、智能化和可视化；从狭义角度看，数字油田是一个以数字地球为技术导向、以油田实体为对象、以地理空间坐标为依据、具有多分辨率、海量数据和多种数据融合、可用多媒体和虚拟技术进行多维表达、具有空间化、数字化、网络化、智能化和可视化特征的技术系统。数字油田不仅是技术目标，更是管理目标——油田总体发展战略的一部分。

（二）国家对北斗卫星产业建设的指导思想

1.做好顶层设计

规划数据架构、技术架构、应用架构和标准体系架构，建设基于北斗的石油钻井平台应用系统，使其具有良好的应用可扩展性。制定开放、通用的各信息源接口协议，制定软件二次开发规范，规范各种北斗用户终端的对外接口。

2.提高兼容性

系统要兼容旧设备、旧系统，整合现有的船舶、终端资源和行业系统。终端设备做到北斗/GPS相兼容，数据采集做到与各种格式的相互兼容，数据链路多网融合。系统也要适应各职能部门的分层管理，对各职能部门的职责范围作最小的改动，便于推动系统应用。

（三）项目建设的必要性

1.国家安全战略需求

北斗卫星定位系统对于国防和国家的信息安全角度来说，具有重大战略意义，是国外卫星定位系统所不可替代的。尤其北斗系统所拥有全球其他国家导航系统不具备的双向通信能力。在极端天气和地震等灾害中，北斗系统将比GPS等系统具有更大的优越性。

北斗卫星定位系统的建设和投入使用，担负起保障国家战略安全的角色和作用，打破了国外对关系到国家安全和经济命脉的卫星导航系统的垄断。基于此，国家高度重视北斗卫星应用推广建设，不断加强大科技投入和资金投入，通过“重大专项”、“示范工程”等规划项目，引领国内科技力量加强攻关，并与各地方政府、各行业合作，共同推动北斗卫星产业的大规模市场应用。

2.数字油田信息化发展的需要

以卫星导航技术创新与应用为主要发展方向，是促进数字油田建设的极好抓手，在移动通讯、卫星通讯、物联网技术等支撑下，整合地理信息、基站信

息、无人机信息、3G/4G网络信息、物联网等各类终端信息，信息融合、优化，形成天、空、地一体化的智能化信息管理与服务平台。基于北斗的智能化信息平台的建立，将使智能化信息管理成为现实。

该综合应用系统以北斗卫星应用为切入点，从宏观的角度整合各种信息资源，并形成智能化、开放兼容的应用系统。

（1）实现“智慧油田”建设的现实战略需要

随着全球信息技术的不断发展，企业必须不断提升信息化管理水平，从数字油田向智慧油田发展，是世界石油行业信息技术管理发展的必然趋势。

综上所述，北斗卫星综合应用系统以其开放、共享、兼容、智能的特点，在国内具有较强的前瞻性、实用性和先进性，是“数字油田”规划建设的重要内容，对实现“智慧油田”规划建设目标具有重要支撑意义。

（2）完善安全监管和应急处置建设的需要

海上石油钻井平台北斗应用系统中的应急指挥系统、生产监测系统，为企业提供了信息化管理平台，使实现基于智能信息的现代化管理变成现实，对有效缩短应急反应时间、提高应急救援效率、提高各部门协同行动、提高海上作业及安全生产监管效果具有重要意义。

三、系统建设规划与方案

（一）平台建设的总体方案

1.总体应用架构

总体架构可以概括为“一个平台、一套标准、三个系统”，未来具有可扩展性。

平台是整个项目的核心，是三个系统的技术支撑，用一套标准作支撑。应急指挥系统、现场监测系统和船舶管理系统组成在平台基础上的智能化、可扩展的位置服务网络。其中应急指挥系统对海洋船舶、作业人员进行现场调度与指挥，现场监测系统对钻井平台各监测点目标进行不间断全天候监控，船舶管理系统提供集团所属船舶的综合管理。

系统利用北斗卫星导航系统提供的定位、授时、通信三大功能，综合集成互联网、云计算、移动通信网、AIS（船舶自动识别系统）、GIS（地理信息系统）、海事卫星通信系统、无人机和卫星遥感技术、RFID技术、其他智能传感技术等，实现系统的高度集成。

