基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田鉆井現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)

謝真良，楊光友，李 達

（1湖北工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 武漢430068；2湖北工業(yè)大學(xué)農(nóng)機工程研究設(shè)計院，湖北 武漢430068）

傳統(tǒng)的鉆井環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)成本高，維護費用大，并且數(shù)據(jù)采集量相對較小。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是一種由傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)［1］，可以實時感知、采集和監(jiān)測節(jié)點部署區(qū)內(nèi)目標的各類信息（如壓力、流量、溫度和有害氣體濃度等物理參數(shù)），并將處理后的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給觀察者，有效解決了有線傳輸帶來的弊端。在石油鉆井過程中，需要實時監(jiān)測井控參數(shù)并做好異常參數(shù)的監(jiān)測、預(yù)警工作，以便及時發(fā)現(xiàn)溢流、井漏等意外情況，進而防止井噴發(fā)生［2］。為此構(gòu)建一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過分布式結(jié)構(gòu)采集數(shù)據(jù)并獲取環(huán)境參數(shù)。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點會在短時間內(nèi)采集大量傳感信息，監(jiān)測人員如果直接查詢和處理這些數(shù)據(jù)非常不便［3］。本文設(shè)計了一種面向油田鉆井現(xiàn)場的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WEB監(jiān)測系統(tǒng)，可以將鉆井關(guān)鍵部位的信息實時地采集傳輸至各級監(jiān)控中心，并能依據(jù)實際要求調(diào)節(jié)相關(guān)監(jiān)測參數(shù)，實現(xiàn)多用戶訪問和管理。

1 油田鉆井現(xiàn)場WEB監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了管理傳感器節(jié)點采集的各種環(huán)境數(shù)據(jù)，監(jiān)測節(jié)點和整個網(wǎng)絡(luò)的運行狀態(tài)，并將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為易于觀察和查詢的可視化信息，有必要建立合適的油田鉆井 WSN監(jiān)測系統(tǒng)［4－6］。同時，所開發(fā)的監(jiān)測平臺應(yīng)滿足以下功能。

1）匯聚整理WSN網(wǎng)絡(luò)采集的初始數(shù)據(jù)?？梢詫鞲衅鞴?jié)點采集到的各種感知數(shù)據(jù)通過匯聚節(jié)點與RS-232連接的形式傳送到現(xiàn)場基站，并對初始數(shù)據(jù)進行優(yōu)化處理。

2）存儲和管理數(shù)據(jù)功能。可以將感知的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后傳輸?shù)竭h程數(shù)據(jù)服務(wù)器上分類存放，并能夠?qū)崿F(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢。

3）實現(xiàn)遠程的訪問和控制。用戶可以通過Internet實現(xiàn)對WSN實時狀態(tài)的遠程監(jiān)測。

4）友好的人機交互界面以及良好的穩(wěn)定性和可擴展性。通過人機交互界面，監(jiān)測程序可實現(xiàn)顯示傳感器節(jié)點的感知信息、位置信息及工作狀態(tài)等功能。在不同的應(yīng)用背景下，需要處理不同的感知數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)實際的需要對傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測平臺進行模塊化擴展，而且需要保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求分析，得出系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整個系統(tǒng)可分為傳感器網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場PC、數(shù)據(jù)服務(wù)器、客戶端等四層結(jié)構(gòu)，最底層為部署在各井場監(jiān)測環(huán)境中的傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)，其中匯聚節(jié)點負責(zé)接收網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點的信息；而上層是與Internet相連的一臺計算機構(gòu)成的基站，它將傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過Internet傳送到數(shù)據(jù)服務(wù)器進行集中存儲處理；用戶可以通過任何一臺連到Internet上的計算機終端訪問數(shù)據(jù)服務(wù)器，并可以向現(xiàn)場PC發(fā)送操作指令。

圖1

1.2 硬件平臺與軟件環(huán)境

系統(tǒng)中的信號采集無線傳感器節(jié)點，以及與PC機相連的傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點的核心芯片均采用TI公司的CC2530芯片。該芯片集成度高，體積小功耗低，抗干擾性強，靈敏度高。

