淺析油氣田工業互聯網平臺建設研究

姚鵬 馬建軍 王勁舟 楊冬

摘要：本文從當前長慶油氣田數字化建設面臨諸多的問題，分析并提出相關解決方案，從而達到建設具有數據鏈路短、開放度高、協議標準化、管理便捷化和數據可視化的油氣田工業互聯網云平臺。

關鍵詞：互聯網;架構;協議;數據庫

1.當前長慶油田油氣田數字化建設存在的問題

（1）油氣田SCADA系統分別部署，所需軟件點數多，數量多，維護升級費用較高;

（2）由于長慶油田規模大、體量大、層級多，實時數據從傳感器到各級管理人員鏈路級數多，每一級都存在點名對應、量程對應、流程畫面對應的要求，隨著智能化深入應用，對數據真實性、準確性、穩定性提出更高要求，有必要采取新的架構降低難度，減少維護量。

（3）由于SCADA系統獨立建設，數據分散存儲，網絡隔離等原因，大量傳感器采集的秒級實時數據只用于過程監視、控制、報警，利用率太低，沒有用于設備資產管理，動設備預測性維護、指標統計分析、工藝系統優化、趨勢預測、降低能耗、降本提質增效等更多領域。

2.建設云邊端協同架構

第一，發揮云化的數據中心作為中心大腦的作用，配合邊緣節點、終端用戶做相應的數據管理，開發融合開放的數據管理技術。第二，建立跨云數據中心、跨邊緣節點、跨終端用戶的數據安全體系。邊緣節點和用戶終端算力是非常有限的，必須與輕量化、高效率的云端配合，才能夠實現對完整體系的安全防護。第三，進行相應的協同計算。要想把一部分AI推理做成輕量化的推理引擎，并放置在邊緣節點或終端節點，就要進行協同計算，建立跨云邊端的體系框架，形成一站式的智能平臺。

3.MQTT協議的應用

油氣田SCADA系統建設主要采用Modbus協議，Modbus TCP主站通過串口服務器采集數十個Modbus RTU從站時，采集速度慢，且多主站同時采集從站出現不穩定的問題。

MQTT（消息隊列遙測傳輸）是ISO 標準（ISO/IEC PRF 20922）下基于發布/訂閱范式的消息協議。它工作在 TCP/IP協議族上，是為硬件性能低下的遠程設備以及網絡狀況糟糕的情況下而設計的發布/訂閱型消息協議。

MQTT協議具有輕量，簡潔，易開發以及跨平臺性的特點，通過MQTT通訊協議可以實現數據在網絡中的傳輸。提供三種不同等級的服務質量，一個字節固定消息頭，兩個字節心跳報文的報文設計模式，使得它非常適合在低帶寬，高延時的物聯網通信中應用。目前，微軟Azure、谷歌云平臺等各大物聯網云平臺都使用MQTT協議作為消息通信協議，MQTT協議也是Facebook消息推送協議的選擇 。MQTT已成為M2M（機器與機器）物聯網消息傳輸中的標準協議。通過 TCP/IP 網絡連接，將采集的數據直接上傳到云端;解決Modbus TCP主站通過串口服務器采集數十個Modbus RTU從站時，采集速度慢，多主站同時采集從站出現的不穩定的問題;以往通過PLC或組態軟件采集數十個設備的數據，編程過程比較繁瑣。采用MQTT協議后，編程過程變得簡單很多，只需要在云端集中處理所采集的數據。

具體到物聯網場景中，則是在云平臺服務啟動后，物聯網設備可以發送CONNECT 控制報文請求連接服務器，并 SUBSCRIBE（訂閱）一個或多個感興趣的主題，然后其它客戶端與 MQTT 服務器建立連接后，可以向這個服務器 PUBLISH（發布）有關主題的消息報文（有效載荷），MQTT 服務器（消息代理）就會把有效載荷發送給訂閱這個主題的物聯網設備，這樣就通過 MQTT服務器完成了客戶端之間的消息通信，實現了用戶客戶端（手機）遠程控制物聯網設備。

4.時序數據庫TDengine

所有機器、設備、傳感器、以及交易系統所產生的數據都是時序的， 而且很多還帶有位置信息。這些數據具有明顯的特征： 數據是時序的，一定帶有時間戳;數據是結構化的;數據極少有更新或刪除操作;無需傳統數據庫的事務處理;相對互聯網應用，寫多讀少;用戶關注的是一段時間的趨勢，而不是某一特定時間點的值;數據是有保留期限的;數據的查詢分析一定是基于時間 段和地理區域的;除存儲查詢外，還往往需要各種統計和實時計算操作;數據量巨大，一天采集的數據就可以超過 100 億條。

傳統的關系型數據庫或 MySQL 數據庫以及流式計算引擎由于沒有充分利用這些數據的特點，性能提升極為有限，只能依靠集群技術， 投入更多的計算資源和存儲資源來處理，企業運營維護成本急劇上升。

TDengine 正是濤思數據面對這一高速增長的物聯網大數據市場和技術挑戰推出的創新性的大數據處理產品，它不依賴任何第三方軟件，在時序空間大數據處理上，有著自己獨到的優勢。TDengine的性能遠超InfluxDB，寫入性能約為5倍，讀取性能約為35倍。

與第三方工具無縫連接：不用一行代碼，即可與 Telegraf， Grafana， Matlab， R 集成。新版支持 MQTT， OPC， Hadoop，Spark 等， BI 工具也將無縫連接。

零運維成本、零學習成本：安裝、集群一秒搞定，無需分庫分表，實時備份。標準 SQL，支持 JDBC， RESTful， 支持 Python/Java/C/C++/Go， 與 MySQL 相似，零學習成本。

5.基于HTML5設計組態設計器

就HTML 而言，其指的是Hyper Text Markup Language 的縮寫，中文翻譯為超文本標記語言，屬于互聯網發展過程中形成的對象描述語言。現階段，網絡之中的網頁大多屬于HTML 制作的，而HTML5是指第5 次修訂版本，也是最新版本。

基于HTML5設計組態設計器，提供一種通過瀏覽器使用的（無插件）在線組態工具集，用戶通過該工具可以完成實時監控界面的繪制，繪制完成的監控界面支持PC、手機、平板等跨平臺使用。能夠支持麥杰實時庫、TDengine時序庫、Redis緩存、ODBC數據接口等通用數據源。

用戶無需安裝插件即可完成組態界面的設計和實時點位配置工作，生成的界面能夠適應各種分辨率，支持PC、手機、平板等多種終端使用。用戶可以隨時預覽當前組態效果，可支持PC、手機、平板等多平臺顯示效果。

6.結語

（1）根據平臺需求，選擇云邊端協同架構，建設長慶油氣田互聯網云平臺。

（2）接入協議的選擇。對比帶寬和能源使用效率較高的數據傳輸應用協議。選擇 MQTT 協議作為數據傳輸協議。

（3）面對龐大的數據量和帶有時間戳的時序數據，傳統數據庫查詢和寫入速度較慢，選用TDengine濤思數據解決這一問題。

（4）基于HTML5設計組態設計器，提供一種通過瀏覽器使用的（無插件）在線組態工具集，快捷方便得實現數據可視化。