佘淑鳳，邱慶舉，丁 晟

（青島上合航天科技有限公司，山東 青島 266300）

0 引言

數(shù)字經(jīng)濟(jì)的發(fā)展是社會演變與科技進(jìn)步的必然趨勢，同時也是國家規(guī)劃的重要戰(zhàn)略之一[1]。對于實體經(jīng)濟(jì)行業(yè)而言，抓住數(shù)字化轉(zhuǎn)型機(jī)遇，有助于更好地應(yīng)對外部風(fēng)險以及創(chuàng)造新的增長點。作為國家重要戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，油氣產(chǎn)業(yè)鏈中每一環(huán)節(jié)都影響著國計民生的方方面面，面對技術(shù)革新浪潮與國家戰(zhàn)略趨勢，傳統(tǒng)油氣行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型迫在眉睫。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能將“感知”滲透至油氣生產(chǎn)、運(yùn)輸、處理全產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)，以“數(shù)據(jù)驅(qū)動”實現(xiàn)油氣產(chǎn)業(yè)的降本增效與智能決策[2]。其中，穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，然而受到地理、氣候條件等的限制，油氣行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)在傳輸過程中會面臨網(wǎng)絡(luò)信號覆蓋不全甚至缺失問題。

作為實現(xiàn)全球萬物互聯(lián)的關(guān)鍵一環(huán)，天基物聯(lián)網(wǎng)具備“廣覆蓋、大容量、全天候”等特點[3]，通過衛(wèi)星通信在無地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋、惡劣天氣環(huán)境以及跨國家地區(qū)等復(fù)雜條件下實現(xiàn)可靠穩(wěn)定的通信連接。因此，天基物聯(lián)網(wǎng)在油氣行業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型中具有廣闊的應(yīng)用前景與研究價值。

1 油氣行業(yè)現(xiàn)狀及數(shù)字化轉(zhuǎn)型必要性

在新冠疫情全球蔓延以及國際政治經(jīng)濟(jì)形勢跌宕起伏的影響下，國際油市波瀾四起。根據(jù)《中國油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展分析與展望報告藍(lán)皮書（2019—2020）》分析，2020年間受到疫情影響，國際油氣需求萎縮，疊加“價格戰(zhàn)”事件影響，國際油價崩盤至負(fù)數(shù)，創(chuàng)下近30年最大跌幅[4]。國際油氣行業(yè)動蕩局勢給產(chǎn)業(yè)鏈中各企業(yè)的生存帶來巨大挑戰(zhàn)與壓力，對于企業(yè)的創(chuàng)新技術(shù)與運(yùn)營管理機(jī)制要求不斷提高。油氣企業(yè)需對外部環(huán)境進(jìn)行快速響應(yīng)、提高生產(chǎn)效能、降低生產(chǎn)成本、提升核心技能以及具備科學(xué)的決策機(jī)制來應(yīng)對生存之戰(zhàn)。

數(shù)字化轉(zhuǎn)型作為國家重要戰(zhàn)略部署，其發(fā)展影響各行各業(yè)。數(shù)字經(jīng)濟(jì)已成為國家經(jīng)濟(jì)增長的新動能，2019年其對我國國內(nèi)生產(chǎn)總值的增長的貢獻(xiàn)率達(dá)到了67.6%[5]。面對國際油市環(huán)境波動提出的生存挑戰(zhàn)，以及國家戰(zhàn)略發(fā)展大方向，油氣行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型勢在必行。

2 天基物聯(lián)網(wǎng)特點及應(yīng)用優(yōu)勢

隨著油氣時代4.0的到來，數(shù)字化油田建設(shè)發(fā)展如火如荼，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)廣泛被應(yīng)用于油田的全面感知與智能監(jiān)控方面，國內(nèi)以中石油為代表的油氣企業(yè)先后大力部署油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，初步實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集自動率95%、實時監(jiān)控預(yù)警100%、勞動生產(chǎn)率提高20%等效益[6]。然而，仍有大量油氣作業(yè)發(fā)生于地面網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋的地區(qū)（如海洋、沙漠以及部分偏遠(yuǎn)地區(qū)），數(shù)據(jù)傳輸鏈路的不暢通大大增加了企業(yè)人力巡檢維護(hù)成本，使得設(shè)備工作效率低、業(yè)務(wù)管理流程落后等問題突出。這些場景下的油氣生產(chǎn)與運(yùn)輸設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集主要受制于網(wǎng)絡(luò)傳輸，天基物聯(lián)網(wǎng)則是解決該問題的關(guān)鍵，以衛(wèi)星作為通信中繼站，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備與地面監(jiān)控中心的單向或雙向通信。

