油氣生產物聯網管理子系統(tǒng)的設計與實現

蔡鳳翔 龔仁彬 李群 王從鑌 姚剛

摘 要：為了節(jié)約油氣生產的建設投資成本，提高勞動生產效率，中石油建設了規(guī)范、統(tǒng)一的油氣生產物聯網系統(tǒng)。文中介紹了油氣生產物聯網管理子系統(tǒng)的功能設計、系統(tǒng)數據架構及數據處理。該系統(tǒng)的持續(xù)完善與深入應用必將為轉變油氣田生產方式、優(yōu)化組織結構、優(yōu)化管理流程、提升生產效率、降低運營成本發(fā)揮更大的作用。

關鍵詞：油氣生產;物聯網;管理;Java;生產效率;子系統(tǒng)

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）10-0-03

0 引 言

物聯網（Internet of Things）起源于傳媒領域，是信息科學技術產業(yè)的第三次革命，是通過傳感設備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯網相連接進行信息交換與通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控與管理的一種網絡[1]。物聯網是互聯網的延伸，互聯網的終端是計算機（PC、服務器），通過計算機運行程序進行數據處理，通過網絡進行數據傳輸，除計算機外，不涉及其他任何終端（硬件）。而物聯網的本質還是互聯網，但終端不僅是計算機（PC、服務器），還有通過傳感設備連接的其他物體，如環(huán)境監(jiān)控設備、虛擬現實設備、油氣采集設備等。因此，可通俗地認為，物聯網就是把物體通過傳感設備連入互聯網的網絡，其目的是實現物與物、物與人、所有物體與網絡的連接，方便識別、管理與監(jiān)控。

目前，國際先進石油公司已基本實現生產數據的自動采集與處理，并在此基礎上發(fā)展形成了生產自動監(jiān)控、生產自動預警以及生產智能決策的物聯網管理系統(tǒng)。國內領先的油氣田公司也進行了成功的探索與試點，通過油井的生產自動監(jiān)控減少運行維護成本，提高油氣田生產決策的及時性和準確性[2]，已經證實了油氣生產物聯網的技術成熟性與經濟可行性，成為石油石化行業(yè)發(fā)展的新趨勢。建成并應用的部分油氣生產物聯網系統(tǒng)在軟件平臺、開發(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)。中國石油“十二五”信息技術總體規(guī)劃中，將物聯網系統(tǒng)建設作為集團公司2012年三大標志性工程之一，提出了建設規(guī)范、統(tǒng)一的油氣生產物聯網系統(tǒng)，為公司生產經營平穩(wěn)較快增長提供有力支撐，從而能夠節(jié)約油氣生產的建設投資，提高勞動生產率。油氣生產物聯網系統(tǒng)包括數據采集與監(jiān)控、數據傳輸、生產管理[3]三個子系統(tǒng)，本文僅介紹生產管理子系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)功能設計

根據油氣生產物聯網管理子系統(tǒng)的需求分析，系統(tǒng)需要滿足油氣生產監(jiān)控、日常報表生成、生產管理、設備管理、數據管理、系統(tǒng)管理等，在此基礎上，子系統(tǒng)功能設計了系統(tǒng)主頁、生產過程監(jiān)測、生產分析、功圖分析、報表管理、物聯設備管理、視頻監(jiān)測、數據管理、系統(tǒng)管理9個模塊。油氣生產物聯網管理子系統(tǒng)的功能設計[4]如圖1所示。

系統(tǒng)主頁：主要展示總井數、監(jiān)測井數、開井數、告警井數、預警井數、累計產油量/氣量、日/月產油量/氣量、產油量趨勢、產氣量趨勢、產水量趨勢、產液量趨勢、收藏夾、物聯設備數據、油氣水井告警預警等。

生產過程監(jiān)測：匯總各組織層級（油氣田分公司、采油采氣廠、作業(yè)區(qū)）下所有生產單元的生產監(jiān)測信息;針對具體的生產單元，綜合展示單井、站庫、管線的實時生產數據、告警/預警信息、單井產量趨勢、生產時率、參數變化趨勢、視頻圖像等;提供快速跳轉至相應生產單元的報表、物聯設備管理及視頻監(jiān)測模塊等頁面鏈接。

生產分析：分析所在組織層級的生產情況，以支持各級生產人員分析決策。其中，組織層級包括油氣田分公司、采油采氣廠、作業(yè)區(qū)與站庫（班組）;分析產量趨勢、供注入量波動趨勢、生產時率、產量對比分析、多井對比分析等。生產分析模塊主要包括油田級生產分析頁、廠級生產分析頁、作業(yè)區(qū)級生產分析頁、站庫級生產分析頁。其中油田級生產分析頁包括產量趨勢分析與生產時率分析;廠級生產分析頁包括產量趨勢分析、生產時率分析及供注入量波動分析;作業(yè)區(qū)級生產分析頁包括產量趨勢分析、生產時率分析、供注入量波動分析及多井對比分析;站庫級生產分析頁包括產量趨勢分析、生產時率分析、供注入量波動分析及多井對比分析，實現單井多項運行參數對比分析，通過分析參數之間的關系，發(fā)現異常生產情況。

