工業無線WIA-PA技術在智能油田中的應用

(黑龍江省中科奧維科技有限公司，黑龍江牡丹江，157013)

引言

油田開發是將地下油藏資源進行鉆井開采及加工處理的過程，經歷勘探評價、鉆井、完井、地面建設加工處理、采集輸送、凈化處理等流程，工序很復雜。油田開發通過自動化、信息化技術革新，開發水平有了一定提升，但仍是在傳統行業模式基礎上加以改進。油田生產組織機構龐大，部門多、協作程度低，決策執行效率不高。生產過程仍以級級上報為主，生產成本居高不下，這種落后的生產方式與今天快速的信息化技術生產模式的矛盾日益突出。未來一段時間，油氣依然是全球使用的主要能源，大力發展科技創新，開發信息時代新理念是保持行業領先優勢的關鍵。油田信息化發展規劃預計2020年建成數字化油氣田，預計2022年實現智能油氣田建設的總目標[1]。

1 智能油田的建設思考

以打造智能油田為目標，優化完善專業庫和工作平臺，開展云數據集成與應用集成，物聯網和ERP應用集成系統建設，加強智能信息化對勘探開發主營業務的支撐作用。智能油田的建設是以數字化油田建設為基礎，智能化油田建設實施是一個不間斷循環過程，從油田的發現開始智能化，通過各種方式獲取數據，并對數據進行模塊化組件，為勘探評價、關鍵方案編制、產能建設和開發業務提供決策依據，從而更高效的服務于生產組織，方案決策、多專業多部門共同協作，閉環式持續往復優化，最終實現智能油田的系統整合、管理優化和高效開發[2]。

1.1 智能油田的硬件建設

智能油田硬件建設指使用各種傳感設備、裝置與通訊設備技術，實時采集所需要監控、連動、控制的設備的過程。通過采集設備電參數、壓力、溫度、位移、質量、流量等各種需要的數據，使物聯網、互聯網和管理人員、操作人員緊密結合形成一個大數據聯動交互網絡；實現物與物、物與人通過網絡信息連接，全面智能識別，信息管理和技術創新。智能油田建設通過“物(感知物)+云(云計算)+網(物聯網、互聯網)+端(手持終端)"模型實現生產現場無人值守，重要數據實時遠傳，關鍵環節自動連鎖、智能邏輯控制，要害風險自動截斷，過程監控遠程可視[3]。智能油田可以實現“無人值守，遠程決策”，實現遠程監視、自動報警、控制、診斷和維護。

(1)物是指大量具有感知和識別功能的設備組成的感知物，主要包括生產現場設備的壓力、溫度、液位傳感器、流量計、視頻監控等感知設備。

(2)云是基于云計算模式的大數據應用；數據高度集成、數據邏輯分析、數據全面整合、數據資源共享分配、數據預測預警的技術集成；油田開發中云數據建立跨數據平臺，跨技術專業、全面立體、多維組合在線數據共享機制。

(3)網是指各種通訊網絡；包括互聯網、物聯網、電信網、移動通信網、衛星網、 廣電網形成的融合網絡，主要包括衛星與衛星基站，4G網絡等。

(4)端是指使用終端，包括手機移動終端、個人PC應用端等。主要表現為將感知信息進行智能集成和可視化顯示。

1.2 智能油田大數據開發

油田開發生產歷史過程就是一部大數據發展史，大量信息數據的產生應用，為大數據分析應用奠定了基礎。大力挖掘大數據資源信息，利用數據指導油田生產實踐，為提質增效提供決策數據依據。油田生產的大數據開發應用涉及到勘探、開發、施工、物資管理、財務管理、人力資源管理等領域。研發油田企業級大數據分析平臺，為制定節能降耗、提高效率及安全生產技術方案等提供科學手段。對多年積累的生產數據樣本進行深度分析，發掘各影響因素之間的內在規律，建立以提高抽油機井系統效率、降低注水系統能耗為代表的多因素、多約束、非線性油氣生產大數據分析模型，實現油田生產業務大數據分析應用[4]。