天基物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成主要包括空間段、地面端與應(yīng)用段。在應(yīng)用端通過衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)終端或網(wǎng)關(guān)與衛(wèi)星建立單向或雙向通信連接；空間段由衛(wèi)星或衛(wèi)星星座組成，組成星座的衛(wèi)星之間可通過星間鏈路實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；地面段包括接收衛(wèi)星信號的地球站，地面運(yùn)控中心可監(jiān)測控制衛(wèi)星在軌運(yùn)行狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠，數(shù)據(jù)通過地面專網(wǎng)傳輸至數(shù)據(jù)中心，上傳至業(yè)務(wù)運(yùn)營支撐系統(tǒng)平臺，為用戶提供數(shù)據(jù)服務(wù)。天基物聯(lián)網(wǎng)相對地面物聯(lián)網(wǎng)具有“全球覆蓋、全天時、全天候”等優(yōu)勢，能夠不受地理位置與氣候環(huán)境的影響，持續(xù)遠(yuǎn)程監(jiān)測管理設(shè)備，為全球油氣數(shù)字化轉(zhuǎn)型增添“關(guān)鍵一環(huán)”。如圖1所示。

圖1 天基物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成示意圖

3 天基物聯(lián)網(wǎng)在油氣產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字化中的 應(yīng)用

3.1 油氣勘探與開采監(jiān)測

（1）油井狀態(tài)監(jiān)測及設(shè)備故障預(yù)測。油氣企業(yè)提高生產(chǎn)效率的重要途徑之一，就是保障設(shè)備正常運(yùn)行的最大時長。在傳統(tǒng)工作過程中，主要通過工人對油氣開采設(shè)備各部件定期巡檢與視察，以獲取設(shè)備工作狀態(tài)。在類似海上鉆井平臺等工作場景中，這項工作內(nèi)容將耗費巨大的人力成本支出，且無法保證設(shè)備的實時監(jiān)測與故障速查。因此，油氣數(shù)字化轉(zhuǎn)型重點策略之一，就是通過在線遠(yuǎn)程監(jiān)控和診斷服務(wù)，增加設(shè)備的正常運(yùn)行時間來提高生產(chǎn)效率和降低成本。

天基物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠通過感知層的傳感器，采集鉆井系統(tǒng)各項關(guān)鍵工作參數(shù)，例如，鉆柱瞬時扭矩、鉆井泵軸承溫度、泵沖力、電機(jī)電壓電流等數(shù)據(jù)，再通過衛(wèi)星通信及地面通信融合網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面數(shù)據(jù)中心。地面技術(shù)人員能夠通過分析上報參數(shù)數(shù)據(jù)，持續(xù)遠(yuǎn)程監(jiān)控鉆井平臺各系統(tǒng)工作狀態(tài)。同時結(jié)合人工智能算法與油井大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)設(shè)備故障預(yù)測，通過預(yù)知故障風(fēng)險，從而有針對性地檢修設(shè)備，達(dá)到減少宕機(jī)時長及維修成本，提高生產(chǎn)效率的目的。

（2）危險報警與緊急情況自動處理。保障生產(chǎn)的安全可靠同樣是油氣行業(yè)重點關(guān)注之一，油氣資源本身具有易燃燒特性，同時在開采過程中也會產(chǎn)生易燃?xì)怏w，一旦泄露將引發(fā)爆炸導(dǎo)致嚴(yán)重安全事故，具有極大安全隱患。天基物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通過井下傳感器裝置實時監(jiān)測油田狀態(tài)，如發(fā)生異常情況則根據(jù)預(yù)設(shè)程序?qū)︼L(fēng)險情況進(jìn)行分級預(yù)警，達(dá)緊急程度則實現(xiàn)自動切斷功能。此外技術(shù)人員遠(yuǎn)程獲取報警信息及事故類型后，也能夠通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

