从任正非去“挖煤”说起，浅议卫星通信在油气行业数字化转型中的作用
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从任正非去“挖煤”说起，
浅议卫星通信在油气行业数字化转型中的作用
文 | 任佳熙
近期华为总裁任正非下矿534米再次成为热搜，从第一座5G煤矿到“煤矿军团”，再到“智能矿山创新实验室”，华为掀起了5G赋能煤炭行业的浪潮。然而，新战场不仅在煤炭行业，从山西5G煤矿到湖南智慧钢厂，再到厦门智慧港口，机场、码头、矿山、钢厂、车间都将迎来革命性的变化。正如任正非所说，“2020年我们点亮了一个煤矿、一个钢厂、一个港口，未来2到3年，我们希望点亮千百个煤矿、钢厂、港口”。
从最初的手工作业到少人化和无人化，从机械作业到自动化和智能化，科技的进步推动人力的解放，工业世界正在朝着数字化方向发展，数字化转型的核心是物联网。物联网对于连接和传输能力有着前所未有的严苛要求，凭借海量设备接入、海量数据传输和超低时延控制能力，5G实现了人与人、人与机器、机器与机器之间的泛在连接，然而对于沙漠、海洋、极地等地面电信网络无法覆盖的区域，由于地理位置的不确定性和复杂性，各种数据无法通过正常的地面有线或无线网络传输到监控中心，物联网传感器数据的快速传输、设备的远程智能控制却离不开卫星通信。
卫星通信不受位置和地形限制，组网简单，装拆方便。VSAT解决方案与5G解决方案共同成为物联网的数字化支柱，本文将探讨卫星通信对于油气行业数字化转型的重要作用，探讨新形势下卫星通信与5G、人工智能、大数据、物联网等数字化新技术融合创新途径和解决方案，为油气行业数字化转型智能化发展提供启发，助力形成“十四五”信息化发展良好开局。
油气行业几十年来一直依靠卫星通信为其作业工人提供连接和保护，作为VSAT网络的早期采用者，对于卫星连接（SatelliteConnectivity）并不陌生，然而随着各个行业加速自动化（automation）和数字化（digitalization）转型，油气行业也开启了提高资产远程控制（remotecontrol）和设备远程维护（remotemaintenance）能力的新进程。如何促进油气行业少人化甚至无人化，让工人“穿西装、打领带”在远端控制室工作就可以实现安全高效生产，关系到卫星通信能否适应数字化转型的需求和挑战，从过去的雪中送炭升级为未来的锦上添花。
随着越来越多的业内玩家将应用程序放在云端，确保随时能够从地球上最偏远的地方对云进行访问显得尤为重要。近些年随着天地一体化快速发展，地面网络与卫星网络的无缝融合使用户只关心能否随时随地的接入网络和传输数据，而对使用卫星通信、蜂窝网络还是其他通信技术并不关注。然而，为了支撑油气行业的数字化转型，高度可靠、灵活高效、性价比高的卫星连接比以往任何时候都更加重要，卫星通信正朝着多轨道、多接入、多服务的方向前进，进一步拓展连接域，要么与5G接入网融合，要么转向采用电信世界的地面标准独立完成最后一公里的接入，为油气行业数字化转型提供更简单的连接解决方案。
一、卫星通信对于油气行业
数字化转型的重要性
尽管油气行业一直是卫星通信的重要用户，但数字化进程将更加凸显卫星通信的真正潜力。加大对于卫星通信的投入将产生令人难以置信的效果，通过增加设备正常运行时间，降低服务和维护成本，优化油气开采能力，更快地检测生产或分销场所的故障并优化所有资产，卫星通信将对油气行业增收扩张具有变革性的影响，其重要性体现在以下5个方面。
钻井和地震勘测活动将不断从海底提取数据，包括来自钻井记录器的岩层信息、泵和阀门控制、流量测量、压力和温度控制、泄漏检测和腐蚀监测等数据。通过卫星感知、监控和收集所有这些数据并将其送回位于陆地的数据中心对于监测施工区域至关重要。
长期以来，由于油气站点地理位置地偏远，增加了油气生产商远程管理钻井作业的复杂性。如今油气行业正在从物联网（IoT）受益，这将是能源行业激动人心的时刻。通过将网络中各种类型的设备连接起来，无论油气开采站点位于什么区域，借助卫星通信油气生产商都可以实现远程运营管理——从钻头刺入海底的方向到海上油井通过庞大的管道系统流出的石油量，卫星通信系统还可以提供海底钻探活动的实时高清视频覆盖。移动性创新是卫星通信发力的另一个重要方向，通过推动开发新一代应用程序，油气工人借助触手可及的移动设备可以轻松管理油气管道和监控钻井作业。无论是固定工作室还是移动设备，卫星通信网络旨在成为具有共享效率的基础设施，可以承载任何类型应用程序产生的流量，这无疑是能源行业的
