基于物聯(lián)網(wǎng)技術的數(shù)字油田三維管線智能巡檢系統(tǒng)

張彪，杜景濤，許海銀

（1.青島中油巖土工程有限公司；2.中石油管道聯(lián)合有限公司西部蘭州輸氣分公司）

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的數(shù)字油田三維管線智能巡檢系統(tǒng)

張彪1，杜景濤2，許海銀2

（1.青島中油巖土工程有限公司；2.中石油管道聯(lián)合有限公司西部蘭州輸氣分公司）

在分析物聯(lián)網(wǎng)技術的研究發(fā)展現(xiàn)狀和傳統(tǒng)油田數(shù)字化管線管理差異的基礎上，提出采用數(shù)據(jù)中心思想及ESB服務總線的開發(fā)模式，利用物聯(lián)網(wǎng)技術建立數(shù)字油田三維管線智能管理系統(tǒng)的技術路線與構建流程;最終闡明了物聯(lián)網(wǎng)技術在油田三維管線巡檢管理系統(tǒng)上的應用價值和發(fā)展趨勢。

三維管線；ESB；數(shù)據(jù)中心；巡檢管理

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展應用及油田信息化管理概念的提出，油田三維管線智能管理系統(tǒng)的構建變得十分重要。傳統(tǒng)的管理方法采用圖紙資料結合人工處理方式，巡檢日志主要以紙筆記錄為主，調度管理主要靠移動通訊傳達，工作流程十分繁瑣，效率低下，不能適應現(xiàn)代化辦公的需要。隨著油田信息化建設速度加快，圖紙資料難以得到及時更新，工作及人員調度亦不能夠及時進行相應調整，為管理帶來諸多不便。

因此，建立一個功能完備，操作簡便的三維管線智能管理系統(tǒng)成為迫切的需求。針對目前油田管網(wǎng)國內外的研究現(xiàn)狀，本文提出利用物聯(lián)網(wǎng)中的RFID技術、GPS技術和大區(qū)域WiFi技術，建立三維

管線智能管理系統(tǒng)。通過系統(tǒng)，可以實現(xiàn)各種管線相關資料的科學有效管理和查詢，以及人員有效調度等功能；實現(xiàn)三維管線巡檢的信息化和數(shù)字化功能。

2 技術路線

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)為載體，采取約定的協(xié)議，通過網(wǎng)絡終端實現(xiàn)物與物的連接。物聯(lián)網(wǎng)核心技術包括RFID、信息服務系統(tǒng)、激光掃描技術、WiFi技術、GNSS, 通過這些技術實現(xiàn)各種終端設備的智能識別、定位、監(jiān)控以及管理。在油田管線監(jiān)控管理中，RFID、WiFi、GNSS等物聯(lián)網(wǎng)技術能夠對油田管網(wǎng)進行實時的檢測、監(jiān)控和跟蹤，異常情況下可以及時關閉泄漏點附近閥門，實現(xiàn)切斷泄漏點從而防止燃爆事故發(fā)生，同時將燃氣泄漏情況第一時間向控制中心報警提示，通知搶險人員對泄漏點進行及時搶修，防止事故擴大。

2.2 數(shù)據(jù)中心技術

數(shù)據(jù)中心技術主要承擔了三維管線所有數(shù)據(jù)資源的配置、管理與維護，通過元數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類與定制，不僅可以解決多源、異構、異質數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理問題，而且可以充分利用各種信息資源，實現(xiàn)其可持續(xù)利用，減少浪費。倉庫式管理，無需格式轉換就可以直接管理各種來源的系統(tǒng)相關數(shù)據(jù)，如基礎數(shù)據(jù)、業(yè)務數(shù)據(jù)、運營管理數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)等。

基礎數(shù)據(jù)不僅包括基礎地形圖、遙感影像、三維模型等基礎地理數(shù)據(jù)，而且包括綜合管廊、地下管線、基礎設施等數(shù)據(jù)。業(yè)務數(shù)據(jù)是指在三維管線管理過程中產生的各種數(shù)據(jù)信息。運營管理數(shù)據(jù)包括環(huán)境監(jiān)測、視頻監(jiān)控、有線通信、無線通信、人員定位、應急資源等多種數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)包括壓力計、流量計等傳感監(jiān)測設備獲取的實時數(shù)據(jù)。

