從任正非去“挖煤”說起，
淺議衛星通訊在油氣行業數字化轉型中的作用
文 | 任佳熙
前言：
近期華為總裁任正非下礦534米再次成為熱搜，從第一座5G煤礦到“煤礦軍團”，再到“智慧礦山創新實驗室”，華為掀起了5G賦能煤炭行業的浪潮。然而，新戰場不僅在煤炭行業，從山西5G煤礦到湖南智慧鋼廠，再到廈門智慧港口，機場、碼頭、礦山、鋼廠、車間都將迎來革命性的變化。正如任正非所說，“2020年我們點亮了一個煤礦、一個鋼廠、一個港口，未來2到3年，我們希望點亮千百個煤礦、鋼廠、港口”。
從最初的手工作業到少人化和無人化，從機械作業到自動化和智慧化，科技的進步推動人力的解放，工業世界正在朝著數字化方向發展，數字化轉型的核心是物聯網。物聯網對於連線和傳輸能力有著前所未有的嚴苛要求，憑藉海量裝置接入、海量資料傳輸和超低時延控制能力，5G實現了人與人、人與機器、機器與機器之間的泛在連線，然而對於沙漠、海洋、極地等地面電信網路無法覆蓋的區域，由於地理位置的不確定性和複雜性，各種資料無法透過正常的地面有線或無線網路傳輸到監控中心，物聯網感測器資料的快速傳輸、裝置的遠端智慧控制卻離不開衛星通訊。
衛星通訊不受位置和地形限制，組網簡單，裝拆方便。VSAT解決方案與5G解決方案共同成為物聯網的數字化支柱，本文將探討衛星通訊對於油氣行業數字化轉型的重要作用，探討新形勢下衛星通訊與5G、人工智慧、大資料、物聯網等數字化新技術融合創新途徑和解決方案，為油氣行業數字化轉型智慧化發展提供啟發，助力形成“十四五”資訊化發展良好開局。
油氣行業幾十年來一直依靠衛星通訊為其作業工人提供連線和保護，作為VSAT網路的早期採用者，對於衛星連線（SatelliteConnectivity）並不陌生，然而隨著各個行業加速自動化（automation）和數字化（digitalization）轉型，油氣行業也開啟了提高資產遠端控制（remotecontrol）和裝置遠端維護（remotemaintenance）能力的新程序。如何促進油氣行業少人化甚至無人化，讓工人“穿西裝、打領帶”在遠端控制室工作就可以實現安全高效生產，關係到衛星通訊能否適應數字化轉型的需求和挑戰，從過去的雪中送炭升級為未來的錦上添花。
隨著越來越多的業內玩家將應用程式放在雲端，確保隨時能夠從地球上最偏遠的地方對雲進行訪問顯得尤為重要。近些年隨著天地一體化快速發展，地面網路與衛星網路的無縫融合使使用者只關心能否隨時隨地的接入網路和傳輸資料，而對使用衛星通訊、蜂窩網路還是其他通訊技術並不關注。然而，為了支撐油氣行業的數字化轉型，高度可靠、靈活高效、價效比高的衛星連線比以往任何時候都更加重要，衛星通訊正朝著多軌道、多接入、多服務的方向前進，進一步拓展連線域，要麼與5G接入網融合，要麼轉向採用電信世界的地面標準獨立完成最後一公里的接入，為油氣行業數字化轉型提供更簡單的連線解決方案。
一、衛星通訊對於油氣行業數字化轉型的重要性
儘管油氣行業一直是衛星通訊的重要使用者，但數字化程序將更加凸顯衛星通訊的真正潛力。加大對於衛星通訊的投入將產生令人難以置信的效果，透過增加裝置正常執行時間，降低服務和維護成本，最佳化油氣開採能力，更快地檢測生產或分銷場所的故障並最佳化所有資產，衛星通訊將對油氣行業增收擴張具有變革性的影響，其重要性體現在以下5個方面。
1、將關鍵資料傳輸至資料中心
鑽井和地震勘測活動將不斷從海底提取資料，包括來自鑽井記錄器的岩層資訊、泵和閥門控制、流量測量、壓力和溫度控制、洩漏檢測和腐蝕監測等資料。透過衛星感知、監控和收集所有這些資料並將其送回位於陸地的資料中心對於監測施工區域至關重要。
2、提高運營效率
長期以來，由於油氣站點地理位置地偏遠，增加了油氣生產商遠端管理鑽井作業的複雜性。如今油氣行業正在從物聯網（IoT）受益，這將是能源行業激動人心的時刻。透過將網路中各種型別的裝置連線起來，無論油氣開採站點位於什麼區域，藉助衛星通訊油氣生產商都可以實現遠端運營管理——從鑽頭刺入海底的方向到海上油井透過龐大的管道系統流出的石油量，衛星通訊系統還可以提供海底鑽探活動的實時高畫質影片覆蓋。移動性創新是衛星通訊發力的另一個重要方向，透過推動開發新一代應用程式，油氣工人藉助觸手可及的移動裝置可以輕鬆管理油氣管道和監控鑽井作業。無論是固定工作室還是移動裝置，衛星通訊網路旨在成為具有共享效率的基礎設施，可以承載任何型別應用程式產生的流量，這無疑是能源行業的