功圖分析：進行產量趨勢分析、供注入量分析、生產時率分析、產量對比分析、多井對比分析、功圖對比分析;分析所在組織層級的生產情況，以支持各級生產人員分析決策。

物聯設備管理：維護物聯設備的檔案臺賬，實現物聯設備狀態(tài)監(jiān)測、檔案管理、故障統(tǒng)計分析;分析設備的故障分布情況，提供物聯設備運行狀態(tài)拓撲圖監(jiān)測;提供物聯設備預警/告警提示功能。

報表管理：通過報表模塊查看生產單元的生產數據報表、設備故障報表、系統(tǒng)運行報表以及定制化報表。

視頻監(jiān)測：集中展示生產單元的視頻圖片，生產單元的告警、預警信息，根據用戶需求實時記錄井場視頻。

數據管理：提供生產日數據管理，包括單井日數據錄入與審核功能;提供基礎數據管理、數據標簽管理功能;提供數據接口管理功能，展示與其他統(tǒng)建系統(tǒng)及油田自建系統(tǒng)的數據交互情況，并且能夠添加生產單元。

系統(tǒng)管理：實現用戶權限管理、采集參數配置、生產監(jiān)測配置、物聯網設備配置以及日志的查詢與運維管理等功能;系統(tǒng)管理主要供系統(tǒng)管理人員使用。

油氣生產物聯網生產管理子系統(tǒng)的用戶使用瀏覽器通過用戶名、密碼及驗證碼登錄系統(tǒng)，登錄進入系統(tǒng)的用戶根據自身權限進行操作，系統(tǒng)操作均有相應的提示信息出現，方便用戶使用。

2 系統(tǒng)數據架構及數據處理

油氣生產物聯網生產管理子系統(tǒng)的數據根據監(jiān)測與控制對象自底向上分為：井場（井）、中型站場、大型站場、作業(yè)區(qū)、采（氣）油廠、其他應用系統(tǒng)的數據。根據中國石油各層級的不同需求，總體數據架構根據組織層級、部署模式，自底向上分為數據源、數據匯集層、數據緩沖層、油田公司數據存儲層、總部數據存儲層。通過數據管理平臺實現數據權限管理、元數據管理，并為采集與控制系統(tǒng)、生產管理系統(tǒng)、生產管理系統(tǒng)（總部綜合應用）提供數據服務。總體數據架構如圖2所示。

數據模型設計分為主題域、概念模型（數據對象）、邏輯模型、物理模型四個層次，通過層層細化，可更清晰地理解中國石油擁有的數據。

數據主題域涵蓋支撐中國石油油氣生產物聯網業(yè)務領域的統(tǒng)一數據分類，它將同類或關聯關系較為緊密的數據對象進行劃分，從而形成數據集合;概念模型細化各主題域中數據對象（實體），通過數據對象及其關系描述中國石油企業(yè)運營及管理過程中涉及的主要業(yè)務概念與相關規(guī)則，規(guī)范化數據對象的定義;邏輯模型用于有力地指導物理模型的實施;通過邏輯模型的指導建立系統(tǒng)物理數據模型。

油氣生產物聯網管理子系統(tǒng)數據處理流程如圖3所示。在不同生產管理層級間進行內部數據處理時，將數據處理分為七個處理環(huán)節(jié)：與現有SCADA系統(tǒng)集成、采集設備到組態(tài)軟件和數據匯集層功圖關系數據庫、組態(tài)軟件到數據緩沖層實時/歷史數據庫、數據緩沖層實時/歷史數據庫到油氣田公司數據存儲層實時/歷史數據庫、油氣田公司數據存儲層實時/歷史數據庫到油氣田公司數據存儲層關系數據庫、數據匯集層功圖關系數據庫到油氣田公司數據存儲層關系數據庫、油氣田公司數據存儲層關系數據庫到總部數據存儲層匯總關系數據庫。

3 系統(tǒng)實現

油氣生產物聯網管理子系統(tǒng)采用實時數據庫技術、關系數據庫技術、物聯網三層模型架構，使用Java編程語言完成系統(tǒng)開發(fā)，實現了完整的系統(tǒng)日志與系統(tǒng)管理控制，便于控制系統(tǒng)運行，監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，進行有效的故障處理，降低后期運維成本。

系統(tǒng)采用用戶名與密碼方式登錄，登錄后顯示系統(tǒng)主頁如圖4所示，各功能模塊相互連接、相互組合，用戶使用時一目了然，非常方便。

4 結 語

物聯網技術是科技發(fā)展的一項新成果，在油氣生產領域使用物聯網技術有助于提升生產效率、降低運營成本、優(yōu)化組織結構、優(yōu)化管理流程。在實際應用中，應不斷完善系統(tǒng)功能，加強與油田現場的合作，建立完善的油氣生產物聯網系統(tǒng)運維管理制度，及時對油田運維管理人員進行培訓，提升運維管理人員的計算機信息管理能力，使油氣生產物聯網管理子系統(tǒng)發(fā)揮更大的作用。

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