综合平台具有强大功能，它是石油钻井平台北斗综合应用系统的核心，为分系统应用提供基础数据结构支撑和基础框架应用，功能如下：

?油井工况检测功能：采集油井生产参数，并实现人工/自动

远程控制。

?故障报警功能：停电、停机、回压异常、缺相及电流异常、

抽油机抽空、曲柄销松脱等故障报警。

?形变监测功能：实现对钻井平台整体的稳定性监测，对位

移、倾斜角、压力、温度等监测项不间断采集数据，并依据

设定阀值进行提前预警，防止倾覆等钻井平台的安全事故发

生。

?人员作业监测功能：通过北斗/GPS定位与辅助定位相结合

的技术手段，实现钻井平台在外作业人员的定位与现场指

挥。

?数据通讯功能：油井采用远程数据采集控制器（RTU）与上

位机进行数据通信；中控室采用无线宽带/光缆网络通讯方

式实现联网。

?生产管理及遥控指挥：自动记录巡井时间；与油田局域网数

据共享；可以通过现有局域网络，在网上远端监控生产现场

并进行指挥。

?提升应急处理能力。整合了自动监测、报警于一体的能力，

实现了指挥通讯链路，可以大大提高应急处理能力。

?网络查询功能：通过IE浏览器和视频软件，在网上可随时

浏览各监控画面、实时生产数据、液量计量、工况诊断、优

化设计等结果，查询生产报表及分析结果。

船舶管理功能：实现集团所辖船舶的有效管理、应急救援、信息服务、短报文通信能力。

2.平台总体数据架构

基于北斗综合应用系统数据中心，对通过各种途径采集的数据进行分类管理，经过分析后进行应用。

（1）数据来源：数据从来源可以分为形变信息、工况信息、人员信息、船舶信息等。从类别上可以分为基础信息、业务信息、管理信息三类。其中基础信息是基础，业务信息是使用业务服务的人员对服务的请求，管理信息是基于系统的应用，包括监控、预警处理、决策分析等应用对数据的请求。

（2）数据整合：该层将从多种来源的数据进行整理，去除无用信息、清洗已有数据。并对数据进行分类。

（3）数据分析：对数据根据应用需求进行数据融合、转换和挖掘，得到对不同应用的支撑数据。

（4）数据应用：根据应用需求，将应用分为终端应用服务、应急指挥服务、位置服务等。

3.技术架构

北斗综合应用系统技术架构分为五个层次、三个体系，五层分别为用户访问层、平台层、数据挖掘与分析层、数据共享与交换层和基础设施层，三个体

系包括运营体系、安全体系和标准规范体系，另外，还包括管理制度和系统接口及管理。

平台由通信系统、管理系统及数据交换系统三部分组成，通信系统为后台服务设计，负责接收并处理终端上传的数据，并完成管理系统与终端之间的数据通信。管理系统采用B/S架构，用户无需安装客户端软件，通过操作系统互联网浏览工具即可使用本系统。数据交换系统采用WebService设计满足Internet上统一、开放的标准。

数据分析与挖掘层提供平台的数据存储、数据访问和数据分析、挖掘，包括分布式文件系统、分布式计算架构、分布式数据仓库、分布式数据挖掘和搜索引擎等。

数据交换与共享层通过数据交换平台将不同标准和类型的数据转化为各部门可共享和交换的数据。另外，数据层主要的目的是通过数据关联、数据挖掘、数据活化等技术解决数据割裂、无法共享等问题。数据层包含各部门、各企业的数据中心以及为实现数据共享、数据活化等建立的动态数据中心。

基础设施层包括前端感知系统和基础设备。前端感知系统具有超强的环境感知能力和智能性，通过北斗定位模块、RFID、传感器、物联网等技术实现范围内基础设施、环境、生产、安全等的监测和控制。基础设备包括中心机房建设、服务器、数据库服务器、应用服务器等软硬件环境。

4.标准体系

北斗综合应用系统标准体系架构是标准体系表的结构性架构，主要是在对现有标准、正在制定的标准和行业内的标准需求等进行系统梳理与研究的基础上，确定分类依据，形成条理明确和层次清晰的标准架构。拟制定的开发标准规范如下：