3、確保安全環境
確保工作環境安全對於油氣行業至關重要，在面臨突發危險情況時，油氣工人不僅需要能夠高速訪問海上鑽井船或陸地鑽機，還需要增加遠端控制的可靠性。鑽井平臺上的工作人員來自多家公司，為所有利益相關者建立一個安全通用資訊網路至關重要。為限制洩漏事故的風險，物聯網透過感測器進行遠端監控為鑽井工人提供了識別任何可能發生的危險情況所需的資料和資訊，並在需要時有效及時地啟動任何安全措施或緊急程式。此外，物聯網還使油氣行業能夠提高勘探和鑽井效能，不斷適應新生困難和意外發現，並減少宕機造成的收入損失和環境影響風險。
4、提供電子健康和培訓服務
確保工人身體健康和作業安全一直是油氣公司重中之重。多年來各種遠端醫療廣泛應用於能源行業，油氣工作現場的就醫人員通常透過傳真、電話或傳送數字影象與遠端的醫療專家聯絡。如今，衛星通訊技術創新透過足夠頻寬來支援與陸上專家建立實時影片連線，低軌衛星通訊的低時延甚至支援在緊急情況下提供遠端臨床醫療保健，從而更有效的診斷和治療患者。此外，衛星通訊還可以為船上船員提供最佳的電子安全培訓服務。
5、提高油氣工人生活質量
由於船舶或鑽井工人需要在海上度過數週數月的時間，隨著智慧手機和平板電腦的蓬勃發展以及社交媒體的爆炸式增長，作業人員無論身在何處都希望能夠訪問網際網路。透過衛星通訊透過更大的資料量和更低的每位元成本，可以有效滿足油氣工人不斷升級的網際網路接入需求，讓他們受益於衛星通訊提供的穩定連線，實現與家人朋友的實時影片聊天，擁有在家上網一樣的體驗。
二、衛星通訊運營商助力油氣行業邁向數字化未來
油氣行業作為衛星通訊產業的傳統客戶，已經不僅僅滿足於衛星運營商透過提供衛星鏈路資源和語音、影片等資料傳輸方案來解決地面通訊無法覆蓋的問題。隨著數字應用程式以驚人的速度快速發展，資料資產創造能力持續提升，這些對於衛星通訊連線提出越來越複雜的需求。
（一）衛星通訊運營商積極應對油氣行業數字化轉型的挑戰
油氣行業數字生態系統主要包括勘探、開採、煉化和分銷四個環節，隨著數字化轉型的推進，各個環節產生的資料資訊也在日益增多，管理好這些資料是商業效益最大化的關鍵，衛星運營商專注於為這四個環節的連線需求和資料傳輸創造積極影響。油氣企業正在形成以工業網際網路技術體系和雲平臺為核心的應用生態，基於雲架構的資訊化轉型、資料湖、資料資產化管理、工業雲平臺、資料中臺、認知計算平臺建設、全產業鏈協同最佳化、共享服務體系建設、大資料、人工智慧、邊緣計算、工業網際網路、工業智慧影片、數字孿生、量子通訊、資料中心建設運營、開發運維一體化運營等數字化新技術和新基建越發離不開通訊連線的可靠性保障。
由於海上鑽井平臺進入更深水域，陸地開採挺進戈壁荒漠，安裝有線電纜並不是可行的選擇，衛星通訊成為地面通訊的有效替代方案。此外，在解決人與人連線的基礎上，透過衛星資料採集通訊系統實現人與機器、機器與機器的連線成為迫切需求，全程數字化跟蹤監控與實時動態監控管理油氣井、油氣管線，互聯感測器並將採集到的關鍵資料傳輸到資料中心更有效地進行分析處理，實時訪問雲平臺上的應用程式和資料從而實現更好的離岸預測性維護和資料驅動最佳化，這些對於衛星通訊連線的頻寬、速率和延時提出更高要求。
為此，國內外衛星運營商都在提升自身衛星通訊能力和豐富衛星通訊解決方案，增強衛星通訊服務油氣行業數字化轉型的能力。STEngineeringiDirect正在透過技術、產品和服務來應對數字化轉型帶來的挑戰，他們在物聯網VSAT的傳統解決方案之外，推出具有物聯網最佳化波形的小型物聯網終端的新解決方案。油氣業務經歷的經濟和生產週期會影響對於頻寬和吞吐量的需求，如果處於經濟和生產週期底部，可能對於衛星通訊頻寬的需求隨之降低，反之亦然。
衛星頻寬對於油氣企業使用者是一項巨大投資，能夠適應各種應用並帶來最大投資回報的頻寬最佳化是油氣公司的首要任務，因此衛星連線解決方案和業務模型的靈活性至關重要，上述兩種方案可以滿足企業從低端到中等再到高頻寬需求的靈活物聯網組網方案。SES從2014年開始執行的O3bMpower衛星星座也是旨在為突破性的工業網際網路數字應用程式提供高速可靠低延時連線，1Gbps的聚合頻寬和小於150ms的延遲為離岸站點利用各種數字應用程式鋪平道路，透過這些應用程式可以有效降低運營成本和提高作業效率從而增加利潤。
