FPSO智能管理平臺的開發及應用

王鑫章，蕭 陽，鄧 欣，楊 波，崔澤昊

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 天津 300457)

FPSO111 服役期間進行了多次智能化更新，即對中控系統進行提升，并添加了單點監測系統、變壓器在線監測系統、電站監測系統、應急指揮系統等。上述各工控系統、信息系統均采取分批分次、獨立開發的模式，各個系統之間形成了“煙囪式”的分布，所有信息系統的數據無法實現統一的管理及調度，數據利用率低、丟失嚴重，無法為業務系統提供有效支撐。同時在FPSO 管理方面，缺少一個統一平臺用于完成FPSO 日常管理、生產控制、應急指揮和宣傳展示等。針對以上這些情況，開發出本FPSO 智能管理平臺系統，旨在把各現用監測系統接入，實現數據統一管理調用、應用快速開發部署、三維可視化交互等功能，同時FPSO 智能管理平臺與陸地FPSO 智控中心、海油發展大數據平臺進行對接，以此來實現海陸智能化協同管理。

1 FPSO智能管理平臺總體設計

1.1 FPSO智能管理平臺構成

FPSO 智能管理平臺建設核心內容主要為：①完成在用數字化系統數據整合；②設計開發FPSO 智能管理系統；③設計開發FPSO 智能后臺管理系統；④設計開發三維展示平臺；⑤完成海陸功能對接服務。

1.2 FPSO智能管理平臺技術框架

本體系研發所使用的核心技術均是基于J2EE，在確保核心技術成熟穩定的前提下也能夠保證一定的技術前瞻性[1]。所使用的B/S 結構能夠集中部署、分布式地應用該體系，以便后期體系的更新維護；采用了MVC 信息系統開發模型，并嚴格按照SOA 體系架構設計軟件功能，在不影響目前信息系統功能正常使用的前提下能夠迅速拓展業務軟件功能，并針對信息系統實際業務量進行了軟件功能拓展，在實現信息系統正常工作需求時做到了成本最低[2]。信息系統分布式部署，各信息系統功能隔離操作，以保障系統整體工作的安全穩定。

1.2.1 Web 端技術棧

前端通過ElementUI/ECharts/DataV/Vue 實現，前端和Controller 的交互數據則基于Json 格式。

使用開源框架ElementUI 統一頁面風格，規范頁面結構及保證組件規范化，使用SCSS 預編譯CSS保證代碼的規范化、簡潔化；配置Flexible 并結合Flex 布局實現頁面的響應式布局，以兼容不同PC 分辨率；使用開源ECharts 數據可視化展示插件，以滿足不同統計數據展示所需的圖表；采用基于Vue 的大屏數據展示框架DataV，支持多屏協作及大屏拼接，支持8K 以及更高的分辨率。

在Coframe 框架基礎上搭配目前廣泛使用的用戶界面漸進式框架Vue(圖1)，同時結合UI 框架ElementUI 作為基礎架構。

圖1 WEB端技術棧Fig.1 WEB technology stack

基于MVVM 框架Vue 實現數據的自動渲染和雙向數據綁定，借助Vue 狀態管理完成項目的數據本地存儲和共享，提取公共方法在Actions 中集中管理，便于后期維護和擴展。對項目做具體組件拆分，公共模塊、通用功能、相對獨立的功能點都進行組件化封裝，借助Mixin 混入方式調用，方便組件維護及功能擴展。邏輯層采用ES6 編程方式，依托異步處理方法保證邏輯的合理性、順暢性，同時使用Babel 對ES6 進行編譯，以兼容多數瀏覽器。

1.2.2 業務端技術棧

根據中海油大數據發展平臺提供的微服務底層Srping Cloud 做分布式架構二次開發，關系數據庫采用開源、支持多操作系統、多線程的同時便于管理的MySql 存儲，實時庫采用紫金橋實時庫產品RealHistorian，提供大容量、可靠性和安全性等保障機制(圖2)。

圖2 業務端技術棧Fig.2 Business side technology stack

①服務端基于 Springboot、SpringMVC、JPA、SpringData 等先進技術構建，針對較復雜的系統則采用Spring Cloud 對服務進行拆分[3]。

②共4 層分隔：Controller(Facade)/Service/Dao/Entity，其中Facade 主要用于生成Json，以實現和前端的數據交換。

③命名：根據各個功能模塊確定各層名稱，并保證各層一致。

2 FPSO智能管理平臺功能

2.1 在用數字化系統整合

為了便于FPSO 智能化管理系統對數據進行統一管理和展示，需要對現在役各監測系統的數據進行梳理，并確定數據展示范圍和存儲范圍及相關點位信息，將在役各監測系統的監測數據和處理結果數據保存到對應的實時庫、關系庫中，打破數據壁壘實現數據整合。

