基于物聯(lián)網(wǎng)天然氣儀表數(shù)據(jù)采集與管理的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

刁俊武

（中海油信息科技有限公司智能制造（惠州）分公司 廣東省惠州市 516086）

在大型天然氣企業(yè)工作中，如依舊借助傳統(tǒng)抄表方式，掌握天然氣使用情況，不僅需要大量人力資源，更會(huì)增加不必要數(shù)據(jù)整理時(shí)間。再加上人工抄表方式，一旦出現(xiàn)失誤問(wèn)題，在大量數(shù)據(jù)匯集與整理過(guò)程中，極易導(dǎo)致企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益受損，嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)＜疤烊粴夥€(wěn)定運(yùn)行。因此，在天然氣運(yùn)營(yíng)管理過(guò)程中，應(yīng)設(shè)計(jì)儀表管理系統(tǒng)，并做好儀表集中管理工作，并設(shè)計(jì)天然氣儀表管理模塊，在管理系統(tǒng)支持下，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)處理，提升數(shù)據(jù)采集效率與精準(zhǔn)度，為天然氣能源管理工作開(kāi)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 天然氣儀表數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的與應(yīng)具備的功能

1.1 儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的

天然氣作為重要能源之一，近些年，以其低廉價(jià)格、便捷實(shí)用性得到廣泛關(guān)注，天然氣深入于大眾生活多個(gè)環(huán)節(jié)中，有利于優(yōu)化以往能源結(jié)構(gòu)。但是，在天然氣實(shí)際應(yīng)用中能夠發(fā)現(xiàn)，部分群眾在使用天然氣過(guò)程中存在漠視與浪費(fèi)問(wèn)題，如果消費(fèi)者始終以購(gòu)買(mǎi)者角色出現(xiàn)在能源應(yīng)用中，不利于實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)展這一目標(biāo)，更浪費(fèi)寶貴能源。為解決天然氣應(yīng)用存在的問(wèn)題，合理配置、優(yōu)化天然氣資源，在實(shí)際工作中，應(yīng)做好數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作[1]，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相互融合，進(jìn)而在最短時(shí)間內(nèi)做好天然氣數(shù)據(jù)采集與傳遞工作，將各類(lèi)數(shù)據(jù)整合在一起，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)重要作用，以此實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排這一目標(biāo)。

1.2 儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)具備的功能

對(duì)儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)加以分析，要想保障天然氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，更好地對(duì)天然氣進(jìn)行管理，應(yīng)確保天然氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有以下幾項(xiàng)功能。

（1）為實(shí)時(shí)的燃?xì)夤芾砉ぷ鳎谶@一模塊中，應(yīng)具備自測(cè)與預(yù)警等多項(xiàng)功能，并在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下，對(duì)儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在實(shí)時(shí)監(jiān)管模塊中，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常問(wèn)題，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊能夠及時(shí)發(fā)出經(jīng)警報(bào)，并在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)輔助下，實(shí)現(xiàn)更為智慧的處理方式，最終維護(hù)天然氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，提升數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的處理能力與有效性。

（2）為終端的互動(dòng)應(yīng)用，在這一結(jié)構(gòu)中，無(wú)論是天然氣企業(yè)，還是應(yīng)用燃?xì)獾膫€(gè)人，都可以借助自主選擇方式，選擇天然氣能源的應(yīng)用時(shí)間與方式，進(jìn)而降低高峰時(shí)期天然氣負(fù)荷，不斷提升天然氣應(yīng)用效率，以此為主提升客戶(hù)體驗(yàn)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換天然氣服務(wù)模式，推動(dòng)天然氣行業(yè)穩(wěn)步發(fā)展，互動(dòng)終端系統(tǒng)，在天然氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的得到合理應(yīng)用，并取得較為顯著成績(jī)，有利于提升天然氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)管理能力。在諸多先進(jìn)技術(shù)支持下，天然氣管理系統(tǒng)得到完善，并在傳感與計(jì)量設(shè)備支持下，借助儀表數(shù)據(jù)管理方式，不斷優(yōu)化、調(diào)節(jié)能源應(yīng)用模式，進(jìn)而制定更為適合的天然氣應(yīng)用能力，提升天然氣安全管理與有效運(yùn)行能力，并以此為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)管，確保天然氣應(yīng)用按去哪性，降低天然氣企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，維護(hù)天然氣企業(yè)穩(wěn)定運(yùn)行。

