氣田移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周 剛，王小玲，梁興建

(四川理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)院，四川 自貢 643000)

隨著3G無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的到來以及手機(jī)操作系統(tǒng)的快速發(fā)展和移動(dòng)設(shè)備硬件性能的提升，移動(dòng)設(shè)備已進(jìn)入智能化階段，在移動(dòng)設(shè)備上得以實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用［1-2］。為提高工作效率，做到隨時(shí)隨地監(jiān)測(cè)氣站信息，設(shè)計(jì)了氣田手持移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)只要在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域，可隨時(shí)隨地對(duì)氣站進(jìn)行監(jiān)測(cè)，滿足日益凸顯的移動(dòng)辦公服務(wù)需求。

1 氣站監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀分析及關(guān)鍵問題

目前氣田計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)延伸到了生產(chǎn)一線，使得氣田的生產(chǎn)運(yùn)行管理可以在作業(yè)區(qū)(現(xiàn)場(chǎng)井站)、氣礦(營(yíng)銷部)到分公司(管理中心)這樣一個(gè)分布式體系結(jié)構(gòu)中實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控對(duì)生產(chǎn)一線數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理。然而管理部門的生產(chǎn)、銷售、安全數(shù)據(jù)來源呈現(xiàn)全分布性和海量性，隨著產(chǎn)能任務(wù)的加大，氣田數(shù)據(jù)急劇增多，如何對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理，使其更好的服務(wù)于企業(yè)的生產(chǎn)決策，是氣田監(jiān)控系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。

1.1 氣田監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理需求

氣田遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一方面接收生產(chǎn)一線的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;一方面對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。因此，根據(jù)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)特性，可以將其分為瞬態(tài)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。瞬態(tài)數(shù)據(jù)只反映當(dāng)時(shí)時(shí)刻設(shè)備或管線的運(yùn)行情況，孤立時(shí)刻的參量對(duì)我們的應(yīng)用分析沒有實(shí)際意義，這樣歷史數(shù)據(jù)的管理就顯得十分重要。傳統(tǒng)存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)的方法為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單堆積，這樣既浪費(fèi)空間也浪費(fèi)時(shí)間。鑒于數(shù)據(jù)的時(shí)間局部性原理，某一時(shí)間點(diǎn)附近的數(shù)據(jù)量非常接近，因此在歷史數(shù)據(jù)的分析方面提出基于數(shù)據(jù)變化率的自適應(yīng)數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)方法。

在滿足日常業(yè)務(wù)方面，由于需要記錄氣井、管線的整點(diǎn)運(yùn)行情況，提出了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的整點(diǎn)分離方法再結(jié)合數(shù)據(jù)倉(cāng)庫技術(shù)，數(shù)據(jù)按小時(shí)、日、月、年等低、中、高粒度進(jìn)行處理為生產(chǎn)、銷售、安全等部分業(yè)務(wù)提供支持［2］。

1.2 WAP應(yīng)用需求分析

目前氣田生產(chǎn)管理中基于移動(dòng)設(shè)備(如智能手機(jī))的應(yīng)用還沒有開展，這主要受制于前期移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的帶寬和手機(jī)性能等多方面的限制，要使用移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)就需要構(gòu)建一個(gè)WAP網(wǎng)站。構(gòu)建這樣的WAP應(yīng)用要充分的考慮到以下三方面:

(1)由于移動(dòng)設(shè)備的性能遠(yuǎn)不如PC機(jī)，對(duì)于復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理會(huì)影響到人機(jī)交互效果。因此要充分考慮系統(tǒng)的可用性。

(2)氣田的需求會(huì)隨著生產(chǎn)的需求發(fā)生變動(dòng)，系統(tǒng)應(yīng)該有足夠的靈活性和可擴(kuò)展性。

(3)該系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在不做特殊處理時(shí)，客戶端對(duì)服務(wù)器的每一次請(qǐng)求(即讀取每一次采樣數(shù)據(jù))都將導(dǎo)致整個(gè)頁面的刷新。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求高的氣田工業(yè)控制來說，這樣的頁面刷新是不可忍受也是不現(xiàn)實(shí)的。因此解決頁面頻繁刷新問題也是是保證系統(tǒng)可用性的關(guān)鍵。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 氣田移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

