油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)管理子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引 言

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）起源于傳媒領(lǐng)域，是信息科學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的第三次革命，是通過(guò)傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接進(jìn)行信息交換與通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控與管理的一種網(wǎng)絡(luò) [1]。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的延伸，互聯(lián)網(wǎng)的終端是計(jì)算機(jī)（PC、服務(wù)器），通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，除計(jì)算機(jī)外，不涉及其他任何終端（硬件）。而物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)還是互聯(lián)網(wǎng)，但終端不僅是計(jì)算機(jī)（PC、服務(wù)器），還有通過(guò)傳感設(shè)備連接的其他物體，如環(huán)境監(jiān)控設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備、油氣采集設(shè)備等。因此，可通俗地認(rèn)為， 物聯(lián)網(wǎng)就是把物體通過(guò)傳感設(shè)備連入互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，其目的是實(shí)現(xiàn)物與物、物與人、所有物體與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識(shí)別、管理與監(jiān)控。

目前，國(guó)際先進(jìn)石油公司已基本實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與處理，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展形成了生產(chǎn)自動(dòng)監(jiān)控、生產(chǎn)自動(dòng)預(yù)警以及生產(chǎn)智能決策的物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的油氣田公司也進(jìn)行了成功的探索與試點(diǎn)，通過(guò)油井的生產(chǎn)自動(dòng)監(jiān)控減少運(yùn)行維護(hù)成本，提高油氣田生產(chǎn)決策的及時(shí)性和準(zhǔn)確性 [2]，已經(jīng)證實(shí)了油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)成熟性與經(jīng)濟(jì)可行性，成為石油石化行業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)。建成并應(yīng)用的部分油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在軟件平臺(tái)、開(kāi)發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)組態(tài)方式上都有很大差異，還未形成統(tǒng)一的系統(tǒng)。中國(guó)石油“十二五” 信息技術(shù)總體規(guī)劃中， 將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)作為集團(tuán)公司2012 年三大標(biāo)志性工程之一，提出了建設(shè)規(guī)范、統(tǒng)一的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，為公司生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)平穩(wěn)較快增長(zhǎng)提供有力支撐，從而能夠節(jié)約油氣生產(chǎn)的建設(shè)投資，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、生產(chǎn)管理 [3] 三個(gè)子系統(tǒng)，本文僅介紹生產(chǎn)管理子系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)管理子系統(tǒng)的需求分析，系統(tǒng)需要滿足油氣生產(chǎn)監(jiān)控、日常報(bào)表生成、生產(chǎn)管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理等，在此基礎(chǔ)上，子系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)了系統(tǒng)主頁(yè)、生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)、生產(chǎn)分析、功圖分析、報(bào)表管理、物聯(lián)設(shè)備管理、視頻監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理 9 個(gè)模塊。

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)管理子系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì) [4] 如圖 1 所示。

圖 1 子系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主頁(yè) ：主要展示總井?dāng)?shù)、監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)、開(kāi)井?dāng)?shù)、告警井?dāng)?shù)、預(yù)警井?dāng)?shù)、累計(jì)產(chǎn)油量 / 氣量、日 / 月產(chǎn)油量 / 氣量、產(chǎn)油量趨勢(shì)、產(chǎn)氣量趨勢(shì)、產(chǎn)水量趨勢(shì)、產(chǎn)液量趨勢(shì)、收藏夾、物聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)、油氣水井告警預(yù)警等。

生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè) ：匯總各組織層級(jí)（油氣田分公司、采油采氣廠、作業(yè)區(qū)）下所有生產(chǎn)單元的生產(chǎn)監(jiān)測(cè)信息 ；針對(duì)具體的生產(chǎn)單元，綜合展示單井、站庫(kù)、管線的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、告警 / 預(yù)警信息、單井產(chǎn)量趨勢(shì)、生產(chǎn)時(shí)率、參數(shù)變化趨勢(shì)、視頻圖像等 ；提供快速跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)生產(chǎn)單元的報(bào)表、物聯(lián)設(shè)備管理及視頻監(jiān)測(cè)模塊等頁(yè)面鏈接。