2 天然氣儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)涉及的相關(guān)技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加以分析，此項(xiàng)技術(shù)需要借助傳感器、單元處理器以及通信等幾大模塊，以這些模塊為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，并借助自主組織方式，構(gòu)建分布式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并在這一過(guò)程中獲取各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，做好網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的控制與管理工作。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)加以分析，這些節(jié)點(diǎn)在協(xié)議輔助下構(gòu)成，在不斷優(yōu)化過(guò)程中聯(lián)合無(wú)線電波方式，將獲得的數(shù)據(jù)傳遞至信息處理中心。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)終端設(shè)備進(jìn)行深入探究，明確物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備終端模塊，例如，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)終端中，終端由不同硬件構(gòu)成[2]，這些硬件設(shè)備中涵蓋數(shù)據(jù)讀取、加工與發(fā)送等不同功能，在諸多硬件設(shè)備與模塊支持下，天然氣儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行功耗不斷下降，有利于降低天然氣企業(yè)運(yùn)行成本，且具有便攜式安裝特點(diǎn)。在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備終端中，借助傳感設(shè)備，對(duì)這些數(shù)據(jù)加以處理，并在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)輔助下，做好數(shù)據(jù)的收集與處理工作。與此同時(shí)，在物聯(lián)網(wǎng)天然氣儀表數(shù)據(jù)采集工作中，可以借助傳感設(shè)備，在嵌入式技術(shù)幫助下，最大限度發(fā)揮傳感設(shè)備作用，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)傳播方式，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)輔助下，對(duì)儀表采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行智能化管理。其次，在天然氣企業(yè)儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，為保障物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到合理應(yīng)用，還應(yīng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，明確物聯(lián)網(wǎng)的不同層次，進(jìn)而發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要功能，滿足天然氣企業(yè)服務(wù)需求。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行深入研究，物聯(lián)網(wǎng)包含局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等多項(xiàng)結(jié)構(gòu)，并以此為支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)這一層次與功能，物聯(lián)網(wǎng)需要連接不同介質(zhì)，完善數(shù)據(jù)采集功能，將更多應(yīng)用層功能加以展現(xiàn)。

2.2 加密與校驗(yàn)技術(shù)

在儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，要想實(shí)現(xiàn)儀表采集系統(tǒng)各項(xiàng)功能，引入AES 計(jì)算方式。對(duì)AES[3]加密方式進(jìn)行分析，在此種加密方式中，需要十輪迭代計(jì)算，在迭代計(jì)算過(guò)程中所產(chǎn)生的分組成為128 位。進(jìn)而在加密過(guò)程中，完成上述九輪迭代的數(shù)據(jù)計(jì)算、位移與加密等步驟，最終得到精準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果。此外，在天然氣企業(yè)儀表數(shù)據(jù)采集工作中，部分天然氣企業(yè)電子設(shè)備所處環(huán)境相對(duì)于惡劣，部分天然氣企業(yè)溫度、濕度較為極端，極易影響電子設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，為保障天然氣儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運(yùn)行能力，應(yīng)引入CRC 循環(huán)校驗(yàn)方式，做好冗余校驗(yàn)工作，進(jìn)而完善儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有效性得到全面提升。

3 儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

3.1 儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)企業(yè)需求

在天然氣企業(yè)儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建智能化儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，優(yōu)化以往抄表工作存在的問(wèn)題。因此，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度與可靠性進(jìn)行分析，并在數(shù)據(jù)傳輸與處理過(guò)程中，對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而做好故障警報(bào)工作，并通知相關(guān)部門(mén)做好故障排查工作。在天然氣企業(yè)儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，還應(yīng)引入多級(jí)顧慮機(jī)制，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中錯(cuò)誤的傳輸數(shù)據(jù)加以去除，對(duì)正確的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)記，并在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中采用人工方式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行核實(shí)。與此同時(shí)，在系統(tǒng)構(gòu)建過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合天然氣企業(yè)數(shù)據(jù)采集需求，遵循安全性、穩(wěn)定運(yùn)行為系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，維護(hù)儀表數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集運(yùn)行安全性，避免儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)出現(xiàn)故障所帶來(lái)的不良影響與安全事故。與此同時(shí)，在儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總框架設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)結(jié)合可復(fù)用性，確保系統(tǒng)功能得到復(fù)用，最終維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行能力。