大數據開發處理方式分為數據統計、數據清洗、數據挖掘、數據分析應用四部分。

(1)數據統計：主要包括數據的收集、篩選、歸類等。方法主要有分類與回歸、聚類分析、關聯規則、時序預測、偏差檢測等。

(2)數據清洗：數據清洗過程主要包括數據的分類清洗、統一格式、統一描述方式等。

(3)數據挖掘：數據清洗完成后，根據分析指標，對數據進行挖掘，挖掘各數據項與分析指標間的影響規律。主要用來進行現狀分析，找出數據挖掘重點。

(4)數據分析應用：大數據分析常用到的方法有常規的關聯性分析、分類分析、回歸分析等。關聯性分析是對相互關系進行分析，確定影響因素對分析指標的影響程度，確定重點影響因素；分類分析是采用分類的方式，縮小同類之間的差距，使規律明顯化；回歸分析主要用來找出各因素和指標間的影響規律。

1.3 可視化智能控制

數據挖掘結果的可視化智能控制極為重要，可以利于分析找到規律，發現潛在的問題，所以需要將數據挖掘結果以圖形、表格等可視化的方式進行展示。可視化智能控制需要高效、一致性和透明化。生產管理中監控、流程、自動化可視化根本目標是為了服務于日常場景，通過對不同用戶群體的需求分析，云計算中心各種運維數據進行采集、擴充、抽取、加工；并進行針對性圖表樣式設計、頁面設計，實現直觀可視，提高治理和管理水平[5]。實時數據可視化顯示可以幫助管理人員及時發現問題、判斷問題，是大數據解決系統問題至關重要的一部分。

1.4 智能診斷剖析

借助信息數據可視化圖表，對挖掘分析結果進行因果分析，發現其中存在的問題，剖析問題原因，尋找影響問題的主要因素，得出智能診斷剖析結果，為方案優化提供基礎。信息數據可視化可服務于決策領導者、運維管理人員、地球物理勘探研究人員等不同類型用戶，依托不同群體的不同需求為導向，開發具有針對性，智能性的診斷剖析結果展示[6]。

1.5 智能方案制作優化

根據智能油田數據采集的大數據信息，進行清洗整理，數據挖掘，綜合分析診斷，制定調整智能措施方案，對相關工藝參數進行優化，并進行措施效果預測。對調整方案進行現場實施修改，使分析成果落地，并進行效果跟蹤評價。收集方案實施前后的數據，分析實施效果與效益，并對實施后的數據進行分析，形成閉環分析流程[7]。

1.6 過程實施智能控制

(1)實時全面感知：使用數據采集傳感設備，通過信息網絡傳輸數據信息展示，實現對油田各生產環節的全面感知。既要對油田生產的設備進行實時數據采集，還可通過遠程視頻直接查看現場工作，進行遠程現場會議。

(2)自動智能處理：通過對采集到的數據進行大數據、云計算處理，將操作指令反饋傳輸到現場，利用自動化控制技術，對現場生產設備進行遠程自動處理。

(3)預測預警：通過大數據處理、挖掘、分析，對生產趨勢進行預測預警。如對單井數據進行采集分析處理，結合運行情況進行智能分析預測，對有可能發生的生產事故故障進行預警處理。

(4)輔助數據決策：利用采集到的可視化的數據信息、結合油田專家的實際經驗、運用油田專業技術知識、現場研究處理成果，進行綜合判斷分析，做出輔助決策方案。

(5)智能分析優化：建立大數據庫分析智能處理系統，運用云計算綜合技術，對生產運行的數據、油藏數據、決策方案進行數據評價和分析，做出優化數據方案，促進油田生產、管理優化，實現油田生產優化開發。

(6)全面聯系：在設備實時全面感知的基礎上，智能可視化顯示完成油田現場操作人員與指揮室人員之間的視頻信息互動。人與儀器之間的數據協同、遠程操作，實現不同業務之間的相互數據關聯與協同運行，將油田生產運行通道全面打通，這是實現智能油田至關重要的一步[8]。

1.7 人工智能在智能油田中的應用日益廣泛

未來智能化油田必然是以高度的集成化和智能化為特征的智能型油田企業，以減少生產中的人的體力勞動和腦力勞動為發展目標，即在整個生產過程中通過計算機將人的智能活動與智能機器有機融合，以便有效地推廣專家的經驗知識。

