基于實時數據庫的油氣處理故障診斷系統?

張繼燕 歐瑩元 張起榮 畢節 學院信息工程學院

基于實時數據庫的油氣處理故障診斷系統?

張繼燕 歐瑩元 張起榮 畢節 學院信息工程學院

實時數據庫作為數據應用的橋梁，設在工程應用系統和控制系統之間。油氣處理故障診斷系統設計以實時數據庫技術為核心，通過OPC端口搜尋收集系統數據。預警過程主要是通過對原油、注水、加熱鍋爐等系統流程的實時監測，發現異常自動報警，并提出相應的可行性處理建議。故障診斷依靠的人工智能方法包括神經網絡和專家系統兩個，在實時數據與理論規則之間建立盡多的映射關系，增強沖突解決能力。采用基于實時數據庫的油氣處理故障診斷系統，不僅實現了油田自動化作業管理，而且使所有可監控項目長期、穩定保持在最佳運行狀態，降低了油氣處理事故風險。

實時數據庫；油氣處理；故障診斷；系統

油氣處理故障診斷系統是石油工業發展的重要分支，承擔著保障油田安全、高效生產的重要任務。石油天然氣易燃、易爆，并且其中大多含有有毒、有害物質，生產過程中的腐蝕、炸裂等安全問題多發。

油田生產事故都會影響整個油氣生產的正常運行，一旦故障出現在人口密集區，輕則影響企業經濟效益，重則造成泄漏、爆炸，直接威脅人民群眾的生命財產安全。隨著科學技術的發展，實時數據庫技術逐漸步入人們的視野，并廣泛應用于石油、鋼鐵、水、電等重要行業，是工業現代化、信息化的主要工具之一[1]。實時數據庫技術為石油生產處理帶來了極大便利，工程技術人員可以依托實時數據庫衍生系統逐漸建設面向生產的自動化處理系統。因此，為保障油氣處理過程的安全高效，建立一個基于實時數據庫的油氣處理故障診斷系統十分必要。

1 實時數據庫技術

實時數據庫作為數據應用橋梁，設在工程應用系統和控制系統之間，通過數據采集、傳輸、分析處理，最后對目標設備發布指令或建議[2]。實時數據庫較傳統數據庫具有極高的數據采集能力，數據采集速度可控制在幾到幾十毫秒。同時，實時數據庫注重事務處理和時間處理，實時數據具有高及時性，其歷史數據具有高壓縮率[3]。因此，選用實時數據庫作為油氣處理故障診斷系統的核心能夠保證油氣處理過程中的故障及時上報，并能夠通過分析大量的歷史數據，全面快速地得出處理方法或建議。

1.1 數據庫結構

實時數據庫的主要職責是管理實時數據及其相關信息。按照管理類型可分為資源管理、實時事務管理、數據管理三部分[4]，系統結構如圖1所示。

圖1 數據庫系統結構

（1）資源管理。該部分的主要職責是對系統資源進行管理。包括對CPU的合理調度，滿足實時處理的要求；對工作時間進行管理，確保相關實時事務的執行；對儲存空間進行管理，合理分配資源，實時做好I/O調度。

（2）實時事務管理。該部分主要是對實時事務的產生、處理、結束進行實時管理。主要職責包括實時調度，以事務截止時間為限，調度管理實時事務，確保事務在邏輯上和時序上的一致性；并發控制，保障事務和數據的全面性和一致性；事務恢復，應用數據庫挽救還原機制，當調度無效時，將數據庫恢復至處理前狀態。

（3）數據管理。該部分主要職責是管理實時和非實時數據，實現對數據的儲存、處理、提取等操作。主要包括數據存取、數據處理、實時數據管理操作、歷史數據管理等。

1.2 數據庫特點

從20世紀80年代以來，實時數據庫技術在國際上得到了廣泛重視，研究和應用步伐不斷加快，逐漸實現了從實驗性階段向工業應用階段的跨越式發展[5]。實時數據庫與傳統數據庫相比具有明顯的特點。

（1）較高的安全性。實時數據庫采用嵌入式設備和數據收集程序，獨立于外界網絡環境，可杜絕各類計算機病毒的入侵，抵制非法攻擊，保護系統安全。

（2）便捷的實用性。實時數據庫配備多種接口以方便各種外設與其對接，如ERP、ODBC等；同時，添加了許多實用工具和實用模塊，以便用戶訪問獲取信息。

（3）良好的數據發布、展示界面。實時數據庫可為用戶個性定制專有的數據獲得交互界面，并提供用戶模糊查詢系統等。

2 故障診斷系統設計

油氣處理是指原油采出后進入下游進行加工處理的環節。目前在油氣處理工作中多采用DCS等實時監控系統監測作業過程[6]。這一過程需要人工讀取作業參數，依據經驗判斷系統工況，導致工程作業過程中人員主觀因素過重，人為操作失誤較多。基于實時數據庫的油氣處理故障診斷系統，通過實時預警和診斷，使所有可監控項目長期、穩定保持在最佳運行狀態，降低事故風險。