3.2 儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)

在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合天然氣儀表采集與管理工作進(jìn)行分析，并以此為數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要結(jié)構(gòu)，做好儀表數(shù)據(jù)檢測(cè)工作，并在檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)各類(lèi)設(shè)備與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，進(jìn)而在儀表數(shù)據(jù)庫(kù)中，提取更多有效信息，如天然氣企業(yè)儀表數(shù)據(jù)的坐標(biāo)地址與連接點(diǎn)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，進(jìn)而通過(guò)特殊指令，讀取儀表溫度與壓力。在得到這些數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)庫(kù)連接物聯(lián)網(wǎng)，對(duì)這些設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行分析，并檢測(cè)儀表使用對(duì)象，借助編碼方式，將各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，并做好數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作。最后，在數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中，還應(yīng)結(jié)合儀表數(shù)據(jù)采集對(duì)象，對(duì)各類(lèi)信息進(jìn)行分析與處理，進(jìn)而對(duì)錯(cuò)誤日志進(jìn)行標(biāo)記，在不同維度做好數(shù)據(jù)分析工作。與此同時(shí)，在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注數(shù)據(jù)字典，結(jié)合數(shù)據(jù)字典所提供各類(lèi)內(nèi)容，做好儀表檢測(cè)工作，進(jìn)而在數(shù)據(jù)采集工作完成后，獲得天然氣企業(yè)儀表原始數(shù)據(jù)，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，呈現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)結(jié)果。

4 天然氣企業(yè)儀表數(shù)據(jù)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 實(shí)現(xiàn)任務(wù)生成

在儀表數(shù)據(jù)采集工作中，要想完成此項(xiàng)工作內(nèi)容，需要借助數(shù)據(jù)生產(chǎn)模塊，以此為基礎(chǔ)任務(wù)，做好數(shù)據(jù)的采集工作，分析數(shù)據(jù)采集頻率。首先，在本模塊設(shè)計(jì)工作中，需要結(jié)合系統(tǒng)框架，對(duì)每一次的數(shù)據(jù)采集頻率進(jìn)行分析，并在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中借助觸發(fā)器，制定數(shù)據(jù)采集工作。這也意味著，在儀表生成模塊設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)引入任務(wù)觸發(fā)器，并做好任務(wù)觸發(fā)器自定義工作。Cron[4]作為計(jì)算機(jī)內(nèi)嵌系統(tǒng)，其合理應(yīng)用，有利于構(gòu)建、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在實(shí)際應(yīng)用中，Cron 多用于固定日期與時(shí)間。只有在日期與時(shí)間固定完成后，才能做好數(shù)據(jù)采集工作。其次，在儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，要想實(shí)現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)采集功能，還應(yīng)結(jié)合任務(wù)調(diào)度方式，以任務(wù)調(diào)度為基礎(chǔ)，對(duì)任務(wù)調(diào)度進(jìn)行抽象化處理，進(jìn)而觸發(fā)一對(duì)一數(shù)據(jù)采集關(guān)系，并完成數(shù)據(jù)采集與傳遞等多項(xiàng)工作。與此同時(shí)，在儀表數(shù)據(jù)調(diào)度線程啟動(dòng)工作中，應(yīng)關(guān)注觸發(fā)任務(wù)是否完成，在任務(wù)完成后，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下對(duì)儀表線程進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，完成天然氣儀表數(shù)據(jù)采集工作，確保任務(wù)生產(chǎn)模塊各項(xiàng)數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞，最大限度提高儀表數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用效率。

4.2 實(shí)現(xiàn)任務(wù)執(zhí)行

在天然氣儀表數(shù)據(jù)采集工作中，應(yīng)確保開(kāi)發(fā)環(huán)境與運(yùn)行環(huán)境穩(wěn)定性，只有這樣，才能推動(dòng)任務(wù)開(kāi)展，保障任務(wù)執(zhí)行有效性，開(kāi)發(fā)環(huán)境與穩(wěn)定運(yùn)行具體要求如下所示：