通過虛擬網絡實體物理系統， 整合智能機器、儲存系統和生產設施。通過物聯網、服務計算、云計算等信息技術與制造技術融合，實現軟硬件資源和能力的全系統、全生命周期、全方位的透徹的感知、互聯、決策、控制、執行和服務化，使得從井場生產、到作業、到油藏的全面感知；實現人、財、物、信息的數據集成、共享、協同與優化。流程整合會帶來全局創新效應流程管理，應用物聯網、互聯網、人工智能、大數據等新一代信息技術，實現人性化的智能技術和智能管理系統。以使用智能機器人為代表的自動化應用日趨廣泛，在石油行業也已經有部分企業將智能機器人納入智能生產與智能管理[9]。

2 網絡建設是智能油田建設的基礎道路

在數字化油田全面建成的基礎上，開展數字化油田深入應用的工作，將數字油田向智能油田發展轉變，建成全面感知、預測預警、數據驅動、智能操控的智能油田，利用無線專網設計無線集群系統，將原來單純的語音通訊變為語音、生產數據、視頻圖像傳輸[4]。:在整個油田物聯網當中，需要統計好油田在油井、聯合站、注水站、接轉站、計量站、配水間等設備的數據，然后監督好罐內液體位置、實時溫度、流量大小、壓力情況、可燃氣體的比重等。傳感器需要安裝在油田生產的設備上對這些信息進行采集和檢測工作，傳感器是物聯網構建的重要環節，在不斷的發展過程中，呈現出一體化、低功耗。無線調度系統能夠和有線調度系統互通，具備有線調度系統調度無線系統管理的能力[10]。

2.1 數據通信技術

所有井、間、站數據自動采集、故障智能分析、生產參數遠程調控，生產站場“有人巡檢、無人值守”，形成整體系統的油田智能化管理模式，實現專業化運行。油田智能化使各項管理提高效率，實現向智能化、精細化、定量化管理的質變。形成了“讓數據工作、聽數據說話、用數據指揮”的管理新模式。實現生產和管理人員的語音聯通；實現生產設備狀態實時可視化；實現遠程視頻監控；實現可視化調度；通過智能化移動終端，實現智能巡檢，實時了解巡檢狀態，并有遠程專家指導。

(1)無線視頻監控：實現廠內偏遠區域覆蓋、彌補固定視頻監控盲區的施工作業區域，以及特殊作業區域等。使用移動視頻監控設備可以實時監控現場作業全過程。

(2)無線智能巡檢：使用手持終端的無線智能化巡檢，實現巡檢過程控制、數據標準記錄、工作情況監督、數據匯表自動生成上傳。

(3)無線定位功能：可以定位手持終端位置，顯示手持終端的狀態信息、方向等相關信息。實現越界報警和人員倒地報警等功能。

(4)有線無線融合通信：有線調度電話、無線集群終端和擴音對講系統互通，通過統一的可視化調度臺，實現廠內通信系統的融合互通，確保安全生產，提高溝通效率。

(5)無線資產信息管理：系統與工廠MES系統通訊，智能終端掃描現場設備識別碼后，搜索調用設備全生命周期的管理信息。

(6)無線應急指揮：在調度站和智能終端之間視頻通信，實現遠程視覺應急指令，做到應急指揮的準確判斷和執行。

2.2 WIA-PA網絡分層的高效網絡組織與管理架構

油田現場數據是數字油田的基礎與核心，基于無線通信的物聯網技術是實現數據采集和傳輸的手段，其安全性直接決定了未來我國石油生產的安全。因此，基于我國自主研發的WIA-PA技術來構建油井數據采集和傳輸的通道將極大提高數字油田的可控性，避免國外技術某些隱藏的“后門”造成關鍵數據外泄。WIA網絡融合了‘網狀網’和‘星型網’優勢 ，成為復合結構的先進工業無線通訊網絡，動態網絡的管理效率提高80%以上，網絡規模達到千點級。