2.3 ESB總線

ESB服務總線是數(shù)字油田的分布式業(yè)務系統(tǒng)的連接與通信中樞，支持分布系統(tǒng)的集成與整合，實現(xiàn)多源綜合管線數(shù)據(jù)信息的集成以及對外分發(fā)與共享。

以三維管線智能管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心為基礎，ESB服務總線可提供符合W3C標準的Web服務接口，如地理信息服務、管線業(yè)務信息服務、服務管理、運維管理等，為建設不同的管理子系統(tǒng)提供豐富的服務資源和實現(xiàn)手段，如SCADA系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、可視化巡檢系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等。ESB服務總線不僅使數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)得到更好的利用，而且為搭建各種管線業(yè)務管理軟件系統(tǒng)提供了通信層基礎（見圖1）。

圖1 ESB服務總線定位

圖2 網(wǎng)絡構架原理

ESB服務總線是搭建統(tǒng)一信息管理平臺的服務管理中心，可提供數(shù)據(jù)服務、功能服務、服務管理、運維管理等功能，各種服務能夠通過ESB服務總線進行注冊和管理，服務可集中托管，也可分布式部署，各管線業(yè)務管理軟件系統(tǒng)可通過ESB服務總線調用其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務和功能服務。

3 統(tǒng)一網(wǎng)絡通訊管理

考慮到數(shù)字油田內部的人員定位、巡檢管理、無線對講等系統(tǒng)的技術及數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩鄻有?，為避免多重、多種網(wǎng)絡對系統(tǒng)實施、維護、應用帶來的不便，在人員定位、巡檢管理、無線對講系統(tǒng)的技術和設備的選擇上，采用統(tǒng)一基礎設施網(wǎng)絡進行應用設計。

1）人員定位：定位基站集成WiFi通訊模塊，定位基站統(tǒng)一將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心。

2）巡檢管理：巡檢手持PDA支持WiFi連接，與數(shù)據(jù)中心進行通訊。

3）無線對講：無線對講系統(tǒng)采用WiFi無線對講機，對講終端可通過WiFi連接實現(xiàn)對講終端與對講終端、對講終端與控制中心的通訊。

4）人員定位、巡檢管理、無線對講均通過WiFi進行網(wǎng)絡通訊，實現(xiàn)三網(wǎng)合一。網(wǎng)絡構架原理如圖2所示。

4 系統(tǒng)應用管理

4.1 無線對講

以WiFi無線網(wǎng)絡覆蓋為基礎建設的無線對講系統(tǒng)，外勤作業(yè)人員通過手持無線對講終端，可實現(xiàn)作業(yè)人員之間、作業(yè)人員與控制中心人員之間的及時、便捷的語音通訊。

4.1.1 系統(tǒng)部署

在機房部署廣播對講主機，作為對講系統(tǒng)的核心服務器，廣播對講主機通過網(wǎng)線接入局域網(wǎng)內。在機房部署語音網(wǎng)關，語音網(wǎng)關通過網(wǎng)線接入局域網(wǎng)。

在指揮中心部署雙手柄調度臺，并在調度臺上運行廣播對講管理軟件，調度臺通過網(wǎng)線接入局域網(wǎng)，向主機注冊，指揮中心可通過調度臺對終端進行單呼、群呼和組呼等操作。巡檢外勤工作人員可配備終端手機，通過覆蓋的WiFi接入局域網(wǎng)中，向主機注冊，注冊后可接受系統(tǒng)的調度管理，實現(xiàn)呼叫功能。

4.1.2 主要功能

無線對講系統(tǒng)提供豐富的對廣播終端進行管理功能。主要實現(xiàn)終端IP部署、廣播預設、終端狀態(tài)監(jiān)管、電話廣播、全雙工對講、權限控制等功能。確保作業(yè)