4.2.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境

a.客戶(hù)端

（1）瀏覽器：IE10（64 位）；

（2）操作系統(tǒng)：Windows7 64 位；

（3）分辨率：1920*1080；

（4）開(kāi)發(fā)語(yǔ)言：Java，JavaScript/css/html；

（5）Java 環(huán)境：JDK1.7.0_45；

（6）接口：Restful、808、modbus；

（7）開(kāi)發(fā)工具：IBM Rational Team Concert、eclipse。

b.服務(wù)端

（1）操作系統(tǒng)：Windows server2012，64 位；

（2）Java 環(huán)境：JDK1.7.0_45；

（3）服務(wù)器：Apache Tomcat7.0.57；

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)：Mysql5.5.15（64 位）。

4.2.2 運(yùn)行環(huán)境

a.客戶(hù)端

（1）瀏覽器：IE10（64 位）；

（2）操作系統(tǒng)：Windows7 64 位；

（3）分辨率：1920*1080。

b.服務(wù)端

（1）操作系統(tǒng)：Windows Server2012，64 位；

（2）Java 環(huán)境：JDK1.7.0_45；

（3）服務(wù)器：Apache Tomcat7.0.57；

c.數(shù)據(jù)庫(kù)：Mysql5.5.15 （64 位）。

此外，在執(zhí)行過(guò)程中，還應(yīng)以維護(hù)儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安全性為主，

管理分析平臺(tái)建設(shè)，應(yīng)接入視頻傳感器設(shè)備，保證信息傳輸過(guò)程中的信息安全問(wèn)題，同時(shí)保證運(yùn)行過(guò)程中有專(zhuān)門(mén)維護(hù)團(tuán)隊(duì)對(duì)該系統(tǒng)功能性和安全性提供保障，信息安全解決方案是以滿足安全策略為最終目標(biāo)。該平臺(tái)運(yùn)用的信息安全與運(yùn)維相關(guān)方案主要有防火墻安全設(shè)備保障、服務(wù)器采用虛擬機(jī)WinServer 操作系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)采用防DDOS 攻擊的等技術(shù)手段，進(jìn)行三層安全防御措施[5]，保障儀表數(shù)據(jù)執(zhí)行工作有序開(kāi)展。此外，還應(yīng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，做好數(shù)據(jù)的傳輸與監(jiān)控工作，保障數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)穩(wěn)定性，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中應(yīng)注意的是，將輸出電壓為220V 的防爆電源接入本數(shù)據(jù)傳輸接口的電源接口[6]。剝開(kāi)電纜外皮，壓線在信號(hào)輸入接線柱上，壓牢，不得有松動(dòng)現(xiàn)象。專(zhuān)業(yè)安裝人員到現(xiàn)場(chǎng)后，與現(xiàn)場(chǎng)工作人員溝通施工時(shí)間和施工注意事項(xiàng)。適當(dāng)時(shí)間需要停電處理，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)效率與精準(zhǔn)度。

5 結(jié)束語(yǔ)

在數(shù)據(jù)采集工作中，需要借助后臺(tái)程序，獲取各類(lèi)數(shù)據(jù)，并天然氣儀表數(shù)據(jù)頻率，在特定時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)相應(yīng)指令，并傳遞至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，在數(shù)據(jù)傳遞完成后，各類(lèi)數(shù)據(jù)再次得到校驗(yàn)與解密，并在校驗(yàn)與解密工作完成后，優(yōu)化天然氣儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并結(jié)合用戶(hù)的應(yīng)用需求，在物理網(wǎng)平臺(tái)中，構(gòu)建自主服務(wù)端，為用戶(hù)展示具體的天然氣使用情況。在天然氣儀表數(shù)據(jù)采集中心中，為提升采集效率與精準(zhǔn)度，可以連接各數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至儀表設(shè)備，將各類(lèi)數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)中，做好數(shù)據(jù)管理與維護(hù)工作，提升天然氣企業(yè)服務(wù)能力，確保天然氣資源合理分配，實(shí)現(xiàn)資源合理分配這一目標(biāo)。