系統(tǒng)軟件開發(fā)主要基于MFC開發(fā)框架、ASP.NET AJAX技術(shù)和 SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)?，F(xiàn)場監(jiān)測客戶端是采用QT/E開發(fā)的應(yīng)用程序，用于實時數(shù)據(jù)的圖形繪制和接收轉(zhuǎn)發(fā)。遠程監(jiān)測端的系統(tǒng)架構(gòu)采用典型的三層結(jié)構(gòu)，即表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層［7］。使用 WEB控件、HTML標記和CSS等元素組成WEB客戶端界面，以頁面形式展現(xiàn)其系統(tǒng)功能。使用ASP.NET 4.0實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)訪問并組成服務(wù)器層，ASP.NET AJAX則用于實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器的數(shù)據(jù)交換，而數(shù)據(jù)交換的形式可以采用XML格式或者文本格式。遠程監(jiān)測端的系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)層次如圖2所示。

圖2 程序結(jié)構(gòu)層次圖

1.3 系統(tǒng)功能模塊

1.3.1 系統(tǒng)安全模塊 該模塊完成管理員用戶的身份驗證，保證對監(jiān)測系統(tǒng)訪問操作安全合法。

1.3.2 數(shù)據(jù)管理模塊 在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫建立在數(shù)據(jù)服務(wù)器中，具備存儲鉆井參數(shù)、提供數(shù)據(jù)報表的查詢和打印輸出功能。現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來源，通過ZigBee無線節(jié)點組成的WSN網(wǎng)絡(luò)，由匯聚節(jié)點將獲得的實時數(shù)據(jù)發(fā)送到現(xiàn)場PC進行數(shù)據(jù)解析和處理，再經(jīng)過Internet將有效數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中采用單節(jié)點存儲模式，即每個節(jié)點采集的數(shù)據(jù)作為一個獨立的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，使用戶能詳細了解井場不同位置的環(huán)境參數(shù)，使得監(jiān)測數(shù)據(jù)更加精準、詳細。本系統(tǒng)使用SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，設(shè)計了三種數(shù)據(jù)表:1）節(jié)點采集數(shù)據(jù)信息表用于存儲監(jiān)測區(qū)域中的傳感信息；2）節(jié)點位置信息表用于存儲當前WSN網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點的類型、地理坐標、工作狀態(tài)等信息；3）用戶信息表用于存放用戶名和密碼信息，用來檢驗登錄時輸入的用戶名和密碼信息是否正確。各數(shù)據(jù)表的設(shè)計視圖如表1－3所示。

表1 用戶信息表

表2 節(jié)點位置信息表

表3 節(jié)點采集數(shù)據(jù)信息表

1.3.3 數(shù)據(jù)服務(wù)模塊 本模塊屬于系統(tǒng)的業(yè)務(wù)層，主要提供系統(tǒng)邏輯運算和業(yè)務(wù)支持等服務(wù)。該模塊一方面可以分析WEB客戶端的服務(wù)請求類型，并根據(jù)服務(wù)請求類型，使用ADO.NET技術(shù)動態(tài)訪問數(shù)據(jù)庫獲取信息進行處理，將處理后的結(jié)果以XML文件形式傳回給客戶端，響應(yīng)客戶端的服務(wù)請求。另一方面也通過創(chuàng)建線程，以主動定時查詢方式將報警信息發(fā)送給客戶端，告知用戶無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，并依據(jù)實時狀態(tài)作出相應(yīng)的處理。

1.3.4 數(shù)據(jù)顯示模塊 該模塊主要采用 WEB服務(wù)器控件和CSS樣式表，向用戶提供更加美觀便捷的可視化操作界面。用戶可以通過聯(lián)網(wǎng)計算機瀏覽器實時訪問監(jiān)測系統(tǒng)，方便多用戶訪問和管理。

1.4 關(guān)鍵技術(shù)

1.4.1 基于異步Ajax技術(shù)的異步 WEB數(shù)據(jù)交互通過這種方法可以減少對服務(wù)器多余的請求和響應(yīng)，有效降低服務(wù)器負擔(dān)，同時也降低了帶寬浪費率，使用戶能夠獲得動態(tài)、快速響應(yīng)、高交互性的體驗［8］。