确保工作环境安全对于油气行业至关重要，在面临突发危险情况时，油气工人不仅需要能够高速访问海上钻井船或陆地钻机，还需要增加远程控制的可靠性。钻井平台上的工作人员来自多家公司，为所有利益相关者建立一个安全通用信息网络至关重要。为限制泄漏事故的风险，物联网通过传感器进行远程监控为钻井工人提供了识别任何可能发生的危险情况所需的数据和信息，并在需要时有效及时地启动任何安全措施或紧急程序。此外，物联网还使油气行业能够提高勘探和钻井性能，不断适应新生困难和意外发现，并减少宕机造成的收入损失和环境影响风险。
确保工人身体健康和作业安全一直是油气公司重中之重。多年来各种远程医疗广泛应用于能源行业，油气工作现场的就医人员通常通过传真、电话或发送数字图像与远端的医疗专家联系。如今，卫星通信技术创新通过足够带宽来支持与陆上专家建立实时视频连接，低轨卫星通信的低时延甚至支持在紧急情况下提供远程临床医疗保健，从而更有效的诊断和治疗患者。此外，卫星通信还可以为船上船员提供最佳的电子安全培训服务。
由于船舶或钻井工人需要在海上度过数周数月的时间，随着智能手机和平板电脑的蓬勃发展以及社交媒体的爆炸式增长，作业人员无论身在何处都希望能够访问互联网。通过卫星通信通过更大的数据量和更低的每比特成本，可以有效满足油气工人不断升级的互联网接入需求，让他们受益于卫星通信提供的稳定连接，实现与家人朋友的实时视频聊天，拥有在家上网一样的体验。
二、卫星通信运营商
助力油气行业迈向数字化未来
油气行业作为卫星通信产业的传统客户，已经不仅仅满足于卫星运营商通过提供卫星链路资源和语音、视频等数据传输方案来解决地面通信无法覆盖的问题。随着数字应用程序以惊人的速度快速发展，数据资产创造能力持续提升，这些对于卫星通信连接提出越来越复杂的需求。
油气行业数字生态系统主要包括勘探、开采、炼化和分销四个环节，随着数字化转型的推进，各个环节产生的数据信息也在日益增多，管理好这些数据是商业效益最大化的关键，卫星运营商专注于为这四个环节的连接需求和数据传输创造积极影响。油气企业正在形成以工业互联网技术体系和云平台为核心的应用生态，基于云架构的信息化转型、数据湖、数据资产化管理、工业云平台、数据中台、认知计算平台建设、全产业链协同优化、共享服务体系建设、大数据、人工智能、边缘计算、工业互联网、工业智能视频、数字孪生、量子通信、数据中心建设运营、开发运维一体化运营等数字化新技术和新基建越发离不开通信连接的可靠性保障。
由于海上钻井平台进入更深水域，陆地开采挺进戈壁荒漠，安装有线电缆并不是可行的选择，卫星通信成为地面通信的有效替代方案。此外，在解决人与人连接的基础上，通过卫星数据采集通信系统实现人与机器、机器与机器的连接成为迫切需求，全程数字化跟踪监控与实时动态监控管理油气井、油气管线，互联传感器并将采集到的关键数据传输到数据中心更有效地进行分析处理，实时访问云平台上的应用程序和数据从而实现更好的离岸预测性维护和数据驱动优化，这些对于卫星通信连接的带宽、速率和延时提出更高要求。
为此，国内外卫星运营商都在提升自身卫星通信能力和丰富卫星通信解决方案，增强卫星通信服务油气行业数字化转型的能力。STEngineeringiDirect正在通过技术、产品和服务来应对数字化转型带来的挑战，他们在物联网VSAT的传统解决方案之外，推出具有物联网优化波形的小型物联网终端的新解决方案。油气业务经历的经济和生产周期会影响对于带宽和吞吐量的需求，如果处于经济和生产周期底部，可能对于卫星通信带宽的需求随之降低，反之亦然。
卫星带宽对于油气企业用户是一项巨大投资，能够适应各种应用并带来最大投资回报的带宽优化是油气公司的首要任务，因此卫星连接解决方案和业务模型的灵活性至关重要，上述两种方案可以满足企业从低端到中等再到高带宽需求的灵活物联网组网方案。SES从2014年开始运行的O3bMpower卫星星座也是旨在为突破性的工业互联网数字应用程序提供高速可靠低延时连接，1Gbps的聚合带宽和小于150ms的延迟为离岸站点利用各种数字应用程序铺平道路，通过这些应用程序可以有效降低运营成本和提高作业效率从而增加利润。
