普光智能氣田數(shù)據(jù)資源共享中心建設

姜貽偉 李錦憲 張捍衛(wèi) 王慶銀 于艷秋 賀春光 梁梅生

1.中國石化中原油田普光分公司 2.中國石化中原油田分公司

普光氣田在建設之初，相繼建成了集氣站場光傳輸網(wǎng)絡、站場自動化控制系統(tǒng)（PLC、SCADA、DCS）、安全監(jiān)測報警與自動關斷、現(xiàn)場視頻監(jiān)控、緊急疏散廣播等信息化基礎設施，在氣田生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。但由于缺乏統(tǒng)一規(guī)劃部署，這些系統(tǒng)在氣田產(chǎn)能建設過程中分專業(yè)獨立建成，相關數(shù)據(jù)資源形成了多個“信息孤島”。這些分散獨立的“信息孤島”，雖然滿足了各業(yè)務部門對信息化應用的基本需要[1]，發(fā)揮了應有的作用，但在企業(yè)數(shù)據(jù)深度挖掘應用、機器學習、大數(shù)據(jù)分析等方面，數(shù)據(jù)資源建設還不能滿足智能氣田建設的需求，不利于業(yè)務和信息的深度融合發(fā)展。為此，普光智能氣田建設規(guī)劃設計了“1個平臺、2個中心、2個體系”的智能氣田整體架構。1個平臺即一體化應用平臺，2個中心即數(shù)據(jù)資源共享中心和輔助決策指揮中心，2個體系即規(guī)范標準體系和信息安全體系。其中數(shù)據(jù)資源共享中心是支撐智能氣田建設的關鍵基礎部分，為各業(yè)務系統(tǒng)應用和智能化目標提供統(tǒng)一的企業(yè)數(shù)據(jù)共享服務。

1 數(shù)據(jù)資源共享中心架構

國外石油公司如道達爾、英國國家石油公司等較早建立了企業(yè)級數(shù)據(jù)中心，國內石油公司如中國石油新疆油田、中國石化勝利油田、中原油田近年也建立了公司級的數(shù)據(jù)中心[2]。普光智能氣田數(shù)據(jù)資源共享中心建設總的指導原則：①要借鑒國內外石油公司企業(yè)級數(shù)據(jù)中心建設的成功經(jīng)驗，繼承中國石化源頭數(shù)據(jù)庫建設的成果；②標準規(guī)范先行，立足高含硫酸性氣田的特點，制訂適合高含硫氣田業(yè)務的數(shù)據(jù)規(guī)范標準；③推進按崗位進行數(shù)據(jù)采集，保障數(shù)據(jù)來源唯一、避免重復采集；④加強管理及應用，建立覆蓋數(shù)據(jù)全生命周期的管理體系，解決數(shù)據(jù)質量、數(shù)據(jù)安全等問題，建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)服務，解決數(shù)據(jù)共享困難等問題。

按照總的建設原則，普光智能氣田數(shù)據(jù)資源共享中心總體架構自下而上分別為數(shù)據(jù)規(guī)范標準、數(shù)據(jù)“采、存、算、用”及數(shù)據(jù)管控3層（圖1）。其中，數(shù)據(jù)標準涵蓋業(yè)務域、數(shù)據(jù)模型（SPDM）、數(shù)據(jù)質量規(guī)則等；數(shù)據(jù)采集涵蓋數(shù)據(jù)自動提取、格式轉換等；數(shù)據(jù)存儲涵蓋實時數(shù)據(jù)、結構化數(shù)據(jù)、成果文檔、GIS數(shù)據(jù)等；數(shù)據(jù)計算涵蓋數(shù)據(jù)驅動引擎、數(shù)據(jù)處理服務等；數(shù)據(jù)服務涵蓋主數(shù)據(jù)服務、數(shù)據(jù)微服務、數(shù)據(jù)接口等；數(shù)據(jù)管控涵蓋數(shù)據(jù)質量管理、數(shù)據(jù)安全管理、數(shù)據(jù)服務監(jiān)控等。在技術架構設計上，在數(shù)據(jù)采集體系充分應用物聯(lián)網(wǎng)技術；在數(shù)據(jù)存儲體系存儲考慮結構化和非結構化數(shù)據(jù)庫技術，縱向、橫向可擴展云計算技術；在數(shù)據(jù)計算體系上支持大數(shù)據(jù)分析等海量數(shù)據(jù)計算能力；在數(shù)據(jù)服務體系上既支持傳統(tǒng)數(shù)據(jù)服務，又支持數(shù)據(jù)微服務等云服務。