1.4.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建 在油田井場內(nèi)搭建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)傳感器的選擇需要滿足大范圍、多節(jié)點、低成本、低功耗、具有自組織功能的特點。結(jié)合這些要求，最后確定選用ZigBee技術(shù)完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建［9］。

1.4.3 遠程監(jiān)測系統(tǒng)的信息交互 遠程監(jiān)測端需要獲得現(xiàn)場設(shè)備的實時數(shù)據(jù)才能進行分析，進而產(chǎn)生決策，遠程操作指令通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳回給現(xiàn)場設(shè)備，現(xiàn)場設(shè)備再執(zhí)行相應(yīng)操作指令。其中，為了保證良好的實時性，遠程WEB監(jiān)測端與現(xiàn)場設(shè)備之間的通信選用基于TCP/IP協(xié)議的套接字通信方式，兩層之間可通過現(xiàn)場PC機進行中轉(zhuǎn)連接。又由于現(xiàn)場PC機可以通過串口通信直接與現(xiàn)場硬件設(shè)備進行交互，那么遠程監(jiān)測端便可直接向現(xiàn)場PC機發(fā)送操作指令，然后由其直接轉(zhuǎn)發(fā)給現(xiàn)場硬件設(shè)備，最后將操作過程存儲進數(shù)據(jù)服務(wù)器［10］。通過這樣的實現(xiàn)方式，減少了整個通信過程中的時間延遲，提高了系統(tǒng)實時性。

2 系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 實驗環(huán)境

測試環(huán)境區(qū)域長約100m，寬約80m，為半封閉式，地形為平地。無線節(jié)點在鉆井現(xiàn)場中的分布情況如圖3所示。圖中，1號節(jié)點位于坐崗房頂部（節(jié)點離地面高度約為4m）；2和3號節(jié)點分別布置在2＃和3＃泥漿罐罐面上（這些節(jié)點離地面高度約為2.5m）；4號節(jié)點位于3＃泥漿罐的出口處（節(jié)點離地面高度約0.5m）；5號節(jié)點位于鉆井平臺上（節(jié)點離地面高度約為10m）；6號節(jié)點安放在泥漿出口的傾斜管線上（節(jié)點離地面高度約為7m）。

圖3 井場節(jié)點平面分布圖

節(jié)點1是匯聚節(jié)點，配備有GPS定位模塊，且通過RS-232與PC機連接；節(jié)點2，6為路由節(jié)點，同時負責(zé)收集和轉(zhuǎn)發(fā)周圍節(jié)點以及自身的傳感信息；節(jié)點3，4，5為終端節(jié)點，負責(zé)收集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感信息，其傳感信息能夠經(jīng)過路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點，然后再經(jīng)由現(xiàn)場PC機傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器中進行存儲。圖中虛線表示無線節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信路線。由于采用了樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，兩節(jié)點間的最遠通信距離控制在15m以內(nèi)，有效保證了無線信號的穩(wěn)定性。

2.2 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)各個功能模塊通過測試后，由微軟配套ASP.NET開發(fā)工具IIS 6.0發(fā)布網(wǎng)站。實測表明:系統(tǒng)的各個功能模塊都能夠正常運行，有較好的穩(wěn)定性和友好的交互界面，而且系統(tǒng)的可擴展性強，這為豐富后續(xù)功能奠定了基礎(chǔ)。

在坐崗工作室，現(xiàn)場監(jiān)測客戶端將所收集的監(jiān)測信息進行轉(zhuǎn)發(fā)存儲，為鉆井作業(yè)的遠程監(jiān)控提供了數(shù)據(jù)源。鉆井作業(yè)時，各分布節(jié)點采集數(shù)據(jù)時的現(xiàn)場監(jiān)測界面如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場監(jiān)測客戶端界面

