基于物聯(lián)網(wǎng)的抽油機裝備工況采集與可視化研究

陳 勇 ，孫文磊，譚遠華，鄭 雄

CHEN Yong1 , SUN Wen-lei1 , TAN Yuan-hua2, ZHENG Xiong3

（1.新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊 830047；2.紅有軟件有限責任公司，克拉瑪依 834000；3.西部鉆探 克拉瑪依市井下作業(yè)公司，克拉瑪依 834000）

0 引言

石油作為國家的重要能源供應，在國民經(jīng)濟的發(fā)展中起著無可替代的作用，隨著社會的發(fā)展和科技的進步，對油田的建設、開采和管理提出了更高的要求。傳統(tǒng)的油田發(fā)展模式已經(jīng)越來越難以適應現(xiàn)代社會和市場的要求，而要解決這一矛盾，加快構建智慧油田顯然是一個不錯的選擇，智慧油田是數(shù)字油田的高級形式，數(shù)字油田主要是建立在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上，主要是數(shù)據(jù)的采集；而智慧油田是建立在物聯(lián)網(wǎng)和云計算等眾多的先進信息化技術基礎上的，甚至包括未來的新技術、新理念，智慧油田更多注重的是對數(shù)據(jù)的智慧處理，并以此為管理層和決策層提供及時準確的決策依據(jù)。目前，國內外的石油行業(yè)在構建智慧油田的進程中已有著長足的進步，挪威國家石油公司與IBM合作建立的智慧油田項目使得其采收率大大提高，國內的華北油田、新疆油田等油田在構建數(shù)字油田的基礎上，也提出了構建智慧油田的目標。依托克拉瑪依智慧城市和新疆油田的智慧化建設，紅有軟件公司為智慧城市和智慧油田的建設提供整體的解決方案，承擔、完成了數(shù)字新疆油田建設，開發(fā)了100多套系統(tǒng)，經(jīng)過長期油田業(yè)務積累，具備了數(shù)字油田整體解決方案的能力。智慧油田通過云計算、物聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)代通訊、虛擬化等新技術的應用，具有對油田的全方位感知能力，實現(xiàn)了油田的智能巡檢、自動感知、多種數(shù)據(jù)融合的功能，構建綠色數(shù)據(jù)中心基本框架，建設和應用實時生產監(jiān)控及操作系統(tǒng)，實現(xiàn)井場數(shù)據(jù)的自動化采集和傳輸，提高數(shù)據(jù)自動化采集率和對生產動態(tài)分析和優(yōu)化功能；并與油氣生產物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成，實現(xiàn)對油氣開采的生產運行管理以及設備的綜合管理。

在克拉瑪依市構建智慧城市和智慧油田的大環(huán)境下，運用現(xiàn)代的科技手段來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工勞動已成為必然趨勢。在物聯(lián)網(wǎng)的基礎上，通過不同類型的傳感器實時采集每臺抽油機工作的關鍵參數(shù)并傳輸保存在數(shù)據(jù)庫中，結合虛擬現(xiàn)實技術和現(xiàn)代通訊技術，把分布在各地的不同型號抽油機的相關信息全部整合在一個軟件中，通過與數(shù)據(jù)庫（儲存抽油機的工作參數(shù)信息）相連，可精確查詢每一臺抽油機的實時工作情況和其他相關信息，并通過三維可視化技術直觀呈現(xiàn)，方便管理人員對所有抽油機的情況進行查詢了解，對管理決策提供一定的參考價值。本文以智慧油田的構建為背景，在物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實可視化技術的基礎上，選取一種抽油機上的傳感器——井口壓力傳感器，以此為例來闡述抽油機裝備工況采集與可視化的整個系統(tǒng)構成，為智慧油田的構建提供了一定的參考價值。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)抽油機裝備工況采集

智慧油田的構建是由多個層級組成的，其中非常重要的一個就是感知層，近年來包括物聯(lián)網(wǎng)、云計算、新一代互聯(lián)網(wǎng)在內的現(xiàn)代信息技術的快速發(fā)展，為智慧油田的建設提供了可靠的技術支撐，高速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術和現(xiàn)代通訊技術使得感知層的構建快速而有效。就物聯(lián)網(wǎng)技術在智慧油田構建中的運用而言，所涉及的關鍵技術有：通訊技術和傳感器技術。而這兩個關鍵技術中又有其各自需要解決的問題：

1.1 現(xiàn)代通訊技術

通過傳感器采集的抽油機裝備工況信息，最終需傳輸?shù)奖O(jiān)控終端保存?？紤]到抽油機裝備的數(shù)量眾多，傳感器所采集的數(shù)據(jù)也將是海量的，如何將數(shù)量眾多的信息安全、準確的傳輸?shù)奖O(jiān)控終端是現(xiàn)代通訊技術需要解決的問題。