2.2 FPSO智能管理系統

FPSO 智能管理系統建設內容主要包括微服務架構搭建、FPSO 智能管理系統開發、系統數據庫搭建、信息安全模塊開發，系統基于信科提供的微服務架構，開發公共管理模塊應用和信息安全模塊。系統采用關系數據庫和實時數據庫構建的方式，將接入子系統的數據和系統處理的數據分別存入實時數據庫及關系型數據庫(圖3)。系統可視化主要是對在役系統頁面進行重構和連接，使系統風格一致、界面簡潔易懂。

圖3 智能管理系統功能架構Fig.3 Functional architecture of intelligent management system

2.2.1 微服務框架建設

基于信科提供微業務框架，采用微業務組件開發模型把一個功能分割為多個業務，服務間彼此協同、互相配合。各種業務均在獨立進程中工作，各個業務間使用輕量級溝通機制相互交流，各業務均圍繞著具體的業務獨立搭建，同時也能夠自主地部署。

搭建微服務架構，實現FPSO 智能管理平臺服務功能模塊化拆分和服務與服務的高度獨立，為后續服務接口快速發布部署提供基礎。

2.2.2 FPSO 智能管理系統功能模塊

FPSO 智能管理系統主要包含主頁、變壓器監測應用、智能巡檢系統、液壓閥門監測應用、能源監測應用、人員動態管理應用、單點監測應用、電站監測應用、報表管理系統等部分。

用戶主要分為海上監督類角色、海上工程師類角色，陸地總經理類角色、陸地部門主管類角色。為方便海陸管理，海上監督類角色權限等同于陸地部門總經理類角色，海上工程師類角色等同于陸地部門主管類角色。各類角色看到的主頁有所變化，主頁內容主要為通知公告、設備樹一覽、報警記錄統計、數據聯動、審批記錄、人員倒班一覽、船體三維可視化、單點運動軌跡、動態模塊。

根據工程師類角色所具備的不同子系統的權限，可動態在主頁展示不同子系統的核心模塊，點擊此核心模塊可下鉆到對應的子系統的功能界面。如FPSO的貨油艙，由于需要檢測艙口的液位，故應檢測艙口的油溫、氣體壓強、原油密度等參數，如果某些參數超出預警值[4]，則產生報警信息，系統設有液壓閥門監測應用，選擇要查詢的設備和時間段，展示選中的設備和選中的時間段內報警記錄列表，涵蓋報警設備位號、設備中文描述、報警時間、報警類型、故障點判斷、檢修建議、報警記錄等報警基本信息。

2.2.3 系統數據庫搭建

綜合分析在用數字化系統的系統架構及數據結構，將各個在用監測系統的數據接入FPSO 智能管理平臺數據庫中。在FPSO 智能管理平臺數據庫中將搭建關系數據庫和實時數據庫，以其支持各個業務應用依照權限通過數據接口將各自數據存入現場數據池，并支持各個業務應用依照權限通過數據接口在現場數據池中獲取各自所需要的數據。

由于電站監測子系統、單點監測子系統、變壓器監測子系統、液壓閥門管理子系統、能源管理子系統、智能巡檢子系統、中控系統產生點位監測數據，故需要建設實時庫對各點位監測數據進行接收存儲。實時數據庫支撐協議內容包括支撐國際標準DDE 協定的國際標準DDE 通信方法、支撐國際標準MODBUS 協定的國際標準MODBUS 通信方法、支撐OPC 協定的國際標準OPC 方法、透過ODBC 協定的國際標準ODBC 通信方法、透過API 開發的專用通信方法和透過開發設備的專用協議驅動方法等。

實時數據庫搭建及部署方案簡述如下。

2.2.3.1 根據子系統現狀開發數據對接協議規則

①變壓器監測子系統：變壓器開放讀庫權限，紫金橋直接抽取變壓器監測系統關系庫中的數據，提取點位信息。

②能源管理子系統：能源通過開發modbus 協議將處理后的數據發送給紫金橋實時庫。

③液壓閥門監測子系統：中控系統通過OPC 協議傳輸給紫金橋實時庫，紫金橋實時庫通過OPC 協議傳輸給TOM 實時庫，子系統調用TOM 實時庫對數據處理后再入TOM 實時庫，TOM 實時庫將處理的數據推送給紫金橋實時庫。