3.2 油氣運(yùn)輸狀態(tài)監(jiān)測

油氣管道是油氣資源進(jìn)行大規(guī)模、長遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)囊环N重要工具，因此，對于油氣管道運(yùn)輸狀態(tài)的監(jiān)測是保障其安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。要實現(xiàn)對管道任意損壞或泄漏之處做出快速和準(zhǔn)確的響應(yīng)，就需要對油氣管道進(jìn)行遠(yuǎn)距離、多節(jié)點、穩(wěn)定的實時監(jiān)測。采用地面光纖監(jiān)測或蜂窩網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測，存在建設(shè)成本高、地理范圍覆蓋不全、惡劣天氣網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性無法保障等問題。天基物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)全球無縫覆蓋，且不受天氣與地理環(huán)境等影響，保證通信穩(wěn)定可靠。通過沿管道布設(shè)傳感器與流量計，采集管道壓力、管道腐蝕、流量、管道泄漏等指標(biāo)，并連接到中心網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)衛(wèi)星中繼傳輸，技術(shù)人員可遠(yuǎn)程監(jiān)測管道運(yùn)輸狀態(tài)。當(dāng)采集指標(biāo)數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)閾值時會觸發(fā)警報，數(shù)據(jù)中心可依據(jù)具體情況進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，如調(diào)整流量閥以保障運(yùn)輸?shù)恼＿M(jìn)行。

3.3 相關(guān)企業(yè)應(yīng)用示例

（1）INMARSAT。INMARSAT即國際海事衛(wèi)星組織，是全球移動衛(wèi)星通信領(lǐng)域的引領(lǐng)者，致力于為全球用戶提供隨時、隨處的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。2021年8月，INMARSAT推出面向全球服務(wù)的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)ELERA IoT，該網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍廣泛，涉及農(nóng)業(yè)、工業(yè)、能源以及生態(tài)環(huán)境等多個領(lǐng)域，其中，油氣行業(yè)被列為重點關(guān)注方向之一。INMARSAT提出要為全球數(shù)千口油氣井和數(shù)十萬千米油氣運(yùn)輸管道提供可靠的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)連接，以實現(xiàn)實時監(jiān)控和數(shù)字化生產(chǎn)過程，在提高企業(yè)運(yùn)營效率同時降低對環(huán)境和現(xiàn)場人員的風(fēng)險。

ELERA IoT關(guān)注于提高企業(yè)在油氣開采及運(yùn)輸過程中的生產(chǎn)效率，其典型應(yīng)用場景有：一是鉆井起升系統(tǒng)監(jiān)測，通過安裝天基物聯(lián)網(wǎng)終端監(jiān)測升降機(jī)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)存在安全或環(huán)境風(fēng)險問題，操作人員能夠遠(yuǎn)程關(guān)閉升降系統(tǒng)，并且可以使用連續(xù)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析，及時預(yù)測設(shè)備維修需求，確保其運(yùn)行性能最佳。二是油氣井口監(jiān)測，使用天基物聯(lián)網(wǎng)對油氣井口實時監(jiān)測，可以遠(yuǎn)程評估生產(chǎn)流量確保井的最佳效率，并且連接多個安全系統(tǒng)，警報和自動關(guān)閉設(shè)置能夠降低事件損害性，保障人身安全。三是管道運(yùn)輸監(jiān)測，通過大量傳感器與流量計進(jìn)行管道數(shù)據(jù)采集，并通過天基物聯(lián)網(wǎng)終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，操作員可以遠(yuǎn)程確認(rèn)流量變化點，確定問題發(fā)生的區(qū)域，以便及時排查故障。

（2）Orbcomm。Orbcomm是美國頭部天基物聯(lián)網(wǎng)商業(yè)應(yīng)用企業(yè)，致力為全球客戶提供基于低軌衛(wèi)星的資產(chǎn)管理服務(wù)。在車輛運(yùn)輸、物流貨運(yùn)、海洋海事等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在能源領(lǐng)域的油氣方向也有較為完整的解決方案，其典型應(yīng)用場景包括：一是油氣運(yùn)輸車輛監(jiān)測，通過天基物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測車輛及駕駛?cè)藛T狀態(tài)，如位置、車速、安全帶狀態(tài)等參數(shù)，降低發(fā)生安全事故風(fēng)險，保證油氣資源完好運(yùn)輸。二是油氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控，日常監(jiān)測流量計、壓力、溫度等參數(shù)，遠(yuǎn)程監(jiān)控生產(chǎn)井口壓縮機(jī)以減少宕機(jī)時間，確保峰值效率，同時可遠(yuǎn)程操控閥門，以避免發(fā)生油氣泄露。三是油氣管道監(jiān)測，通過壓力傳感器收集現(xiàn)場參數(shù)，接收關(guān)鍵警報并測量管道流量，監(jiān)控管道整流器，以防止腐蝕，減少泄漏，延長設(shè)備壽命。