生產(chǎn)分析 ：分析所在組織層級(jí)的生產(chǎn)情況，以支持各級(jí)生產(chǎn)人員分析決策。其中，組織層級(jí)包括油氣田分公司、采油采氣廠、作業(yè)區(qū)與站庫(kù)（班組）；分析產(chǎn)量趨勢(shì)、供注入量波動(dòng)趨勢(shì)、生產(chǎn)時(shí)率、產(chǎn)量對(duì)比分析、多井對(duì)比分析等。生產(chǎn)分析模塊主要包括油田級(jí)生產(chǎn)分析頁(yè)、廠級(jí)生產(chǎn)分析頁(yè)、作業(yè)區(qū)級(jí)生產(chǎn)分析頁(yè)、站庫(kù)級(jí)生產(chǎn)分析頁(yè)。其中油田級(jí)生產(chǎn)分析頁(yè)包括產(chǎn)量趨勢(shì)分析與生產(chǎn)時(shí)率分析 ；廠級(jí)生產(chǎn)分析頁(yè)包括產(chǎn)量趨勢(shì)分析、生產(chǎn)時(shí)率分析及供注入量波動(dòng)分析 ；作業(yè)區(qū)級(jí)生產(chǎn)分析頁(yè)包括產(chǎn)量趨勢(shì)分析、生產(chǎn)時(shí)率分析、供注入量波動(dòng)分析及多井對(duì)比分析 ；站庫(kù)級(jí)生產(chǎn)分析頁(yè)包括產(chǎn)量趨勢(shì)分析、生產(chǎn)時(shí)率分析、供注入量波動(dòng)分析及多井對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)單井多項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)對(duì)比分析，通過(guò)分析參數(shù)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)異常生產(chǎn)情況。

功圖分析 ：進(jìn)行產(chǎn)量趨勢(shì)分析、供注入量分析、生產(chǎn)時(shí)率分析、產(chǎn)量對(duì)比分析、多井對(duì)比分析、功圖對(duì)比分析 ；分析所在組織層級(jí)的生產(chǎn)情況，以支持各級(jí)生產(chǎn)人員分析決策。

物聯(lián)設(shè)備管理 ：維護(hù)物聯(lián)設(shè)備的檔案臺(tái)賬，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、檔案管理、故障統(tǒng)計(jì)分析 ；分析設(shè)備的故障分布情況，提供物聯(lián)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)拓?fù)鋱D監(jiān)測(cè) ；提供物聯(lián)設(shè)備預(yù)警 / 告警提示功能。

報(bào)表管理 ：通過(guò)報(bào)表模塊查看生產(chǎn)單元的生產(chǎn)數(shù)據(jù)報(bào)表、設(shè)備故障報(bào)表、系統(tǒng)運(yùn)行報(bào)表以及定制化報(bào)表。

視頻監(jiān)測(cè) ：集中展示生產(chǎn)單元的視頻圖片，生產(chǎn)單元的告警、預(yù)警信息，根據(jù)用戶需求實(shí)時(shí)記錄井場(chǎng)視頻。

數(shù)據(jù)管理 ：提供生產(chǎn)日數(shù)據(jù)管理，包括單井日數(shù)據(jù)錄入與審核功能 ；提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)標(biāo)簽管理功能 ；提供數(shù)據(jù)接口管理功能，展示與其他統(tǒng)建系統(tǒng)及油田自建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互情況，并且能夠添加生產(chǎn)單元。

系統(tǒng)管理 ：實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限管理、采集參數(shù)配置、生產(chǎn)監(jiān)測(cè)配置、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備配置以及日志的查詢與運(yùn)維管理等功能 ； 系統(tǒng)管理主要供系統(tǒng)管理人員使用。

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)管理子系統(tǒng)的用戶使用瀏覽器通過(guò)用戶名、密碼及驗(yàn)證碼登錄系統(tǒng)，登錄進(jìn)入系統(tǒng)的用戶根據(jù)自身權(quán)限進(jìn)行操作，系統(tǒng)操作均有相應(yīng)的提示信息出現(xiàn)，方便用戶使用。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)及數(shù)據(jù)處理