2.3 自適應跳頻實現高可靠通信，提升抗干擾能力

WIA網絡具有射頻環境認知能力的多級自適應跳頻機制，是國際上工業無線網絡獨有的智能跳頻技術。WIA網絡在同頻干擾環境下的通信可靠性達到99%。

2.4 聯合調度模式，保證系統實時性

發明在多跳無線自組網中時空頻聯合調度的實時通信技術，對頻譜資源在時間、頻率、空間三維進行高效利用，保證通信實時性，時延指標達到國際先進水平。

2.5 微秒級高精度同步、實現微瓦級超低功耗

突破傳統單源時鐘和固定周期的同步框架，發明多源隨機選擇和周期自適應的時間同步方法，采用多時鐘源、按需同步，同步精度達到100us，功耗指標達到國際先進水平，實現微瓦級超低功耗，大大延長設備使用壽命。

2.6 低功耗設計，提升電池使用壽命

2.6.1 網絡低功耗

WIA-PA網絡通訊設備和路由采用TDMA運行機制，可有計劃的進行時間限定休眠和喚醒，平均電流微安級，精確的時間同步喚醒機制，保證了設備低功耗運行。WIA-PA網絡節點支持功率自適應技術，依據實際通信鏈路情況調整射頻功率，達到穩定傳輸下的最小功耗消耗。

2.6.2 產品低功耗

基于網絡的休眠喚醒機制，產品采用多部件分級低功耗設計，間斷工作降低產品平均功耗，提升電池使用壽命。考慮實現現場儀表的在全溫度范圍內的正常工作，軟件機制采用時空頻聯合調度機制。根據網絡的情況智能調節發射功率節省電流，硬件設計在低溫-40℃采用溫度補償原理和抗低溫器件，保證儀表的低溫-40℃-60℃溫度范圍工作。

2.7 傳輸低功耗設備狀態實時監測

設備具備狀態監測模塊，監測自身的狀態，周期性的將設備的狀態通過WIA網絡傳輸給綜合管理平臺，并給出報警提示設備的正常、故障、告警、電池更換等信息，同時在現場的顯示屏顯示出相關的信息，綜合管理平臺根據現場的設備情況制定設備維護策略由技術人員進行維護和查看，設備智能化的設計很大程度上提升設備的可維護性。

2.8 設備代碼遠程升級

現場無線設備支持手持器本地升級代碼，支持遠程在線升級，支持遠程全網升級，當現場出現需要更改多設備的代碼進行升級時，可以采用全網升級，無人值守升級，升級成功后給出提示，供維護人員查看，極大的減少了維護的工作量。

2.9 智能識別技術

現場無線儀表部署完畢后通過智能識別技術在綜合管理平臺自動建立并顯示出一口相關類型的井及儀表，避免原有系統設備需要人為配置的操作，降低工人工作量，提升系統的使用效率。現場儀表進行批量校準時，為了避免返回時無法獲取設備的安裝位置，通過智能識別技術可以不用很復雜的配置，通過儀表上的按鍵實現一鍵配置入網，現場儀表的數據在綜合管理平臺自動續存。智能識別技術很大的減少了現場的維護和操作的工作量，取消了綜合管理平臺的人為配置，實現了油田的精細化管理目標。

2.10 數據雙層備份及斷點續傳功能

WIA-PA網絡中的網關、油井智能電參管理器針對油田傳輸系統不穩定的情況，設計了數據備份功能，油井智能電參管理器可以存儲一個月的井口儀表數據，WIA-PA網關可以存儲一個網關管理下的所有井口一個月的儀表數據。WIA-PA網關根據傳輸系統的穩定情況進行斷點續傳數據，避免關鍵數據的丟失。斷點續傳功能支持主動續傳以及綜合管理平臺的續傳請求兩種方式進行數據傳輸，實現方式靈活可靠，更加適應油田的現場應用場景。

2.11 人機交互接口友好

WIA-PA網絡設備支持智能終端和網絡內任何一臺設備進行交互，同時支持在脫網情況下的智能終端和單個設備交互，支持智能終端采集儀表數據，獲取儀表狀態，控制抽油機的啟停等功能。WIA-PA網絡對智能終端要求不高，智能終端在具有防爆要求場合使用防爆工業手持機，一般工況環境下采用智能手機即插即用終端的模式，節省資金投入，增加了可用性。井場油井智能電參管理器設備設計支持語音提醒、語音警告、語音驅離，多層人機交互模式，對工作人員進行啟停井操作的語音提醒，對非工作人員闖入進行語音警告，對破壞分子進行語音驅離的多層模式設置，使得油井智能電參管理器設備的功能更加適應現場復雜的人員情況，應對不同的突發情況。WIA-PA網絡為自組織網絡，網絡設備均具備兩條路徑，且采用TDMA機制，確保所有網絡設備數據不發生沖突，降低網絡通信不暢造成的功耗浪費。