圖1 數(shù)據(jù)資源共享中心架構框圖

2 數(shù)據(jù)資源共享中心建設

2.1 數(shù)據(jù)規(guī)范體系建設

數(shù)據(jù)標準對于提升數(shù)據(jù)質量、促進數(shù)據(jù)融合和共享應用具有重要的作用。普光智能氣田數(shù)據(jù)規(guī)范標準建設在遵循中石化源頭數(shù)據(jù)的基礎上，對普光氣田各崗位業(yè)務數(shù)據(jù)流分析，將氣田數(shù)據(jù)資源劃分成不同的業(yè)務域[3-4]、業(yè)務活動，遵循 “業(yè)務流程建模—數(shù)據(jù)庫邏輯設計—數(shù)據(jù)庫E/R關系設計”數(shù)據(jù)規(guī)范制定流程，逐步形成了普光智能氣田數(shù)據(jù)中心規(guī)范標準，標準包括表命名規(guī)則、編碼、計量單位、業(yè)務分類、數(shù)據(jù)組織、換算關系。

數(shù)據(jù)規(guī)范主要涉及物化探、綜合研究、井筒工程、地面工程、開發(fā)生產(chǎn)、天然氣凈化、分析化驗、HSE應急、物資設備、規(guī)劃計劃等11大類業(yè)務域（表1）。如：業(yè)務域“綜合研究”包括“儲量計算”“氣藏開發(fā)評價”兩個業(yè)務活動，分別對應“氣藏類型與要素分析”“氣體流體性質分析”數(shù)據(jù)表。

2.2 數(shù)據(jù)采集體系建設

根據(jù)數(shù)據(jù)采集與存儲方式不同，設計了4類數(shù)據(jù)采集模式：①工業(yè)控制類數(shù)據(jù)實時自動采集；②崗位動靜態(tài)數(shù)據(jù)人工采集；③視頻監(jiān)控信息進行統(tǒng)一視頻接入；④文檔成果類數(shù)據(jù)定期歸檔。形成了完善的數(shù)據(jù)采集體系（圖2）。

實時數(shù)據(jù)采集。普光氣田先進的企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，全面覆蓋從井筒、站場、管網(wǎng)到凈化裝置的關鍵生產(chǎn)、工藝參數(shù)，實現(xiàn)LIMS化驗分析、采氣SCADA、凈化DCS等實時數(shù)據(jù)自動采集，將生產(chǎn)設施裝置的溫度、壓力、流量等通過RS485接口、硬接線方式接入站場、中控室PKS（Process Knowledge System），以API（Application Programming Interface）、OPC Server（OLE for Process Control Server）接口方式與辦公網(wǎng)絡數(shù)據(jù)信息交換[5]，滿足了生產(chǎn)實時監(jiān)控、預警報警的需要。

表1 標準規(guī)范分類表

圖2 數(shù)據(jù)采集體系框圖

崗位數(shù)據(jù)采集。針對基層崗位操作人員開展崗位資料收集、整理，分析業(yè)務數(shù)據(jù)模型，編制采集模型，建立采集任務，定制崗位報表。實現(xiàn)崗位數(shù)據(jù)一次采集、共享應用，實現(xiàn)各流程節(jié)點上的不同崗位業(yè)務協(xié)同，為專業(yè)應用、綜合管理提供基礎數(shù)據(jù)。