人員與控制人員之間實時通訊。

4.2 人員定位

作為GNSS的補充，解決室內巡檢人員定位的問題，采用先進的UWB無線通訊技術，通過在油田站室內部署定位基站，為巡檢人員佩戴定位標簽的方式，對巡檢人員進行實時定位，定位信息通過WiFi網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)回傳，實現(xiàn)對巡檢人員的實時、可視化管理。

4.2.1 系統(tǒng)部屬

定位基站部署在站室內，每個基站間隔200m，考慮到防火墻會對無線脈沖造成衰減，導致定位精度降低，在防火墻處應適當多部署1臺定位微基站。定位基站實時測算與定位標簽的距離，并通過WiFi進行數(shù)據(jù)回傳，后臺服務解算引擎對距離信息進行實時解算，從而獲得人員的實時位置信息。

4.2.2 主要功能

基于對定位基站和定位標簽的管理，結合油田對人員定位的業(yè)務需求，系統(tǒng)提供符合巡檢場景的多種應用功能。

1）基礎信息管理

提供對定位基站信息的配置功能，能夠根據(jù)現(xiàn)場部署情況對定位基站進行參數(shù)設置，從而滿足不同的定位和數(shù)據(jù)傳輸需求?？筛鶕?jù)定位標簽ID新建定位標簽，同時，系統(tǒng)提供對標簽再編輯、刪除的管理功能。只有在系統(tǒng)中進行注冊的標簽，才能對標簽進行識別和位置信息的接收。

2）人員實時定位

能夠實時查看巡檢人員在站室內的位置，并在電子地圖上進行可視化展示。

3）歷史軌跡查詢

支持對站室內工作人員任意指定時間段的軌跡進行查詢。

4）人員遇險報警

遇到危險情況時，人員可以通過標簽SOS報警，后臺及時發(fā)現(xiàn)報警信息，并及時精確定位遇險位置。

5）災后救援

當站室內發(fā)生火災、氣體泄漏等事故，并導致與巡查工作人員失聯(lián)時，系統(tǒng)自動根據(jù)失聯(lián)人員的運行軌跡和最后停留時間，分析失聯(lián)人員可能存在的位置，指導救援工作，提高救援效率。

4.3 巡檢管理

結合GNSS、無線對講、人員定位系統(tǒng)，巡檢人員通過手持PDA實現(xiàn)巡檢管理，在站室內通過掃碼功能將手持PDA與定位標簽進行綁定，通過實時匹配定位標簽的位置信息實現(xiàn)對巡檢人員的位置定位和軌跡管理，從而達到對巡檢人員監(jiān)督，保障巡檢質量的目的。巡檢管理系統(tǒng)可實現(xiàn)對巡檢人員、計劃、事件、績效的精細化管理，提高巡檢工作的管理水平。

巡檢管理系統(tǒng)包括平臺管理端和巡檢人員手持應用端兩部分，通過平臺和手持端的聯(lián)合應用，實現(xiàn)油田管線巡檢的精細化管理。

4.3.1 巡檢服務端管理

1）巡檢員監(jiān)控

通過人員定位系統(tǒng)中的人員位置信息，可實現(xiàn)在二維GIS地圖上對巡檢人員位置、某段時間的巡檢軌跡、是否偏離巡檢任務、路線等情況監(jiān)控，同時具有巡檢人員巡線回放功能，有效地監(jiān)督巡檢人員工作。

2）巡檢計劃制定

系統(tǒng)按照指定規(guī)則和法定節(jié)假日自動生成每天的巡檢任務，巡檢任務類型包括按路線巡檢任務、區(qū)域巡檢任務、重要設備巡檢任務等。明確了巡檢任務類型、任務內容、開始及完成時間等信息，并提供動態(tài)調整工具，保證巡檢過程的完整性，保證巡檢計劃的執(zhí)行力度及內容的準確性。