?《北斗综合应用系统分类编码协议》

?《北斗综合应用系统数据交换协议》

?《北斗综合应用系统软件接口规范》

?《北斗综合应用系统软件开发规范》

?《北斗综合应用系统标准化大纲》

?《北斗综合应用系统终端供电及接口规范》

?《北斗综合应用系统终端着色、标识要求》

?《北斗综合应用系统可靠性要求》

?《北斗综合应用系统终端维修性要求》

?《北斗综合应用系统数据中心建设规范》

?《北斗综合应用平系统软件升级及维护要求》

（二）分系统建设内容

1.北斗监测系统

（1）系统架构

利用传感器、射频识别、无线传感器、RTU等设备进行自动采集、存储以及处理油气生产对象的生产数据和安全数据，并对现场生产环境相关信息进行自动采集，最后再将采集过来的所有信息传输实时数据库中，为石油成产提供各项监控，与此同时，通过ESP、控制阀等一些自动化控制设备，实现了石油生产过程自动化建设。通过软件对监测参数的实时在线分析，一旦监控参数超限，系统能够进行声光报警、短信报警、邮件报警，提醒相关人员采取措施，预防事故发生。

遥测站由传感器、遥测终端、通信设备、供电单元组成；中继站或集合转发站由中继机或集合转发终端、通信设备、供电单元组成；中心站由通信设备、通信控制机、中心计算机、网络设备和供电单元组成。

a) 传感器。完成系统需采集的各种参数的传感测量，并将测量值变换成机械或电信号输出。可以是模拟量、开关量、数字量和频率量，也可以是串行数字接口（如RS232C、RS485C、SDI2-12）智能传感器或仪表。

b) 通信设备。系统中数据收发的通信单元。根据现场实际情况综合配置北斗一代、GPS、3G、海事卫星通讯模块，通过内部串行通讯协议综合实现定位、授时、短报文通讯和数据收发。

c) 遥测终端。遥测终端用于完成被测参数的数据采集、存贮和传输控制，通过通信设备与信道完成数据传输，并具有固态存储功能。

d) 中继机及集合转发终端。在超短波系统中，由于有些遥测站与中心站不能直接进行通信，中继机及集合转发终端就是在遥测站与中心站之间建立通信链路，集合转发终端还具有集中处理分发功能。

e) 通信控制机。中心站的通信控制设备，其作用是对包括调制解调器和通信控制接口进行通信设备收发控制并对通信中的信息流程、流向和工作方式进行控制。

f) 中心计算机。中心站控制接收处理设备。向遥测站下达测控命令，接收遥测站的数据并写入数据库。进行数据处理作业，为用户提供查询/发布服务等。

g) 网络设备。在中心站用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成信息传输、接收、共享的数据链路和平台，从而达到资源共享和信息联网的目的。

h) 供电设备。为系统中的设备提供电源。

i) 信道。信息传输的通道，包括无线信道和有线信道。

（2）功能用途

利用BD短报文技术、先进传感技术，实现对生产参数和形变参数的全面感知。可对油井电机的电流、电压、功率、电量及油井温度、回压进行采集和传输，并具有故障自动报警、远程遥控开关井等功能。同时，可通过多种高精度形变传感器实现对平台结构体的形变、位移、倾斜等参数的实时采集与监控，防患于未然。

?自动化监控功能

系统能够实现监测数据自动采集、传输、存储、处理分析及综合预警，并具备在各种气候条件下实现适时监测的能力。

?人员作业监测功能

钻井平台在外作业人员随身携带定制终端，系统自动采集人员位置信息回传监控中心，使指挥管理人员随时掌握在外作业人员的活动范围、轨迹和实时位置，便于安全管理与调度。

?实时回传功能

系统包含的各种监测传感器全天候不间断的采集数据，所有数据将通过通讯链路实时回传至监控中心。

?在线分析功能

安全监测管理分析模块应具备基础资料管理、各项监测内容适时显示发布、图形报表制作、数据分析、综合预警等功能。其中数据分析部分应包括各项监测内容趋势分析、综合过程线分析等内容。

?预报警功能

通过软件对监测参数的实时在线分析，一旦监控参数超限，系统能够进行声光报警、短信报警、邮件报警。提醒相关人员采取措施，预防事故发生。

?权限管理，综合展示功能

根据各级权限（不同级别的帐号可查看各自权限管辖范围内的隐患监测点信息），各级监管部门可以不受时间和地点限制，只要登陆网络，即可实现对监测点的远程督导和检查。在省、市、县地质环境监管部门或用户监管部门控制中心的电子地图上可随时查看各自管辖权限内的所有隐患监测点在线监测信心，各隐患监测点监测信息可在各级控制中心的监控大屏幕上以示意图、图表，曲线、数据等形式展示；系统可同时显示各监测区域实时天气情况及未来几天天气预报，以及监测区域范围大小，监测区域内常住人口数量等信息；