本系統(tǒng)是采用B/S模式構(gòu)建的基于WEB的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，為滿足較高實時性要求，通過使用Ajax技術(shù)定時局部刷新，可實時顯示最新的傳感器數(shù)據(jù)。同時，在進行鉆井作業(yè)工程分析時也需要遠程監(jiān)測端的數(shù)據(jù)庫具有回溯歷史數(shù)據(jù)的功能。通過指定起止日期來查詢數(shù)據(jù)庫，可以獲得指定節(jié)點參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)查詢并繪制井口電機區(qū)域的溫度曲線，實現(xiàn)了傳感信息的圖形化顯示（圖5）。

圖5 節(jié)點數(shù)據(jù)曲線和節(jié)點數(shù)據(jù)查詢

每個井場只需一個擁有GPS的節(jié)點，即可計算得到所有節(jié)點的GPS相對坐標。結(jié)合節(jié)點的井場位置分布，使用Baidu Map進行標注，那么在遠程監(jiān)控室就可方便地了解每一個井場的地理位置以及直觀地查看當前井場的節(jié)點分布情況。圖6是某一井場節(jié)點位置標注與信息顯示。

通過添加“ASP.NET”文件夾Framework里的程序集“Office.dll”后，編寫相應(yīng)調(diào)用代碼就可以實現(xiàn)指定數(shù)據(jù)報表的下載［10］，方便用戶導(dǎo)出所需要的數(shù)據(jù)進行鉆井過程分析。為了適應(yīng)用戶的各種監(jiān)測需求，系統(tǒng)設(shè)計了參數(shù)設(shè)置模塊，便于用戶對鉆井現(xiàn)場的重要監(jiān)測參數(shù)進行調(diào)整，設(shè)置井場內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要監(jiān)測參數(shù)的閾值，針對性地監(jiān)控環(huán)境，具有更好的適應(yīng)性，同時為服務(wù)器端預(yù)警奠定基礎(chǔ)。

圖6 節(jié)點位置標注與信息顯示

通過模擬緊急相關(guān)實驗，測試了監(jiān)測系統(tǒng)的有效性和可靠性。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效地監(jiān)測井口的異常數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)故障與危險情況，所測得的監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠滿足實際應(yīng)用的精度要求。

3 總結(jié)

本文針對油田鉆井現(xiàn)場實際監(jiān)測需求，設(shè)計并實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WEB監(jiān)測。詳細介紹了其架構(gòu)與層次結(jié)構(gòu)。通過運用Ajax等技術(shù)，解決了數(shù)據(jù)可視化中的動態(tài)性、實用性等問題，提供了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測可視化的研究技術(shù)基礎(chǔ)和實現(xiàn)方法。目前存在的主要問題是:井場環(huán)境復(fù)雜、鏈路變化頻繁，導(dǎo)致連接失效、丟包率增加，其穩(wěn)定性有待進一步優(yōu)化。

［1］ 熊珺潔.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)能協(xié)議設(shè)計［D］.安徽:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

［2］ 倪合合，涂漢霧，黃 興，等.鉆井工程監(jiān)測報警系統(tǒng)在井場中的應(yīng)用［J］.可編程控制器與工廠自動化，2009，1:91-94.

［3］ 楊 揚.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［D］.浙江:浙江大學(xué)，2007.

［4］ 陸黃生.綜合錄井在鉆井工程中的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展思考［J］.石油鉆探技術(shù)，2011，39（04）:1-6.

［5］ 李智鵬，許京國，尤 軍，等.石油鉆探物聯(lián)網(wǎng)實時遠程作業(yè)中心設(shè)計綜述［J］.石油工業(yè)計算機應(yīng)用，2014（02）:16-21.

［6］ 耿長劍.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.江蘇:南京航空航天大學(xué)，2009.

［7］ 高 鵬，徐小力，吳國新，等.基于Ajax的四層架構(gòu)遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機工程與設(shè)計，2014，35（02）:695-699.

［8］ 仰燕蘭，金曉雪，葉 樺.ASP.NET AJAX框架研究及其在 Web開發(fā)中的應(yīng)用［J］.計算機應(yīng)用與軟件，2011，28（06）:195-198.

［9］ 任豐原，黃海寧，林 闖.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［J］.軟件學(xué)報，2003，14（07）:1282-1291.

［10］鄭 玲.基于Web的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.北京:北京郵電大學(xué)，2010.