（3）國內(nèi)相關(guān)系統(tǒng)，我國天基物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展起步相對較晚，但近年來廣闊的發(fā)展市場吸引大量企業(yè)紛紛布局衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)，大批物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座系統(tǒng)正處于規(guī)劃部署過程中。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)除提供實時定位服務(wù)外，還具備短報文功能，使其具備衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)能力，但受到通信頻次與通信速率的限制，北斗系統(tǒng)在油氣領(lǐng)域不適用于對數(shù)據(jù)傳輸實時性要求和速率要求較高的場景，可用于日常監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，作為長時間序列監(jiān)測數(shù)據(jù)的來源。中國電信于2021年11月正式發(fā)布天通衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，天通具有高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)勢，或?qū)⒃谟蜌忸I(lǐng)域發(fā)揮巨大應(yīng)用價值。此外，部分民營企業(yè)也在大力部署天基物聯(lián)網(wǎng)方向，并以低軌物聯(lián)衛(wèi)星星座的建設(shè)為主，建成后將對國內(nèi)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源形成有效補(bǔ)充，構(gòu)建起“高軌+低軌”的立體天基物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，為我國油氣行業(yè)的數(shù)字化提供完整和可靠的網(wǎng)絡(luò)支撐。

4 技術(shù)發(fā)展方向及趨勢

4.1 邊緣計算能力

同整個物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢一樣，邊緣計算能力的拓展在天基物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中同樣是制勝關(guān)鍵。傳統(tǒng)天基物聯(lián)網(wǎng)終端將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳送至數(shù)據(jù)云平臺，通過用戶遠(yuǎn)程判斷后將指令再次返回終端，這對于類似油氣行業(yè)安全預(yù)警等場景來說延時將會被放大，且對衛(wèi)星容量以及云端算力均是一定程度上的考驗，應(yīng)提升天基物聯(lián)網(wǎng)終端的邊緣計算能力使其具備對異常數(shù)據(jù)的快速計算和響應(yīng)能力，將數(shù)據(jù)邊緣化處理以分擔(dān)中心節(jié)點的負(fù)擔(dān)，并且減輕大量并發(fā)數(shù)據(jù)對衛(wèi)星容量的壓力。可以預(yù)見，未來邊緣計算服務(wù)將成為推進(jìn)天基物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要力量。

4.2 天地網(wǎng)絡(luò)融合

天基物聯(lián)網(wǎng)雖然較地面網(wǎng)絡(luò)具備“廣覆蓋、全天候”等優(yōu)勢，但地面網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的成熟度與普及度遠(yuǎn)高于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。因此，天基物聯(lián)網(wǎng)作為地面網(wǎng)絡(luò)的有力補(bǔ)充，在適當(dāng)條件下與地面網(wǎng)絡(luò)的融合應(yīng)用能夠更充分地發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。例如，在油氣管道監(jiān)測這類多節(jié)點接入的場景中，可以采用LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)將節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)匯集至網(wǎng)關(guān)處，再由網(wǎng)關(guān)向衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，這樣可以減少衛(wèi)星物聯(lián)終端設(shè)備部署成本，同時減輕衛(wèi)星并發(fā)連接數(shù)據(jù)壓力。

5 結(jié)束語

油氣行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型不僅關(guān)乎企業(yè)經(jīng)營效益，同時也是國家戰(zhàn)略發(fā)展重要內(nèi)容。天基物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以其“廣覆蓋、大容量、全天候”的優(yōu)勢，與地面物聯(lián)網(wǎng)相互彌補(bǔ)，從而全面實現(xiàn)油氣生產(chǎn)與運(yùn)輸過程中的數(shù)據(jù)自動采集、控制與管理，在提高各生產(chǎn)操作單元的自動化水平的同時，使企業(yè)具備科學(xué)、智能的決策能力。當(dāng)前，我國天基物聯(lián)網(wǎng)的商用仍處于初級階段，在油氣領(lǐng)域缺乏相對成熟、完整的解決方案，國內(nèi)各天基物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營商可適當(dāng)借鑒國外相關(guān)系統(tǒng)成熟產(chǎn)品與解決方案，同時結(jié)合國內(nèi)具體情況與需求有所創(chuàng)新，緊跟技術(shù)發(fā)展趨勢，共同推進(jìn)國內(nèi)油氣行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程，為油氣行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)?！?/p>