3 WIA-PA安全技術體系

WIA-PA是一種工業過程測量、監視與控制的無線網絡通訊技術。WIA-PA通訊技術采用自組織、自治愈的智能網絡路由機制，可以對現場條件和環境的變化情況，保持通訊可靠和穩定。WIA-PA網絡通訊技術使用中心主站控計算機作為對工業無線網絡進行監控的工具，可以實現現場設備網絡與現場操作人員之間信息通訊。管理人員通過中心主站控計算機可以監測工業環境的實際情況，了解網絡中無線設備的工作狀態。網絡管理者可以構建Mesh結構以及星型網絡，分配通信所需要的網絡資源，監測網絡性能，包括設備路由狀態、路徑狀況和信道狀況。WIA-PA網絡安全管理者負責路由設備與現場設備的密鑰管理、安全認證等安全程序。

3.1 WIA-PA網絡拓撲結構

WIA-PA網絡采用Mesh和星型結合的兩層網絡拓撲結構。第一層是由WIA-PA網絡路由管理設備、終端處理設備、手持終端互動設備構成的星型網絡結構。第二層是由WIA-PA網絡Mesh拓撲結構構成的骨干網絡，由網關和路由設備構成。

使用WIA-PA網絡網關設備可以實現WIA-PA網絡與其他網絡數據交換與數據映射互聯。WIA-PA網絡路由設備構建由終端和路由設備星型網絡構成，可以監測子網通信情況。終端設備進行現場數據采集，通過路由設備將數據傳送到網關設備。

3.2 WIA-PA網絡威脅分析

WIA-PA網絡是開放性網絡，可能受到非法入侵、毀壞數據、惡意攻擊等威脅。因此必須采取安全防護措施，保證WIA-PA網絡的安全操作和網絡通信安全，保證生產正常進行。WIA-PA網絡面臨的主要威脅有來自外部的惡意攻擊和無線網絡本身缺陷。惡意攻擊是人為的破壞，以破壞網絡信息、獲取對方信息為目標，主要手段有修改、刪除、偽造、欺騙、病毒等。無線網絡本身的缺陷有電源能量的限制、有限的存儲、運行空間和計算能力的限制、通信的不可靠性、節點的物理安全無法保證、節點位置的隨機性等。

3.3 WIA-PA網絡安全措施防護

WIA-PA網絡安全體系應該遵循以下的安全措施和安全服務原則：易于部署和使用； 安全服務項目和安全措施可選；盡可能減少與人有關的操作；在安全性允許的情況下，盡可能減少安全信息的傳輸；利用基于硬件的加密技術；使用已有的加密和認證技術。

3.4 WIA-PA網絡安全目標

WIA-PA網絡安全目標主要是解決網絡內部資源和數據通信的安全，WIA-PA網絡安全應該包括：邊界保護、訪問控制、系統的可用性、數據的完整性、設備認證、機密性、不可抵賴性、密鑰管理、可審計性。

3.5 WIA-PA安全分層分級

明確WIA-PA網絡的定位、服務類型和對象的基礎上，根據網絡面臨的安全威脅和使用的層次、安全等級，針對性實施安全方案和措施。

(1)MAC層安全：MAC層負責處理傳輸流出MAC幀和接收流入MAC幀。通過設置合適的密鑰及幀計數器，控制MAC安全處理操作。MAC層的安全相關屬性、校驗模式等安全定義保持與IEEE 802.15.4標準一致。

(2)數據鏈路層安全：數據鏈路層是實現點到點數據安全傳輸。數據鏈路層使用數據加密和消息完整性校驗碼保護傳輸的數據安全。數據加密實現了數據的保密性；數據鏈路層有效載荷經過校驗算法生成數據密鑰，用來驗證數據信息完整性的MIC是使用數據鏈路層數據。

(3)應用層安全：應用層負責發送流出包、安全接收流入包。通過安全管理向應用層發送的原語來控制密鑰管理。安全應用管理是根據安全策略，先對數據進行安全處理，然后把安全數據發送到應用實體，實現對網絡應用層的安全措施管理。