由溫度、壓力等傳感器、變送器、流量計(jì)、工業(yè)控制機(jī)和上位計(jì)算機(jī)等多種智能設(shè)備構(gòu)成的現(xiàn)場(chǎng)工控網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、壓力、差壓和溫度等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。而后由帶有GPRS模塊的ZigBee主節(jié)點(diǎn)通過無線基站匯集到internet上。這樣就實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)服務(wù)器的交換。移動(dòng)終端通過WAP網(wǎng)關(guān)接入internet，查看和控制遠(yuǎn)程的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)遵循IEEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，有著近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合在本系統(tǒng)中完成信息的傳輸與控制［3-4］。同時(shí)GPRS數(shù)據(jù)終端與Internet數(shù)據(jù)服務(wù)器通過無線基站進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的數(shù)據(jù)交互，可以避免遠(yuǎn)程有線網(wǎng)絡(luò)布線的高成本問題。

3 數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 基于數(shù)據(jù)變化率的歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

歷史數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)變化率來進(jìn)行存儲(chǔ)，該方式可以讓用戶根據(jù)各個(gè)參量不同的量綱指定一個(gè)變化的精度，即預(yù)先設(shè)定變化率閥值，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，如果系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)前采樣數(shù)據(jù)和最近保存數(shù)據(jù)之差和數(shù)據(jù)量程之比在用戶指定的變化精度之內(nèi)，記錄當(dāng)前采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)作為臨時(shí)數(shù)據(jù)，但不作為最終保存數(shù)據(jù)，當(dāng)下一個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)變化率仍在變化率閥值內(nèi)，就用這個(gè)采樣點(diǎn)覆蓋上一個(gè)采樣臨時(shí)數(shù)據(jù)，仍然不作為歷史數(shù)據(jù)保存，只有采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)超過了用戶指定的變化率之后，系統(tǒng)才認(rèn)為數(shù)據(jù)真的發(fā)生了變化，就把該參量臨時(shí)數(shù)據(jù)和當(dāng)前采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)保存為歷史數(shù)據(jù)。這種保存方式反映了數(shù)據(jù)的變化，同時(shí)記錄了數(shù)據(jù)變化的拐點(diǎn)位置，歷史數(shù)據(jù)失真小，保存的歷史數(shù)據(jù)的誤差在用戶的控制之內(nèi)，而且還有效的壓縮了數(shù)據(jù)，同時(shí)在采樣周期小的情況下，能節(jié)省存儲(chǔ)空間。由于數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，實(shí)時(shí)壓縮，能夠根據(jù)上傳數(shù)值，改變壓縮策略，所以能夠自動(dòng)適應(yīng)數(shù)據(jù)的變化。因此基于數(shù)據(jù)變化率的自適應(yīng)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)在歷史數(shù)據(jù)管理中具有實(shí)際的意義。原理如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)變化拐點(diǎn)記錄示意圖

圖2中記錄點(diǎn)1、記錄點(diǎn)3、記錄點(diǎn)5，均超過了數(shù)據(jù)變化率，故記錄這些點(diǎn)，拐點(diǎn)記錄點(diǎn)2、拐點(diǎn)記錄點(diǎn)4記錄變化的位置也屬于重要點(diǎn)也需記錄，當(dāng)需要還原沒有記錄點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，可通過二次插值進(jìn)行恢復(fù)。如果變化率定義為1%，意味著每個(gè)采樣數(shù)據(jù)都被記錄，此時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)是無損的，通過以上的壓縮方式，使得歷史數(shù)據(jù)的記錄更加準(zhǔn)確，同時(shí)極大地提高經(jīng)濟(jì)存儲(chǔ)的性能。

3.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)整點(diǎn)分離

由于采集、傳輸及采樣頻率等影響，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在整點(diǎn)時(shí)刻極有可能沒有采樣到數(shù)據(jù)，可能在整點(diǎn)附近采樣到數(shù)據(jù)，而這附近的數(shù)據(jù)應(yīng)該與整點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)非常接近，所以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)整點(diǎn)分離有三種方法:一是取得要統(tǒng)計(jì)的整點(diǎn)的前一個(gè)最大時(shí)刻的數(shù)據(jù)，作為整點(diǎn)數(shù)據(jù)的近似值;二是取得要統(tǒng)計(jì)的整點(diǎn)的當(dāng)前整點(diǎn)最小時(shí)刻的數(shù)據(jù)，作為整點(diǎn)數(shù)據(jù)的近似值;三是取得統(tǒng)計(jì)整點(diǎn)的前一個(gè)最大時(shí)刻的數(shù)據(jù)和取得統(tǒng)計(jì)整點(diǎn)的當(dāng)前整點(diǎn)最小時(shí)刻的數(shù)據(jù)，把這兩者數(shù)據(jù)求加權(quán)平均。前兩種方法統(tǒng)計(jì)到的整點(diǎn)數(shù)據(jù)，一般誤差較大，而第三種方法綜合了前兩種方法，求得的整點(diǎn)數(shù)據(jù)更加接近真實(shí)數(shù)據(jù)，是一種比較好的分離方法。這樣在求得整點(diǎn)數(shù)據(jù)后，就可以在此基礎(chǔ)上構(gòu)建日、月、年等粒度的數(shù)據(jù)，滿足日常報(bào)表、數(shù)據(jù)分析的需要。