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)管理子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)根據(jù)監(jiān)測(cè)與控制對(duì)象自底向上分為 ：井場(chǎng)（井）、中型站場(chǎng)、大型站場(chǎng)、作業(yè)區(qū)、采（氣）油廠、其他應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。根據(jù)中國(guó)石油各層級(jí)的不同需求，總體數(shù)據(jù)架構(gòu)根據(jù)組織層級(jí)、部署模式， 自底向上分為數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)匯集層、數(shù)據(jù)緩沖層、油田公司數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、總部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。通過(guò)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)權(quán)限管理、元數(shù)據(jù)管理，并為采集與控制系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)（總部綜合應(yīng)用）提供數(shù)據(jù)服務(wù)。總體數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖 2 所示。

數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)分為主題域、概念模型（數(shù)據(jù)對(duì)象）、邏輯模型、物理模型四個(gè)層次，通過(guò)層層細(xì)化，可更清晰地理解中國(guó)石油擁有的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)主題域涵蓋支撐中國(guó)石油油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)領(lǐng)域的統(tǒng)一數(shù)據(jù)分類，它將同類或關(guān)聯(lián)關(guān)系較為緊密的數(shù)據(jù)對(duì)象進(jìn)行劃分，從而形成數(shù)據(jù)集合 ；概念模型細(xì)化各主題域中數(shù)據(jù)對(duì)象（實(shí)體），通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)象及其關(guān)系描述中國(guó)石油企業(yè)運(yùn)營(yíng)及管理過(guò)程中涉及的主要業(yè)務(wù)概念與相關(guān)規(guī)則，規(guī)范化 數(shù)據(jù)對(duì)象的定義 ；邏輯模型用于有力地指導(dǎo)物理模型的實(shí)施 ； 通過(guò)邏輯模型的指導(dǎo)建立系統(tǒng)物理數(shù)據(jù)模型。

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)管理子系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖 3 所示。在不同生產(chǎn)管理層級(jí)間進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)處理時(shí)，將數(shù)據(jù)處理分為七個(gè)處理環(huán)節(jié) ：與現(xiàn)有 SCADA 系統(tǒng)集成、采集設(shè)備到組態(tài)軟件和數(shù)據(jù)匯集層功圖關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、組態(tài)軟件到數(shù)據(jù)緩沖層實(shí)時(shí) / 歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)緩沖層實(shí)時(shí) / 歷史數(shù)據(jù)庫(kù)到油氣田公司數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層實(shí)時(shí) / 歷史數(shù)據(jù)庫(kù)、油氣田公司數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層實(shí)時(shí) / 歷史數(shù)據(jù)庫(kù)到油氣田公司數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)匯集層功圖關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)到油氣田公司數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)、油氣田公司數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)到總部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層匯總關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)管理子系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)三層模型架構(gòu)，使用 Java 編程語(yǔ)言完成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了完整的系統(tǒng)日志與系統(tǒng)管理控制，便于控制系統(tǒng)運(yùn)行，監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，進(jìn)行有效的故障處理，降低后期運(yùn)維成本。

系統(tǒng)采用用戶名與密碼方式登錄，登錄后顯示系統(tǒng)主頁(yè)如圖 4 所示，各功能模塊相互連接、相互組合，用戶使用時(shí)一目了然，非常方便。

圖 4 系統(tǒng)主頁(yè)

4 結(jié) 語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是科技發(fā)展的一項(xiàng)新成果，在油氣生產(chǎn)領(lǐng)域使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有助于提升生產(chǎn)效率、降低運(yùn)營(yíng)成本、優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)、優(yōu)化管理流程。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)不斷完善系統(tǒng)功能，加強(qiáng)與油田現(xiàn)場(chǎng)的合作，建立完善的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)維管理制度，及時(shí)對(duì)油田運(yùn)維管理人員進(jìn)行培訓(xùn)，提升運(yùn)維管理人員的計(jì)算機(jī)信息管理能力，使油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)管理子系統(tǒng)發(fā)揮更大的作用。