華北油田信息化智能監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用

李新峰 史志鵬 許冬 王磊

隨著油田自動化、數(shù)字化的快速發(fā)展，對于油田建設(shè)相配套的網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)要求越來越高，特別是山間、野外現(xiàn)場集中的油水井數(shù)據(jù)采集，存在著通訊信號不穩(wěn)定等問題，對此，不僅要考慮傳輸速率，還要考慮到穩(wěn)定性、成本和時延等問題。ZigBee技術(shù)是一種新的無線通信技術(shù)，使用CSMA-CA技術(shù)解決數(shù)據(jù)沖突問題，使用16-bit CRC來確保數(shù)據(jù)的正確性從而達到高效可靠；其中Zig Bee2007協(xié)議的SoC芯片CC2530每片價格不到20元，采用1節(jié)5號電池可以持續(xù)供電三個月時間，低成本、低功耗；同時具有組網(wǎng)靈活的優(yōu)勢，可以嵌入各個設(shè)備，具有自我修復(fù)能力；采用了AES-128加密技術(shù)，對傳輸數(shù)據(jù)進行加密，保障了安全性且具有高可靠性、低成本、低功耗、短時延、組網(wǎng)靈活等優(yōu)勢，主要適用于遠程控制領(lǐng)域，可嵌入各種設(shè)備。

一、華北油田信息化現(xiàn)狀

華北油田某些地區(qū)地勢較高，山多人少，存在著信號不穩(wěn)定的問題，以某采油廠為例，共有2000多口井，現(xiàn)階段主要由兩種主要通訊方式，ZigBee終端+McWill 和ZigBee終端+GPRS傳輸組合，兩種通訊方式不僅應(yīng)用在單井還應(yīng)用于井組。單井自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向為傳感器采集單井數(shù)據(jù)后，ZigBee終端傳感器直接通過油田專網(wǎng)Mcwill或GPRS（移動公司開設(shè)的無線專網(wǎng)）將數(shù)據(jù)傳送到遠端服務(wù)器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸、存儲和實時監(jiān)控。使用該通訊方式下，對于一個井組（10口井），需要使用10套Zig Bee終端傳感器（一體化示功儀）和10套GPRS模塊和手機卡。具體傳輸流程如圖1：

二、華北油田ZigBee路由協(xié)議現(xiàn)狀

華北油田Zig Bee采用的是Cluster-Tree算法，利用特殊的網(wǎng)絡(luò)地址的分配來尋找路徑，數(shù)據(jù)傳輸?shù)矫恳粋€新加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，數(shù)據(jù)包傳送到某一個節(jié)點，假如不是目標地址的話，會到父節(jié)點或者子節(jié)點尋找目標地址，直到找到目標地址，具體的算法流程圖2如下：

根據(jù)流程圖可以看出，該算法路由節(jié)點沒有路由發(fā)現(xiàn)過程，即當節(jié)點收到數(shù)據(jù)包分組時，如果數(shù)據(jù)包的目的地址不是本身，就會把數(shù)據(jù)包發(fā)送給子節(jié)點或者父節(jié)點處理，當由父節(jié)點或子節(jié)點來轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包時，因為所經(jīng)過的路徑都比較遠，所以數(shù)據(jù)包無法確定是否經(jīng)過最短路徑來傳送，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包經(jīng)過多跳的數(shù)據(jù)傳輸，從而提高了效率。

綜上所述，存在以下問題：

首先，GPRS信號不穩(wěn)定，因為上述Zig Bee終端傳感器（一體示功儀）必須安裝在光桿上端，位置固定不變，如果該處恰逢無信號，會導(dǎo)致無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)連續(xù)性差，不能有效傳輸。

其次，針對井組的井場，多套Zig Bee終端傳感器（一體示功儀），多套GPRS模塊和手機卡相比較成本較高。

最后，成功傳輸?shù)竭h程服務(wù)器的數(shù)據(jù)包，有一定幾率的失效性，每兩個小時采集一張功圖，會存在三天或四天丟失一張功圖；有一定幾率的時延性，發(fā)送采集命令，在一定時間后，才會上來功圖。

三、ZigBee組網(wǎng)與GPRS模塊的創(chuàng)新通信技術(shù)

針對于井組，可以在每口井上安裝Zig Bee傳感器終端，每個終端進行傳感器地址的設(shè)置，通過無線傳輸?shù)絑ig Bee協(xié)調(diào)器上，由協(xié)調(diào)器上通過GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳送到遠端服務(wù)器上，相應(yīng)算產(chǎn)軟件上，10口井綁定一個手機卡，通過傳感器中RTU地址進行區(qū)分處理，分類存儲和功圖算產(chǎn)。井組現(xiàn)場中，假如井口位置GPRS模塊信號不穩(wěn)定時，可以將協(xié)調(diào)器擺放到信號相對穩(wěn)定的地方進行GPRS的數(shù)據(jù)傳輸。這種組合通信方式，需要10套Zig Bee傳感器、1個Zig Bee協(xié)調(diào)器和1套GPRS模塊，相較之前的通訊方式，節(jié)約了成本。

四、結(jié)合Cluster-Tree和AODVjr算法結(jié)合優(yōu)化

AODVjr路由算法的主要特點在于能根據(jù)源節(jié)點到目的節(jié)點最短路徑來選擇路由，從而減少了重復(fù)廣播次數(shù)，其缺點就是多次廣播分組而消耗過多的能量；ClusterTree存在的主要缺點是數(shù)據(jù)包到的節(jié)點如果不是目的節(jié)點，會通過該節(jié)點的子節(jié)點或者父節(jié)點進行傳遞數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致路徑變遠，但是沒有經(jīng)過廣播分組，所以消耗的能量相對于AODVjr要少。

結(jié)合Cluster-Tree和AODVjr算法，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點分成兩種類型：

第一種節(jié)點剩余能量充足，且有足夠儲存空間去完成AODVjr算法。

第二種節(jié)點能量不充足，且沒有足夠的儲存空間，無法完成AODVjr算法。

節(jié)點能量不足，無法完成AODVjr算法，所以直接進行Cluster-Tree算法，具體上述流程圖介紹過。這里主要介紹第一種節(jié)點。

當沒有到目的節(jié)點的路由，則按照AODVjr路由算法尋找通往目的節(jié)點的最優(yōu)路徑，而找到目的節(jié)點后直接將數(shù)據(jù)包沿著該最短路線直接發(fā)送，無需再將數(shù)據(jù)傳送至子節(jié)點或者父節(jié)點。

作者單位：華北石油通信有限公司