4 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)的實(shí)用性、靈活性和可擴(kuò)展性。系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)應(yīng)盡量簡(jiǎn)化和易操作。整個(gè)氣田手持移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能模塊分為系統(tǒng)維護(hù)模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)查詢管理模塊。

4.1 系統(tǒng)維護(hù)模塊

系統(tǒng)維護(hù)模塊主要進(jìn)行用戶的管理、數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)及采樣周期設(shè)置;系統(tǒng)對(duì)用戶劃分了權(quán)限，對(duì)不同的管理人員進(jìn)行權(quán)限設(shè)置，高級(jí)別權(quán)限用戶才能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理操作，從而保證數(shù)據(jù)的安全性。采樣周期設(shè)置功能是為了滿足系統(tǒng)的靈活性和數(shù)據(jù)完整性，由于數(shù)據(jù)采樣頻率會(huì)根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行調(diào)整，因此在客戶端應(yīng)保持和GPRS發(fā)射終端的發(fā)射頻率保持一致，來維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性。

4.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊可實(shí)時(shí)的查看某一氣站的生產(chǎn)銷售數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、流量等，并以模擬的現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)直觀呈現(xiàn)出來，并輔助直觀的實(shí)時(shí)曲線功能，包括實(shí)時(shí)曲線和歷史曲線，還可以進(jìn)行報(bào)警參數(shù)的設(shè)置和報(bào)警提示。在實(shí)際應(yīng)用中，由于部分氣站管網(wǎng)較復(fù)雜，監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，考慮到移動(dòng)設(shè)備的可視范圍，應(yīng)精簡(jiǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，保留常用的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)歷史曲線的時(shí)間間隔選擇范圍不易過大，避免產(chǎn)生較大的延時(shí)。

4.3 數(shù)據(jù)查詢管理模塊

查詢管理模塊主要完成歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查詢以及報(bào)表管理。由于移動(dòng)終端屏幕大小有限，查詢?cè)O(shè)計(jì)采用下拉列表選擇查詢的方式進(jìn)行，以避免因屏幕過小，顯示不出完整的查詢結(jié)果。報(bào)表管理主要進(jìn)行氣井或輸氣站的日?qǐng)?bào)、月報(bào)統(tǒng)計(jì)，在報(bào)表設(shè)計(jì)的時(shí)候也根據(jù)屏顯效果進(jìn)行一定的精簡(jiǎn)，保留常用的統(tǒng)計(jì)。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)集成了WAP2.0，采用XHTML Mobile Profile(XHTML MP)作為標(biāo)記語言。開發(fā)工具采用VS2008，數(shù)據(jù)庫采用SQL SERVER2005。XHTML MP是XHTML的子集，是HTML更嚴(yán)格的版本。相對(duì)于早期的WAP網(wǎng)站開發(fā)所采用的WML以及WML SCRIPT而言，XHTMLMP的目的是讓開發(fā)移動(dòng)信息瀏覽的技術(shù)和開發(fā)WWW信息瀏覽的技術(shù)更相近，即把移動(dòng)因特網(wǎng)瀏覽和萬維網(wǎng)瀏覽的技術(shù)結(jié)合起來，因此XHTMLMP語言更接近現(xiàn)有的Web開發(fā)語言，使得無線世界和有線世界的標(biāo)記語言最終匯聚到了一起，仍然可以用現(xiàn)有的Web的開發(fā)工具來開發(fā)WAP，且可在原型化和開發(fā)過程中用任何Web瀏覽器查看［5］。

5.1 XMLWeb Services應(yīng)用

氣田生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)包括井站、輸氣站、銷售站等數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)種類繁多，在實(shí)際生產(chǎn)管理中不是僅僅對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的查詢，涉及到大量的數(shù)據(jù)處理工作。因此本系統(tǒng)采用基于XMLWeb Services的分布式計(jì)算模型，在服務(wù)提供方面重點(diǎn)包裝安全預(yù)警、生產(chǎn)實(shí)時(shí)服務(wù)、歷史管理服務(wù)、整點(diǎn)數(shù)據(jù)生成、遠(yuǎn)程控制和事故預(yù)測(cè)等服務(wù)。在.NET的環(huán)境下，通過ASP.NET把服務(wù)的各項(xiàng)應(yīng)用細(xì)節(jié)封裝成Web Services部件后發(fā)布到UDDI注冊(cè)中心，并通過接口調(diào)用相應(yīng)的應(yīng)用。其中接口描述了一組可訪問的操作，如報(bào)警生成、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)生成、整點(diǎn)參量獲取，接口可使用WSDL(Web Services Description Language)進(jìn)行描述，Web Services提供的這種“黑匣子”函數(shù)可以被多次引用而不用關(guān)心此服務(wù)是怎樣實(shí)現(xiàn)。