（二）海上站點衛星通訊解決方案介紹
當前石油和天然氣資源勘探正在向無人居住的偏遠地區（比如遠離海岸線數英里的海洋）轉移，由於這些地方不具備地面通訊手段，衛星通訊成為資訊傳輸的唯一途徑。基於提高遠端油氣鑽井生產效率和油氣行業各生產環節數字化轉型對於衛星通訊頻寬等方面需求的增加，本文介紹一種針對海上站點的靈活寬頻衛星通訊解決方案。
1、海上站點的業務需求分析
海上鑽井業務平臺對於衛星通訊存在應用需求的關鍵業務包括：遠端決策，在鑽井過程中實時訪問資料庫和專家以制定決策；實時油氣庫管理，提高從開採現場到辦公室的連線效率；油氣現場供應，透過支援實時訂購部件裝置，降低總運營成本；提升員工幸福感和積極性，提供娛樂和交流機會以及遠端醫療。
透過對這些業務進行分類，從時間相關性角度分為實時業務（如語音和影片）和非實時業務（檔案傳輸），從通訊協議的角度分為IP協議和傳統協議（如幀中繼、X.25、HDLC等），從傳輸質量的角度分為SAP、Oracle關鍵業務和電子郵件等非關鍵業務，從流量模式角度分為同步和非同步，從頻寬容量角度分為如SCADA應用的極低資料速率和影片分發的超過2Mbit/s高資料速率。滿足上述業務需求需要依靠眾多不同的終端使用者應用程式和統一的衛星通訊基礎設施平臺，衛星通訊網路解決方案必須具備充分的靈活性和通用性，才能最大限度地降低整個網路的裝置和運營成本。
表1：業務特徵分析
2、通訊結構和網路拓撲
基於油氣行業的生產作業環境，通常部署混合組網的網路拓撲結構。由於油氣企業一般採用總部和幾個關鍵辦事處的業務溝通結構，總部和辦事處之間需要相互溝通，而倉庫、後期基地和開採現場之間不需要相互溝通，僅需要與對應管理站點進行溝通，即所有遠端石油鑽機、平臺和供應船都與其中一箇中心站互連。這意味著在一個地區內的部分重要的站點之間完全齧合（meshed），而其他站點僅部分齧合，並且大多數站點採用星形拓撲。
圖1：業務通訊結構
MF-TDMA網路可以理想地對映這種業務通訊結構。下面給出具體的實施示例，其中主要公司站點配備了一個完整的MF-TDMA站，在這些站點之間提供網狀通訊，而遠端生產和勘探站點則透過星型拓撲與其中一個主要站點互連。
圖2：混合網路拓撲
3、衛星通訊網路效能分析
①可擴充套件性和靈活性
能夠根據實際需求以最小的努力調整網路架構至關重要。這涵蓋了站點間通訊關係、網路規模、頻寬容量和應用程式支援等所有方面。按需頻寬功能可以用來提高網路頻寬效率，並提供頻寬使用的靈活性，以便在規定的時間計劃內為某些應用程式（如檔案傳輸或影片傳輸）分配較大的頻寬容量。系統的可擴充套件性可以使油氣企業降低前期投資，並提供了逐步將系統擴充套件至更高頻寬容量和網路規模的機會。
圖3：網路的可伸縮性
②可用性和可靠性
健壯的衛星通訊網路解決方案不應該存在可能導致整個網路的服務中斷的單點故障。基於無中心化的網路拓撲能夠將主站功能可以分配給每個站點，這從戰略和地理的角度來看是非常合適的。可以將一個或多個備用主站接入網路，並在不中斷任何服務的情況下接管主站功能。此外，還需要優先考慮不同的應用程式型別，以確保高質量的服務級別協議（ServiceLevel Agreement, SLA）的實現，特別是語音、影片等需要確保優質實時服務質量的專用連線。
圖4：主/備份網路
③系統容量
為實現海上站點與總部的互聯，越來越需要更高的頻寬以服務於語音、資料和高速網際網路等基本應用。為了對檔案傳輸、郵寄、Web訪問、IP影片或IP語音等各種業務提供有保障的服務質量，可以將語音、實時資料和非實時資料對映到乙太網、幀中繼、語音/傳真、串行同步和非同步連線等使用不同通訊協議的連線，透過統一的衛星寬頻網路基礎設施實現所有資料同時傳輸。
基於統一的衛星通訊平臺，全動態頻寬分配方案能夠以提供即時頻寬的方式，將頻寬容量自動分配給有傳輸容量需求的站點，留下空閒容量供其他站點使用，從而經濟高效地實現每個海外站點從64kbit/s到8.75Mbit/s的突發資料傳送。所有站點都可以透過衛星單跳連線到其他任何站點，實現遠端站點之間高速、去中心化的通訊。
圖5：海上站點的互聯實現