油氣處理故障診斷系統設計以實時數據庫技術為核心，通過OPC端口搜尋、收集系統數據。實時數據庫中的原始數據結合以油氣經驗理論建立的專家知識庫規則，共同組成油氣故障診斷系統的基礎數據[7]。該系統采用正向推理診斷引擎和產生式系統統計分析功能，應用獨立的數據庫記錄診斷結果。油氣處理實時故障診斷系統結構，主要采用B/S架構，以Web進行展示，如圖2所示。

2.1 預警過程

預警過程主要是通過對原油、注水、加熱鍋爐等系統流程的實時監測，整理各個系統中設備運行參數并與歷史數據進行分析對比[8]。如果發現數據異常，預警模塊自動報警并提出相應的可行性處理建議，操作人員可根據實際情況最終確定對應的處理方案。依據處理對象的不同數據點和邏輯關系，可將預警方式分為以下三種：

圖2 油氣故障診斷系統結構

（1）單參數預警。單參數預警對關鍵參數直接進行處理判斷，具有覆蓋面廣、觸發率高、計算簡單等特點。

（2）關鍵設備預警。關鍵設備預警是指對關鍵設備及其參數進行監視處理，形成綜合警示畫面，具有出發頻率適中、針對性強等特點。

（3）關鍵流程預警。關鍵流程預警是指對原油系統中關鍵流程實施跟蹤監視，對其中的參數信息和參數間的邏輯關系進行分析，生成警示信息，具有計算復雜，指向精確等特點。

2.2 故障診斷系統

當前故障診斷領域依靠的人工智能方法主要包括神經網絡和專家系統兩個[9]。

神經網絡可進行準確的非線性模式分類，具有相當強的自我學習能力，可根據生產實際數據不斷學習和加強自我處理能力。但是，神經網絡權重解釋困難，學習和推理過程無法人工干預和操控，在油氣處理工程中應用受到一定的限制。

專家系統以知識庫為基礎，具有模塊清晰、形式一致、表現直觀等優點。但是，因其以知識庫為基礎，當知識庫中數據容量很大時，該系統難以對數據的一致性和矛盾性進行分析，數據獲取發生困難，自我學習能力弱。油氣處理故障診斷系統采用基于故障知識庫的專家系統，運用正向推理獲得合理的知識配對，在事實數據與理論規則之間建立盡多的映射關系，增強沖突解決能力。開放人工干預端口，在知識庫中不能找到合適的理論規則時，允許用戶加入新知識，提高系統的自我學習能力和實用性。

3 結語

油氣處理故障診斷系統是一個集多種工藝于一體的復雜綜合系統，該系統穩定、安全運行是油田高效作業的基本保障。實時數據庫在事務實時處理和歷史數據管理方面具有無可比擬的優越性。故障診斷系統不僅解放了生產力，減輕了工人勞動強度，且能夠顯著提高油田的自動化水平和生產效率，通過實時數據庫全面掌握工程動態，提高生產效率以及油田經濟效益。

[1]許代紅，藍永乾．運用物聯網技術構建數字化油田生產運行綜合管理平臺[J]．通信管理與技術，2011（3）：32-35．

[2]王文，徐汀榮，邵偉峰．工控系統中實時數據庫關鍵技術研究與實現[J]．微電子學與計算機，2007，24（1）：69-72．

[3]欒振華．工業實時數據庫的應用設計及數據處理研究[D]．杭州浙江大學，2008．

[4]劉建臣．天然氣管道壓氣站的技術現狀及發展[J]．油氣儲運，2008，27（8）：49-61．

[5]聶書志．實時數據庫的設計思想和實現技術[J]．經濟與社會發展，2006，4（11）：l53-l55．

[6]涂乙，吳萌，管麗，等．注水開發油田結垢影響因素的分析與研究[J]．油氣儲運，2010，29（2）：97-99.

[7]高寧波，金宏，王宏安．歷史數據實時壓縮方法研究[J]．計算機工程與應用，2004，28（6）：167-173．

[8]張景濤，王華，王宏安．實時數據的存取與壓縮[J]．計算機技術，2003，30（3）：47-50．

[9]田軍慶，高輝．淺談“數字油田”的建立[J]．油氣田地面工程．2002，21（4）：133-134．

（欄目主持 關梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.3.018

基金論文：貴州省科技廳、畢節市科技局、畢節學院科技聯合基金項目“大數據在智能交通中的應用研究”（黔科合LH字[2014]7537號）。