統(tǒng)一視頻接入。集成現(xiàn)場生產(chǎn)、辦公場所視頻信息，建立了以二級平臺設備層、接入層與一級平臺協(xié)議服務層聯(lián)通的視頻集成平臺。研究不同的視頻接入源和RTSP直播流、碼流轉換、碼流轉發(fā)、碼流合成等技術，采用優(yōu)選的H.264算法[6]進行編碼壓縮，按不同業(yè)務區(qū)域進行音視頻信號轉換、壓縮、加密、傳輸、分析采集，實現(xiàn)不同類型視頻的集中集成。

文檔成果數(shù)據(jù)歸檔。對鉆井、測井、錄井、井下作業(yè)、地面建設等工程施工形成的檔案資料，以及勘探開發(fā)綜合研究形成的成果數(shù)據(jù)，進行電子化分類歸檔存儲。

2.3 數(shù)據(jù)存儲體系建設

普光氣田具有數(shù)據(jù)類型多樣、數(shù)據(jù)量較大的特點，隨著業(yè)務信息化深化應用推進，數(shù)據(jù)量比之前有了較大的增長。存儲體系建設經(jīng)歷了從簡單到復雜、由單一到多樣、由分散到統(tǒng)一的過程。自智能氣田建設開展以來，之前的以數(shù)據(jù)庫為主的應用，發(fā)展到以數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、文檔數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)并存情況。數(shù)據(jù)結構上從結構化數(shù)據(jù)為主，發(fā)展成為結構化、半結構化和非結構化數(shù)據(jù)多種類型。按照結構化數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、視頻流媒體數(shù)據(jù)以及非結構化文檔數(shù)據(jù)等格式分類集中統(tǒng)一存儲，建立了完善的數(shù)據(jù)中心存儲體系（圖3）。

圖3 分布式存儲框圖

針對工業(yè)控制實時數(shù)據(jù)建立了高并發(fā)高帶寬的Oracle RAC分布式數(shù)據(jù)高速存儲；對于檔案成果等文檔采用Hadoop分布式文件系統(tǒng)，HBase文件存儲系統(tǒng)對海量數(shù)據(jù)分布式存儲[7]，充分利用集群能力進行高速運算和存儲；對于高并發(fā)的實時數(shù)據(jù)建立了Redis緩存；對于生產(chǎn)視頻監(jiān)控，采用云存儲技術[8]，將視頻監(jiān)控點的信息集中存儲和發(fā)布，由應用層來實現(xiàn)媒體資源數(shù)據(jù)在各個服務器集群之間的遷移，滿足了大量視頻數(shù)據(jù)環(huán)境下對存儲負載均衡和橫向容量擴展的需要，從而較好地解決了集中存儲IO瓶頸和故障冗余問題。

2.4 數(shù)據(jù)管理體系建設

重點圍繞數(shù)據(jù)質量管理、數(shù)據(jù)安全管理、數(shù)據(jù)服務監(jiān)控建立數(shù)據(jù)管理體系。加強數(shù)據(jù)質量管控建 設，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)質量相關規(guī)范的制訂、審核、發(fā)布的流程管理，提升了業(yè)務數(shù)據(jù)的完整性、有效性和一致性。強化數(shù)據(jù)質量事中控制，事后評價，降低因數(shù)據(jù)問題給企業(yè)造成的損失，提升決策分析依據(jù)的準確性和實用性。

數(shù)據(jù)安全管理，利用虛擬磁帶庫技術進行數(shù)據(jù)安全管理，定期對數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)進行備份恢復測試，同時根據(jù)數(shù)據(jù)類型和業(yè)務需求，創(chuàng)建不同的備份策略，提高了備份效率。“十三五”期間，將通過存儲虛擬化雙活技術，實現(xiàn)本（異）地災難備份保護[9]。

數(shù)據(jù)服務監(jiān)控管理，使用技術手段和管控措施監(jiān)控數(shù)據(jù)服務狀態(tài)，能跟蹤和控制大數(shù)據(jù)處理事務，對它進行終止、重啟等操作，確保大數(shù)據(jù)處理集群安全高效地運行。