④電站監測子系統：電站通過104 規約將點位數據對接到紫金橋實時庫。

⑤中控系統：中控系統以OPC 協議對接點位信息數據到實時庫中。

⑥單點監測子系統：單點新增的數據通過程序或數據庫觸發器推送數據到單點關系數據庫中，紫金橋通過開發工具去單點關系數據庫抽取數據。

⑦智能巡檢子系統：智能巡檢開放數據庫讀權限，用ETL 工具抽取數據到數據平臺。

⑧人員動態管理系統：人員管理系統開放數據庫讀取權限，通過ETL 抽取工具將數據抽取到數據平臺。⑨報表管理系統：配置主從復制形式，將數據實時同步更新到數據平臺。

2.2.3.2 數據交互

實時庫存儲在役監測子系統所有點位信息；實時庫對外采用標準互聯網協議，如HTTP、TCP/IP 等，傳輸XML 數據(SOAP 方式)格式的Web Service 接口，可通過點位名稱查詢點位內所有信息。

變壓器監測子系統、電站監測子系統、能源管理子系統、單點監測子系統、液壓閥門監測子系統，使用約定的數據傳輸協議將數據傳輸到實時庫中，或通過抽取工具將關系庫抽取到實時庫中。實時庫通過文件備份形式備份到備份服務器內。海上實時庫和陸地實時庫之間通過網絡進行數據單向同步，支持無損壓縮和斷點續傳能力。

由于智能巡檢管理子系統、報表管理工作子系統、人事信息管理子系統等產生業務邏輯數據，故需要建設關系庫對業務邏輯數據進行存儲，進而實現將各個在役子系統的數據接入現場數據池中。關系數據庫采用MySQL 企業數據庫操作系統，MySQL 是一款開放式源代碼的關系式企業數據庫管理操作系統(RDBMS)，通過最常見的企業數據庫信息管理編程語言——構造化數據庫查詢語句(SQL)，實現了企業數據庫管理操作系統。

關系數據庫使用主從復制同步備份機制，從庫中得到二個線程、一個I/O 線程和一個SQL 線程；I/O線程去請求主庫的binlog，并把獲得的binlog 日志打入relay log(中繼日志)文檔中；主庫會產生一條log dump 線程，用來給從庫i/o 線程傳送b inlog；SQL 線程會讀取relay log 文檔中的日志內容，并分解為具體操作，來實現主從的操作結果一致，與最終數據保持一致(圖4)。

圖4 主從復制機制Fig.4 Master/slave replication mechanism

2.2.4 信息安全模塊開發

在數據傳送、保存和調取使用過程中要確保所有數據不會發生被篡改、破壞、泄漏等情況，假如出現這些情況也能及時、迅速地發現并有效應對，以保證通信數據完整性。

穩定性高的開發平臺、相應的保密安全措施、嚴密的授權管理制度和使用公司域限制，使得非法用戶永遠無法進入本系統，但同時合法應用也可以完成在其授權或許可區域內的正常運行，主要在訪問安全和數據安全設計方面。

2.3 FPSO后臺管理系統

為降低管理功能的重復開發，并增加對系統資源的有效共享，從部署在海上各子系統權限管理部分中提取出來形成一個公共管理模塊，以組成后臺管理。公共管理模塊建設指將各子系統均有涉及的用戶管理、權限管理、文件管理、日志管理、系統參數管理和異常告警功能模塊進行模塊化拆分和獨立開發調用(圖5)。

圖5 后臺管理系統功能架構Fig.5 Functional architecture of background management system

功能獨立性是通過設計獨立功能又與其他功能之間不會產生過多聯系的功能模塊來達到的。每個功能模塊都只包含該軟件要求的一種具體子功能，功能模塊的界面更加簡潔、容易編制，而單獨的職能模塊也更加方便于測試與維修。

2.4 FPSO智控中心大屏可視化

對現役子系統核心監測數據進行可視化展示、分析，建設智控中心大屏展示系統，適配智控中心大屏。由于大屏展示屏幕的特殊化，平臺采用以下技術實現對大屏可視化展現：

①基于HTML5+CSS3+ES6 完成大屏系統的基礎架構；

②利用px2rem 實現頁面的響應式，以適配不同分辨率；

③以漸進式框架Vue 作為數據渲染基礎；

④使用大屏組件dataV+echarts 實現各類圖表、列表、動態炫酷效果的大屏展示界面；

⑤利用websocket 技術實現大屏數據實時更新，支持局部更新。

2.5 海陸功能部署及數據對接服務

海上部署一套FPSO 智能管理系統，包括公共管理模塊部署、原各監測系統數據可視化部署。陸地也部署一套FPSO 智能管理系統，包括陸地公共管理模塊部署、陸地原各監測系統數據可視化部署、智控中心大屏部署等。