目前運用的主要有有線傳輸和無線傳輸兩種方法。有線傳輸具有的特點是：傳輸穩(wěn)定、可承載的數(shù)據(jù)流量巨大，但因抽油機的分布范圍廣泛，采用有線傳輸將需要鋪設大量的傳輸線路，耗費巨大的人力物力財力，將大大增加智慧油田的購建成本。無線傳輸具有的優(yōu)點是：綜合成本低、組網(wǎng)靈活、可擴展性好，考慮油田抽油機裝備的現(xiàn)實分布情況，無線傳輸更適合于智慧油田的構建，但無線傳輸也有其不足之處，因無線傳輸本身的非定向性，數(shù)據(jù)的傳播的是開放的，因此如何做好數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄詫⑹切畔魉椭斜仨氁紤]的問題；也因無線傳輸?shù)拈_放性，數(shù)據(jù)的傳輸過程容易受到環(huán)境干擾，所以如何保證無線傳輸?shù)目垢蓴_能力將決定著整個物聯(lián)網(wǎng)感知結果的穩(wěn)定性和可靠性。

1.2 傳感器技術

利用傳感器所采集的抽油機信息必須是管理人員最關心的信息，對整個抽油機裝備實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的遠端監(jiān)控和智能感知全覆蓋，需采用數(shù)量眾多且種類不同的傳感器，因此如何更穩(wěn)定、更經(jīng)濟、更準確的實現(xiàn)傳感器信息的采集和處理將面臨以下四方面的問題：

1）不同類型的傳感器所采集的數(shù)據(jù)格式不同，如何對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一整合將是構建智慧油田必須解決問題之一。

2）每一種傳感器在數(shù)據(jù)的采集過程中由于不同的原因都會產生一定的誤差，因此需要控制傳感器的數(shù)據(jù)采集誤差，通過合理的求解算法，盡可能的提高數(shù)據(jù)采集精度，使其保持在誤差允許的范圍。

3）因抽油機的裝備數(shù)量眾多，構建智慧油田所需安裝的各種類型的傳感器數(shù)量也將是巨大的，且抽油機的分布范圍廣，供電極為不便，因此如何降低 傳感器等其他設備的功耗將對構建智慧油田的成本控制產生重大影響。

4）因油田環(huán)境的特殊性，所安裝的傳感器需有抗干擾、抗油、抗水、抗腐蝕等特點，保證傳感器工作的穩(wěn)定性。

傳感器的種類雖然不同，但構成參數(shù)采集、處理、傳送的工作模塊基本相同。本文以抽油機井口壓力傳感器為例，闡述抽油機裝備信息采集系統(tǒng)的信息提取過程，抽油機井口壓力傳感器工作模塊的構成及工作流程如圖1所示。

圖1 井口壓力傳感器模塊及工作流程

2 基于VRP的抽油機裝備三維可視化

虛擬現(xiàn)實技術是將復雜和抽象的數(shù)據(jù)以非量化的、直觀的形式呈現(xiàn)給用戶，使用戶以最自然的方式實現(xiàn)與作業(yè)對象的交互技術?？梢暬╒isualization）是虛擬現(xiàn)實技術的關鍵技術之一，是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將數(shù)據(jù)轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的理論、方法和技術。它涉及到計算機圖形學、圖像處理、計算機視覺、計算機輔助設計等多個領域，成為研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問題的綜合技術，它以人們慣于接受的表格、圖形、圖像等方法并輔以信息處理技術將客觀事物及其內在的聯(lián)系進行表現(xiàn)，其結果便于人們記憶和理解?？梢暬瘜τ谛畔⒌奶幚砗捅磉_方式有其他方式無法取代的優(yōu)勢，其特點可總結為可視性、交互性和多維性。

本文運用數(shù)字化建模技術和虛擬現(xiàn)實技術，借助VRP和3ds Max等軟件，在物聯(lián)網(wǎng)的基礎之上，構建抽油機裝備工況交互式三維可視化環(huán)境模型，為智慧油田的構建提供借鑒。其系統(tǒng)實現(xiàn)的路線圖設計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)實現(xiàn)的路線圖設計

3 抽油機裝備工況采集與可視化實現(xiàn)

3.1 信息采集模塊設計

因油氣資源的分布范圍廣泛，且多在人煙稀少的野外，導致了抽油機井的分布范圍廣泛，甚至在戈壁、沙漠之中，給抽油機的尋井工作帶來諸多不便。在構建智慧油田的大環(huán)境下，在數(shù)字油田的建設基礎上，運用先進的傳感器技術、無線通訊、虛擬現(xiàn)實等技術，對分布在不同地區(qū)的抽油機工況進行遠程實時監(jiān)測，信息自動采集，通過無線通訊技術將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控站并保存，在監(jiān)控終端運用虛擬現(xiàn)實技術把采集的抽油機參數(shù)實時立體顯示在監(jiān)控平臺上，極大的提高了對分布范圍廣泛的抽油機井的監(jiān)控效率，方便了油田的管理工作。