4 WIA-PA網絡安全管理體系

WIA-PA網絡安全管理體系分為兩層，其中網關和路由設備構成Mesh結構層級，同時路由設備和終端設備/手持設備構成星型結構層級。網絡安全管理體系的重點集中于通信傳輸安全保密和相關應用安全管理體系。WIA-PA網絡安全管理體系應該考慮低能耗設備的資源受限，自選安全策略使用的范圍，確定用于保護設備間通信的加密密鑰數量規模層級。

4.1 安全管理架構

由于WIA-PA網絡拓撲結構的特殊性，特設計安全架構，其中安全管理者將現場設備的管理權限授予網關和路由設備，令其擔當安全管理代理的角色。WIA-PA網絡安全管理采用集中和分布管理相結合的方式。系統安全管理由網絡安全管理者、用戶安全管理者完成。現場設備的管理權限交給現場使用者管理，路由設備交給網絡安全管理者和用戶安全管理者管理。

WIA-PA網絡安全通信的實時性與設備資源的有限性，WIA-PA網絡需要分層分級實施不同的安全策略和措施。WIA-PA網絡的安全管理者、網關設備、路由設備和現場設備上的安全管理模塊組成了安全管理架構。WIA-PA網絡安全防火墻對整個網絡實施邊界保護，保證網絡正常工作。

(1)數據完整性安全管理：WIA-PA網絡數據進行完整性校驗安全管理，發送方采用密鑰對包進行校驗算法運算，獲得校驗碼，驗證校驗碼的正確性，判斷數據是否被篡改，保證數據完整安全。

(2)數據保密性安全管理：WIA-PA網絡數據進行保密性安全管理，發送方采用相關對稱加密算法對數據進行加密運算，發送到接收方。接收方收到的密文利用相同的對稱加密算法進行解密運算，獲得解密后的安全數據，保證數據的保密安全。

(3)認證安全管理：利用設備的安全信息對設備認證安全管理。設備安全信息由加入密鑰與設備地址一起生成，是不可逆的安全認證，保證設備認證安全。

4.2 網絡安全傳輸

4.2.1 現場設備到主控計算機的安全傳輸過程：

現場設備DMAP的安全管理模塊根據MIB中的SecMode和SecLevel，可選擇將應用層ASL載荷加密和MIC校驗后傳遞到網絡層；安全管理模塊再根據MIB中的SecMode和ecLevel，可以選擇對數據鏈路層DLSL載荷進行加密和MIC校驗，再將包發送給路由設備；路由設備收到包后，首先驗證該數據包的完整性，并在數據鏈路層對DLSL載荷進行解密操作后，使用下一跳設備的數據鏈路子層密鑰對DLSL載荷進行加密和校驗操作，通過網狀網絡轉發給網關設備；當網關設備接收到加密數據包時，安全管理模塊在數據鏈路層和應用層進行相應的完整性校驗管理和解密操作管理，然后發送給中心主站計算機。

4.2.2 中心主站計算機到現場設備的安全傳輸過程：

該過程是現場設備到主控計算機安全傳輸過程的逆過程。

5 結束語

油田開采過程數據是數字油田的基礎與核心，基于無線通信的技術是實現數據采集和傳輸的手段，其安全性直接決定了未來石油生產的安全[11]。因此，基于我國自主研發的WIA-PA技術來構建油井數據采集和傳輸的通道將極大提高數字油田的可控性，避免國外技術某些隱藏的“后門”造成關鍵數據外泄。WIA-PA技術是一項面向大量傳感器信息采集和傳輸的智能組網和高可靠、高安全無線通信技術，填補了我國在物聯網領域自主技術的空白。WIA-PA技術融合了‘網狀網’和‘星型網’優勢，具有復合結構的先進工業無線網絡，動態網絡的管理效率提高80%以上。WIA-PA技術具有射頻環境認知能力的多級自適應跳頻機制，是國際上工業無線網絡獨有的智能跳頻技術。WIA-PA網絡在同頻干擾環境下的通信可靠性達到99%。在智能油田建設中應用工業無線WIA-PA技術可以打造堅實可靠的數字基石[12]。