?数据现场汇聚，北斗通信功能

系统可实现现场监测数据汇聚分析结算处理后通过北斗卫星发射无线信号回传监控中心展示。

2.北斗应急指挥系统

（1）系统架构

系统采用最流行的分布式集中监控系统架构，适用于集中监控联网应用。主体采用自上而下的树形架构，与行政结构一致，方便应用部署，可扩展成网状结构：系统可对不同用户分配不同的资源及权限。针对某些用户，可以将其所拥有的系统资源配置成网状结构，让这些用户拥有访问非直接下级资源的权限，从而解决跨区域访问的难题。

（2）功能用途

根据实际需求情况，结合统一建立的北斗通讯链路，以应对突发事故，临时建立通讯，并将现场的音视频等数据实时传输回控制中心，以实现指挥中心与现场的可视通信指挥，以及现场视频监控和调度，确保在突发事件中实现对钻探设施的快速抢修。

?视频监控功能

随着油井生产自动化程度的不断提高和生产工艺的改进，为达到高产高效、安全生产的目的，须对安全生产重要环节、场所的视频监控，可以将各个监控点的图像采集后传输到中心监控室并实时显示在监视器上。通过本系统，地面监控人员能直观的监视和记录井下工作现场的安全生产情况，及时发现各监控点的违章作业情况，防患以未然，为安全生产保驾护航。

?调度目标监控管理功能

通过在调度目标载体上携带北斗定位终端，在系统GIS地图上，可实时提供调度目标的静态位置信息和移动位置信息，实现对所辖人员、车辆、船舶等调度目标的可视化调度与管理。

?应急预案管理功能

建立专家数据库便于同类事故处理办法查阅，根据实际情况和专家经验设置预案。高效应对灾变事故。在事故发生时，可以在GIS平台上直观反映当前危险源影响范围，受灾财产与人员估算。通过应急预警管理功能还可以进行事故模拟演练。

?联动控制预警功能

在该系统中，指挥人员可以实时监控各个重要场所与环节的状态与现场状况，一旦有异常发生，能以声光信号提示，视频锁定异常点监控，在GIS平台上可以明确标定异常点影响范围，人员分布及就近逃生路线，环境参数。方便调度管理人员及时、可靠掌握现场情况。根据异常类型自动产生初步处置方案，可对该方案进行模拟分析。

?基于北斗与GPRS/3G的综合调度功能

监控中心可对所有在外管理人员、工作人员进行远程调度；

?北斗短报文通讯功能

提供现有常用通信方式（手机、有线电话、网络）无法正常工作时，通过配置的手持客户监管终端通过北斗卫星以北斗短报文的通讯方式实现与监控中心之间的实时通信。

3.船舶管理系统

（1）系统架构

（2）功能用途

?船舶位置信息采集

对船舶的位置进行频率为一分钟的监管，通过主动式北斗定位进行定位并向管理平台上报信息。

?多链路通讯

利用北斗短报文、2／３G通讯链路完成直接和船载终端设备、外接应用系统和其他平台进行通信的任务。

?船舶的指挥管理

越界报警：监控中心能对越界船舶告警，防止越界等事件发生。

指挥调度：对所属船舶作业海域、作业时问、作业内容等活动进行统一的指挥调度，特别是在收到船舶遇险求助信号及时协助主管单位搜救。

信息发送：能向船舶定时发送气象、公告等广播信息。

?简易标绘

利用简易的标绘符号，在数字地图中标绘相关船舶行驶要图。可在二维电子地图上进行标号的大小、方向、颜色的调整，可以实现标绘符号的分层管理；可以实现标绘符号的打印输出、图像输出。

?轨迹查看

可以根据北斗模块采集到的所属船舶位置信息，提供行驶航线方便管理人员对船舶行驶路线、航速等情况进行查询管理。

?数字地图服务

利用二维电子地图显示技术，对地理环境进行可视化表达。系统采用动态空间索引机制，根据用户的交互操作（缩小、放大、漫游）自动调度最符合当前显示范围的二维地图，并可实现整个任务区域的无边界漫游。可向船载终端推送地图更新数据包。

?船舶信息数据库

对所管辖船舶的基础信息和相关数据进行管理。系统数据库的船舶档案资料为信息化管理提供了科学管理手段。