当前石油和天然气资源勘探正在向无人居住的偏远地区（比如远离海岸线数英里的海洋）转移，由于这些地方不具备地面通信手段，卫星通信成为信息传输的唯一途径。基于提高远程油气钻井生产效率和油气行业各生产环节数字化转型对于卫星通信带宽等方面需求的增加，本文介绍一种针对海上站点的灵活宽带卫星通信解决方案。
1、海上站点的业务需求分析
海上钻井业务平台对于卫星通信存在应用需求的关键业务包括：远程决策，在钻井过程中实时访问数据库和专家以制定决策；实时油气库管理，提高从开采现场到办公室的连接效率；油气现场供应，通过支持实时订购部件设备，降低总运营成本；提升员工幸福感和积极性，提供娱乐和交流机会以及远程医疗。
通过对这些业务进行分类，从时间相关性角度分为实时业务（如语音和视频）和非实时业务（文件传输），从通信协议的角度分为IP协议和传统协议（如帧中继、X.25、HDLC等），从传输质量的角度分为SAP、Oracle关键业务和电子邮件等非关键业务，从流量模式角度分为同步和异步，从带宽容量角度分为如SCADA应用的极低数据速率和视频分发的超过2Mbit/s高数据速率。满足上述业务需求需要依靠众多不同的终端用户应用程序和统一的卫星通信基础设施平台，卫星通信网络解决方案必须具备充分的灵活性和通用性，才能最大限度地降低整个网络的设备和运营成本。
表1：业务特征分析
2、通信结构和网络拓扑
基于油气行业的生产作业环境，通常部署混合组网的网络拓扑结构。由于油气企业一般采用总部和几个关键办事处的业务沟通结构，总部和办事处之间需要相互沟通，而仓库、后期基地和开采现场之间不需要相互沟通，仅需要与对应管理站点进行沟通，即所有远程石油钻机、平台和供应船都与其中一个中心站互连。这意味着在一个地区内的部分重要的站点之间完全啮合（meshed），而其他站点仅部分啮合，并且大多数站点采用星形拓扑。
图1：业务通信结构
MF-TDMA网络可以理想地映射这种业务通信结构。下面给出具体的实施示例，其中主要公司站点配备了一个完整的MF-TDMA站，在这些站点之间提供网状通信，而远程生产和勘探站点则通过星型拓扑与其中一个主要站点互连。
图2：混合网络拓扑
3、卫星通信网络性能分析
①可扩展性和灵活性
能够根据实际需求以最小的努力调整网络架构至关重要。这涵盖了站点间通信关系、网络规模、带宽容量和应用程序支持等所有方面。按需带宽功能可以用来提高网络带宽效率，并提供带宽使用的灵活性，以便在规定的时间计划内为某些应用程序（如文件传输或视频传输）分配较大的带宽容量。系统的可扩展性可以使油气企业降低前期投资，并提供了逐步将系统扩展至更高带宽容量和网络规模的机会。
图3：网络的可伸缩性
②可用性和可靠性
健壮的卫星通信网络解决方案不应该存在可能导致整个网络的服务中断的单点故障。基于无中心化的网络拓扑能够将主站功能可以分配给每个站点，这从战略和地理的角度来看是非常合适的。可以将一个或多个备用主站接入网络，并在不中断任何服务的情况下接管主站功能。此外，还需要优先考虑不同的应用程序类型，以确保高质量的服务级别协议（ServiceLevel Agreement, SLA）的实现，特别是语音、视频等需要确保优质实时服务质量的专用连接。
图4：主/备份网络
③系统容量
为实现海上站点与总部的互联，越来越需要更高的带宽以服务于语音、数据和高速互联网等基本应用。为了对文件传输、邮寄、Web访问、IP视频或IP语音等各种业务提供有保障的服务质量，可以将语音、实时数据和非实时数据映射到以太网、帧中继、语音/传真、串行同步和异步连接等使用不同通信协议的连接，通过统一的卫星宽带网络基础设施实现所有数据同时传输。
基于统一的卫星通信平台，全动态带宽分配方案能够以提供即时带宽的方式，将带宽容量自动分配给有传输容量需求的站点，留下空闲容量供其他站点使用，从而经济高效地实现每个海外站点从64kbit/s到8.75Mbit/s的突发数据发送。所有站点都可以通过卫星单跳连接到其他任何站点，实现远程站点之间高速、去中心化的通信。
图5：海上站点的互联实现
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