3）巡檢上報事件查看

可以實時查看巡檢事件的動態(tài)，巡檢事件的完成情況，巡檢事件中可查看巡檢人員、巡檢時間、巡線長度、以及發(fā)現(xiàn)的故障或隱患信息的描述。

4）指揮調度

能實時接收手持終端的上報事件，并查看隨事件上報的圖片、空間位置等輔助快速定位。監(jiān)控人員可通過直接點擊電子地圖上的巡檢人員，或通過無線對講、發(fā)短信的方式給巡檢人員發(fā)送任務通知，實現(xiàn)對現(xiàn)場工作人員的指揮調度。同時能夠按照事件的不同，把事件轉發(fā)給不同的部門進行處理。

5）自動生成巡檢日志

能夠記錄巡檢人員上報的事件以及事件處理的整個情況，自動生成工作日志。

6）工作評價

可以對某個或者全體巡檢人員進行任意時間段內的工作統(tǒng)計，可以明確了解巡檢人員上報的事件個數(shù)，了解到維修養(yǎng)護人員維修養(yǎng)護管網(wǎng)路徑的長短、累計下班和掉線時間等，為工作評價提供可靠準確的依據(jù)。

4.3.2 巡檢終端

1）任務管理

手持智能終端設備可連接后臺服務器，進行巡檢任務實時更新，下載最新的巡檢任務，并實時提醒。下載后的巡檢任務將以列表及圖形兩種形式進行展現(xiàn)，輔助巡檢工作人員了解巡檢任務詳細信息。

2）掃碼識別

可對重要區(qū)域和重要設備的電子標簽/二維碼進行掃碼識別，通過與數(shù)據(jù)中心進行通訊和數(shù)據(jù)匹配，巡檢人員可查詢當前區(qū)域/設備的正常狀態(tài)特征信息及檢查注意事項，輔助巡檢人員能夠正確對重要區(qū)域/設備的運行狀態(tài)進行判斷。

3）事件上報

當巡檢過程中發(fā)現(xiàn)設施設備故障或隱患信息時，能夠通過防爆手機進行故障或隱患信息的快速上報，支持文字描述、故障/隱患類型選擇、圖片拍照多種信息描述方式。系統(tǒng)根據(jù)人員定位信息，自動匹配上報事件的人員、地點和時間等信息。

5 結束語

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的數(shù)字油田三維管線智能巡檢管理系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)巡檢方式的不足。通過RFID標識、對講系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)與巡檢系統(tǒng)的結合，監(jiān)控指揮調度中心的工作人員能夠在第一時間了解巡檢人員的位置情況、管線的運行狀態(tài)及健康狀況，在第一時間通過對講系統(tǒng)通知維搶人員進行搶修，解決了巡檢人員室內不能定位，以及手機網(wǎng)絡信號弱不能及時傳輸巡檢信息及新員工對管線信息不熟悉導致巡檢不到位的問題，從而實現(xiàn)真正的實時巡檢、智能化管理。通過物聯(lián)網(wǎng)技術，基于傳感器、RFID、無線對講、無線與Wif i通訊，根據(jù)系統(tǒng)，實現(xiàn)人員、管線的智能化管理。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的數(shù)字油田建設是目前油田數(shù)字化構建的新趨勢，該項技術將通訊技術、定位技術及GIS技術進行了有機結合，適合于各種油田管線及相關設施信息化管理需求，可提高數(shù)字油田的自動化和信息化水平，在管線巡檢及數(shù)字油田構建等應用業(yè)務方面能夠實現(xiàn)一定的提升作用。

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Intelligent Patrol Inspection System of Digital Oilf i eld Based on IOT Technology

ZHANG Biao1, DU Jing-tao2, XU Hai-yin2

（1.Qingdao China Petrol Geotechnical Engineering Co.,Ltd.; 2.Lanzhou Gas Transmission Company, PetroChina Pipeline Joint Co., Ltd.）

Based on the analysis of the status quo of the research and development of the Internet of Things technology and the management of the traditional oilf i eld digital pipeline, this paper puts forward the development of the data center and the development mode of the ESB service bus, and uses the Internet of Things technology to establish the technology of the three-dimensional pipeline intelligent management system Route and build process. Finally, the application value and development trend of the Internet of Things technology in the three -dimensional pipeline inspection and management system of oilf i eld are expounded.

three-dimensional pipeline; ESB; data center; inspection management