2.5 數(shù)據(jù)計算體系建設

重點圍繞數(shù)據(jù)計算引擎、大數(shù)據(jù)分析挖掘算法建立數(shù)據(jù)計算體系。按照數(shù)據(jù)類型不同，分別建立結構化數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)、地理信息等計算引擎。基于Hadoop建立大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的匯集、計算以及人工智能的分析應用，在此基礎上利用經(jīng)典數(shù)學方法、大數(shù)據(jù)、機器學習等建立相應的算法模型，提升大規(guī)模數(shù)據(jù)并行計算能力，大數(shù)據(jù)服務共享能力。

2.6 數(shù)據(jù)服務體系建設

圍繞主數(shù)據(jù)服務、數(shù)據(jù)微服務、數(shù)據(jù)接口建立數(shù)據(jù)服務體系。主數(shù)據(jù)服務（圖4），它是整個企業(yè)范圍內各個系統(tǒng)間共享的重要數(shù)據(jù)，在整個企業(yè)范圍內必須保持一致性、完整性、可控性[10]。通過分析業(yè)務關鍵參數(shù)，確定普光智能氣田主數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對普光氣田主數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集和對外共享服務。

圖4 主數(shù)據(jù)服務框圖

建設數(shù)據(jù)微服務，如建立地理信息微服務，提供各種地理信息數(shù)據(jù)讀取、格式轉換，滿足應用系統(tǒng)對空間信息調用，建立文檔資源數(shù)據(jù)服務，提供文檔檢索查詢、調用等。建立數(shù)據(jù)接口服務，如建立基于實時數(shù)據(jù)資源OPC接口服務，為各應用系統(tǒng)提供共享實時數(shù)據(jù)調用，利用視頻平臺SDK開發(fā)包建立視頻組件，為三維可視化、智能管網(wǎng)、移動應用等提供視頻調用服務。

2.7 應用效果

通過普光智能氣田數(shù)據(jù)資源共享中心建設，形成了高含硫氣田數(shù)據(jù)采集標準規(guī)范，數(shù)據(jù)涵蓋勘探、開發(fā)、生產(chǎn)、集輸、凈化、QHSE、經(jīng)營等全業(yè)務領域。實時數(shù)據(jù)采集覆蓋全氣田DCS和SCADA系統(tǒng)3萬點位，視頻集成普光氣田生產(chǎn)現(xiàn)場和生活區(qū)域全部1 046路視頻，崗位數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)基層單位崗位全覆蓋，數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)年增量由原先2萬條上升到12萬條。數(shù)據(jù)共享服務能力得到大幅提升，通過開展主數(shù)據(jù)服務、數(shù)據(jù)微服務、數(shù)據(jù)接口服務建設，有力支撐了智能氣田勘探開發(fā)、三維仿真地理信息、生產(chǎn)運行與應急指揮、移動應用等智能氣田核心應用系統(tǒng)的高效和穩(wěn)定運行，為關鍵裝置故障診斷、管道腐蝕大數(shù)據(jù)分析等科技研究提供大數(shù)據(jù)基礎，為智能氣田數(shù)據(jù)挖掘、機器學習、大數(shù)據(jù)分析等智能化應用提供了強大的數(shù)據(jù)支撐。

3 結論與建議

1）數(shù)據(jù)資源共享中心是普光智能氣田建設的基礎工程，其總體架構設計、技術架構設計都圍繞數(shù)據(jù)是企業(yè)核心資產(chǎn)、數(shù)據(jù)是企業(yè)“新能源”這一理念來完成的。

2）普光智能氣田數(shù)據(jù)資源共享中心，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)一次采集、共享使用、統(tǒng)一管理的目標，為智能氣田業(yè)務系統(tǒng)建設提供了重要的數(shù)據(jù)基礎。

3）數(shù)據(jù)資源共享中心的建設是一個循序漸進的過程，要不斷結合物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新技術來逐步發(fā)展完善，不斷提升數(shù)據(jù)服務能力水平，為企業(yè)轉型發(fā)展提供強大的數(shù)據(jù)支撐動力。