5.2 XHTMLMP頁面優(yōu)化

一般氣田下屬井站或輸氣站較多，因此在此系統(tǒng)中將會(huì)使用大量的監(jiān)測(cè)背景圖片。很多WAP瀏覽器沒有水平滾動(dòng)條，如果監(jiān)測(cè)背景圖片超過設(shè)備的屏幕尺寸，就只能顯示局部圖片。同時(shí)圖片過大，加載時(shí)間也會(huì)過長(zhǎng)，影響用戶體驗(yàn)。因此對(duì)背景圖片應(yīng)做相應(yīng)的裁減，并采用GIF格式減少傳輸量。同時(shí)為節(jié)省屏幕空間，優(yōu)化界面布局，站場(chǎng)選擇采用下拉列表。對(duì)于較大型的站場(chǎng)，監(jiān)測(cè)管線可能多至七、八條，監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量也較多，受終端屏幕限制，不能在一個(gè)屏幕中顯示所有監(jiān)測(cè)管線和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)于該問題，對(duì)監(jiān)測(cè)管線進(jìn)行分離，采用分頁的辦法，一個(gè)屏幕中顯示兩條管線，可達(dá)到較好的視覺效果(圖3)。

圖3 監(jiān)測(cè)效果圖

5.3 頁面刷新問題解決

在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中，其最大的特點(diǎn)在于它的實(shí)時(shí)性。也就是說服務(wù)器端腳本只能在服務(wù)器端運(yùn)行，客戶端只是接收服務(wù)器端運(yùn)行后生成的XHTML MP格式的文本，所以客戶端對(duì)服務(wù)器的任何請(qǐng)求都將導(dǎo)致整個(gè)頁面的刷新。因此構(gòu)建這樣一個(gè)WEB應(yīng)用最大的問題在于如何解決頁面的頻繁刷新。在實(shí)際應(yīng)用中我們采用AJAX技術(shù)來解決WEB頁面實(shí)時(shí)刷新的瓶頸問題。具體的實(shí)現(xiàn)采用JavaScript，客戶端實(shí)時(shí)發(fā)出請(qǐng)求，生成XmlHttp對(duì)象，該對(duì)象調(diào)用后臺(tái)腳本進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的連接和數(shù)據(jù)的讀取。由于一個(gè)氣場(chǎng)有多條管線，每條管線有多種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為了區(qū)分具體某一管線的具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)的讀取過程中需要進(jìn)行編碼，同時(shí)在客戶端也需要一個(gè)解碼的過程。

6 系統(tǒng)測(cè)試

該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求高，延時(shí)問題是系統(tǒng)能否真實(shí)反映監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同步的關(guān)鍵，同時(shí)也是影響用戶體驗(yàn)的重要因素。在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，現(xiàn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的更新頻率是10秒。采用中國(guó)電信CDMA 1X移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)有的CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)理論速率153.6 Kbps，實(shí)際測(cè)試速率為70 Kbps～90 Kbps之間?？刂品?wù)器發(fā)送碼流的碼率為60 Kbps，基本接近CDMA 1X網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際帶寬上限?？蛻舳瞬捎玫慕K端是三星和酷派2個(gè)品牌的5款手機(jī)。表1顯示了各個(gè)手機(jī)的型號(hào)和硬件參數(shù)以及客戶端在相應(yīng)手機(jī)上的運(yùn)行時(shí)延。

從表1看出，在數(shù)據(jù)更新頻率為10秒的時(shí)候，五款手機(jī)的延時(shí)均為0.5秒左右，和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器基本同步，能夠較好的反映數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新。也說明了3G無線帶寬能夠很好的滿足現(xiàn)行需要。

表1 各手機(jī)參數(shù)與延時(shí)對(duì)比

7 結(jié)束語

基于WAP的氣田手持移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)較好的滿足了氣田管理移動(dòng)辦公的需要，真正做到了氣田全方位立體化監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步豐富和深化了氣田的數(shù)字化建設(shè)，只要在手機(jī)信號(hào)覆蓋區(qū)域，使用者可隨時(shí)隨地了解站場(chǎng)生產(chǎn)動(dòng)態(tài)信息，合理組織生產(chǎn)，提高管理水平和生產(chǎn)效率。具有較好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

［1］周 剛，唐子蛟.基于網(wǎng)格的氣田監(jiān)控決策系統(tǒng)［J］.四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，23(4)：417-419.

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