海陸各部署FPSO 智能管理系統，需要對數據采取壓縮、加密、斷點續傳等方式，從而保障海陸數據有效傳輸。為防止出現因操作失誤和系統故障而造成數據損失，海上邊緣的計算平臺設有一臺主機服務器和一臺熱備服務器，陸地智控中心配置一臺主服務器；海上與陸地之間的服務器應用實現遠程訪問，數據異時同步，并且實現數據災備[5]。

3 FPSO智能管理平臺主要優勢

3.1 結構性強

操作系統在總體設計上采取了分層架構，由5 層架構和多個可視化平臺構成，層次分明。系統采用統一的調度平臺實現集中控制，整套系統體系結構簡潔清晰，與業務邏輯和功能模塊一一對應(圖6)。

圖6 系統架構Fig.6 System architecture

3.2 擴展性好

系統在總體設計上充分考慮了用戶及未來社會對行業發展趨勢的最新要求，并針對系統各種功能實行了模塊化設計，各個模塊均按照同一套規范進行開發，以方便系統統一管理與調整，系統也具有較完善的可擴展性。

3.3 實用性強

本系統設計時采用了目前國際上比較領先而且開放性良好的軟件技術，并采取了模塊化的組織方法，從而使得整個系統擁有完善的可擴展性，在不同模塊之間利用精心設計的連接方式實現通信，并充分考慮到未來服務范圍拓展的需求而保留了大量接口。

整個控制系統采用B/S 結構，操作頁面簡單明了，使用網頁瀏覽器便可以完成數據顯示、各種查詢操作。另外，結果顯示通過表或圖的表現形式，讓使用者一目了然。由于這個模型通過統一的客戶端服務器把系統功能的核心聚集在客戶端服務器上，簡化了操作系統研發、日常應用和后期維修及其成本。

3.4 安全性高

從目前計算機網絡設施的實際狀況和發展情況來看，在安全保密方面，按照中海油總公司的管理標準和安全測試規范，采取服務器的安全配置審核、病毒掃描、帳號密碼保護策略(如密碼復雜性策略和賬戶鎖定策略)、系統登錄和運行日志審核、系統漏洞掃描和檢查等多種技術手段，避免了系統數據被盜取和纂改[6]。

除針對以上病毒、黑客侵入等常見危險外，信息系統的安全要求還反映在應用中對數據的訪問權限上，控制系統設計時將重點在按照對應的工作需要給不同類別和層級使用、對不同數據分配適當的訪問權限，并設計“基于角色的層級化權限控制”，限制力度必須能夠滿足頁面層級和控件等級。

4 FPSO智能管理平臺開發意義

FPSO 智能管理平臺將在役監測系統接入，以實現數據統一管理調用、應用快速開發部署、三維可視化交互等功能，同時FPSO 智能管理平臺與陸地FPSO 智控中心、海油發展大數據平臺進行對接，實現了海陸智能化協同管理、操作運營的數據治理、應用敏捷開發、結果靈活呈現等功能，且能夠支撐多條FPSO 同時運營。

通過搭建FPSO 智能管理平臺，建設一套海上實時庫與一套海上關系庫，對海上直接產生的數據進行存儲，同時與陸地數據庫進行數據同步，實現海上數據整合。建設一套海上公共管理模塊，涵蓋公共管理模塊界面可視化、權限控制管理、數據調用標準等，為將來新應用接入提供標準，系統提供數據時可進行可視化配置，降低了系統運維難度，并提高了管理員管理效率。

5 結 論

FPSO 作為全球海洋油氣發展中十分關鍵的基礎設施，設備眾多、工藝復雜，為國家能源建設發揮著重要的作用。本文通過開發FPSO 智能管理平臺，針對性地解決了FPSO 現場數據無法互通的問題，實現了數據統一管理調用，并在數據統一管理的基礎上整合了數字化系統，實現了應用快速開發部署。同時，FPSO 智能管理平臺與陸地FPSO 智控中心、海油發展大數據平臺進行對接，實現了海陸智能化協同管理。

在FPSO 智能管理平臺的設計和開發中充分利用了云計算、微服務、時序數據庫等最新的信息技術及成果，在一定程度上有利于FPSO 設施資產和數據資產的管理，提升了海洋油氣生產的監控和管理水平，對深入研究FPSO 系統具有必要的促進作用。

FPSO 智能管理平臺的開發和應用對現場生產提效、生產運營優化、HSE 管理精細化等眾多方面的研究均建立了平臺基礎，是FPSO 系統創新方面的有益嘗試。■