對一臺抽油機實現(xiàn)監(jiān)控需采集抽油機的電參數(shù)，井口壓力，抽油機的光桿功率隨位移變化的曲線，一個沖程周期內抽油機的有功功率曲線、電流曲線，抽油機的平衡率，抽油機的運行狀態(tài)等參數(shù)。針對不同的參數(shù)及不同的工作環(huán)境需采用不同類型及型號的傳感器，選擇傳感器時，為保證數(shù)據(jù)采集準確可靠，需考慮抽油機獨特的工作環(huán)境，產品須具有抗腐蝕、防油、防水等性能，還需考慮傳感器采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、精確性、抗干擾性等性能。

3.2 工況可視化設計

通過不同類型和型號的傳感器，將抽油機的關鍵工作參數(shù)采集并通過無線傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)轉換技術，保存在監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)庫中。運用3ds Max軟件對抽油機的工作環(huán)境進行建模，并通過接口軟件導入到VRP中，制作抽油機裝備工況交互式三維可視化環(huán)境模型，并將其和采集的抽油機裝備信息數(shù)據(jù)庫連接，便于查詢每一臺抽油機的實時工作信息。

3ds Max是一款專業(yè)的三維動畫渲染和制作軟件，可構建出非常精美的三維場景模型。但過于精美的畫質往往會導致所構建的三維模型面片數(shù)過高，將占用大量的計算機資源，從而嚴重影響后期的虛擬場景的運行速度，更嚴重的甚至導致虛擬場景無法運行。因此，在保證模型美觀性前提下，應盡可能的精簡模型的面片數(shù)。模型場景的整體面片數(shù)越少，占用系統(tǒng)資源越少，整個系統(tǒng)的運行速度也越快，場景的運行也更流暢。

對抽油機的模型進行優(yōu)化前后的模型面片數(shù)如圖3所示。

圖3 抽油機模型面數(shù)和頂點數(shù)優(yōu)化前后對比

通過圖3可以看出，在對模型進行精簡優(yōu)化后，抽油機模型的面片數(shù)和頂點數(shù)大幅降低，但模型的美觀性和完整性并沒有受影響。越少的模型個數(shù)和面片數(shù)占用系統(tǒng)的資源越少，場景的加載速度也越快，流暢性也越高。

在3ds Max中制作好的場景將最終場景通過接口軟件調入VRP中，再對場景進行微調，最終場景圖如圖4所示。

圖4 VRP中調整后的場景

模型調整后，創(chuàng)建相機，通過繪制的運動路徑設置相機的運動方式以及設置添加虛擬人等，實現(xiàn)平臺的漫游操作，使得整個場景看起來更加逼真。

在VRP-builder中，將調整好的模型和傳感器采集的抽油機關鍵參數(shù)數(shù)據(jù)庫鏈接，每一臺抽油機都對應著一組特定的數(shù)值，里面記錄著抽油機的型號、地理位置、工作參數(shù)等信息，并制作腳本語言。三維場景的交互動作可以通過VRP腳本來實現(xiàn)，即根據(jù)系統(tǒng)的任務要求和場景設定，將VRP腳本文件分為4組（歡迎界面腳本、全景巡視腳本、抽油機任務腳本、界面交互腳本）。VRP編程腳本如圖5所示，所有的交互功能均依靠編輯的腳本文件程序控制，編輯好所有的腳本文件后，點擊VRP軟件上方的按鍵，將制作好的文件打包成可獨立運行的EXE文件并測試，運行后如圖6所示，通過鼠標控制視角的遠近和方位，也可通過設置的相機對整個場景進行漫游。

圖5 VRP編程腳本

當鼠標移動到某一臺抽油機上時，其所對應的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)就可顯示出來，當移動到另一臺抽油機上時它所對應的數(shù)據(jù)就顯示出來，且所有的抽油機相關參數(shù)都以固定的頻率進行刷新，以保證所顯示的數(shù)據(jù)能夠真實的反映每臺抽油機的實時工作狀況。

圖6 工況查詢

5 結束語

本文在物聯(lián)網(wǎng)的基礎上，應用3ds Max與VRP等軟件相結合的方式完成對抽油機裝備工況查詢系統(tǒng)的設計開發(fā)，并利用VRP軟件平臺實現(xiàn)人機交互功能。所開發(fā)的平臺即可作為裝備工況信息查詢系統(tǒng)，實時查看每臺抽油機的工作信息和關鍵工作參數(shù)，又可作為油田的視景仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)油田的三維視景仿真漫游功能，為數(shù)字油田和智慧油田的構建提供借鑒。

展望未來，作為智慧油田的一部分，整個系統(tǒng)還可與GIS（地理信息系統(tǒng)）結合，構建1：1的真實場景，當某一個抽油機出現(xiàn)問題時，就可在監(jiān)控平臺上突出表現(xiàn)出來，發(fā)出警報并顯示出該抽油機的故障信息和地理位置，利用GPS系統(tǒng)對維修人員的響應速度進行監(jiān)測，做到快速發(fā)現(xiàn)、精準定位、快速處置，將經(jīng)濟損失降到最低，免去了人工尋井帶來的種種弊端，解放了勞動力，提高了生產效率。

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