鉆井工況數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)

劉勝娃，曹湘華，代 勇

（1.中國石油川慶鉆探公司長慶鉆井總公司，陜西 西安 710018；2.西北工業(yè)大學(xué) 計算機學(xué)院，陜西 西安 710129）

0 引 言

目前，鉆井施工的管理效率、決策準確性和響應(yīng)速度一直受傳統(tǒng)方式的制約，鉆井施工管理、決策的信息化[1]乃大勢所趨。如何實現(xiàn)遠端監(jiān)測鉆井各項參數(shù)，還原鉆井現(xiàn)場，使前沿信息技術(shù)與鉆井施工管理以及決策完美結(jié)合，真正促進鉆井效率的提升是當(dāng)前需要解決的問題。

川慶鉆探長慶鉆井總公司需通過衛(wèi)星查看全公司上百支鉆井隊的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，若直接進行視頻流傳輸需占用較大帶寬，因此，為進一步提高鉆井效率，需要建設(shè)鉆井工況數(shù)據(jù)實時采集系統(tǒng)，建立鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集、傳輸、數(shù)據(jù)展示等架構(gòu)，形成完整的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系[2]。通過對鉆井現(xiàn)場的視頻流進行圖像識別，轉(zhuǎn)化為易于傳輸?shù)?、對?yīng)的指針數(shù)據(jù)以及其他信息，在總公司使用特制的顯示端接口即可訪問還原后的鉆井現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)概述

鉆井參數(shù)采集系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，支持桌面端和移動端，主要具有如下幾方面特點：

（1）在桌面端完美還原儀表盤，實現(xiàn)鉆壓表盤仿真，支持實時讀數(shù)、查詢歷史數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)報警等功能。

（2）關(guān)鍵模塊儀表識別算法采用Yolact殘差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[3]，能夠高速準確地讀出儀表指針，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練，準確率高達95%，可以在視頻流中動態(tài)識別表盤指針。

（3）系統(tǒng)前后端采用WebSocket傳輸方式[4]，通過建立雙向鏈接傳輸數(shù)據(jù)，摒棄傳統(tǒng)不斷輪詢訪問獲取數(shù)據(jù)的方式。

（4）由于指針識別模塊消耗資源較大，故僅在用戶訪問時開啟指針識別，及時返回指針數(shù)據(jù)。

（5）前端技術(shù)主要為HTML5的Canvas繪圖技術(shù)[5]，設(shè)備支持率高，可繪制多種不同的圖案，包含模擬仿真的鉆壓表盤。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

（1）先進性原則

系統(tǒng)開發(fā)建設(shè)時，在滿足所需功能的前提下，結(jié)合當(dāng)前流行的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、圖像識別技術(shù)，在相當(dāng)長的時間內(nèi)保證系統(tǒng)具備先進性。

（2）易用性原則

系統(tǒng)采用通用的B/S操作界面，操作界面友好、操作簡單易上手。此外，該系統(tǒng)還允許不同設(shè)備訪問，易用性好。

（3）實用性原則

系統(tǒng)提供清晰、簡潔、友好的中文人機交互界面，操作簡便、靈活、易學(xué)易用，便于管理和維護，切合實際工作需求。系統(tǒng)能夠24 h連續(xù)不間斷工作，在無用戶訪問的情況下，自動停止耗費資源。

（4）易擴展性原則

系統(tǒng)可為各種增值業(yè)務(wù)提供接口。由于計算機領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展迅速，面對不斷變化的用戶需求以及數(shù)據(jù)要求，在開發(fā)系統(tǒng)時，充分考慮了系統(tǒng)的可擴展性，適應(yīng)調(diào)整、擴充和刪減需求，滿足日后發(fā)展的需要。

（5）安全性和完整性原則

采用最成熟和應(yīng)用最廣泛的技術(shù)平臺，分不同的角色控制信息數(shù)據(jù)，采用橫向和縱向結(jié)合的矩陣權(quán)限控制模式保證數(shù)據(jù)安全。系統(tǒng)支持對關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵數(shù)據(jù)、關(guān)鍵程序模塊采取備份、冗余措施，有較強的容錯和系統(tǒng)恢復(fù)能力，可確保系統(tǒng)長期正常運行。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用三層架構(gòu)，如圖1所示。第一層為數(shù)據(jù)采集模塊，第二層為數(shù)據(jù)處理存儲模塊，第三層為數(shù)據(jù)顯示模塊。通過Canvas繪制出WebSocket實時傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以滿足不同的使用場景。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊采用?？低晹z像頭提供的API進行處理，其中RTSP協(xié)議（實時流傳輸協(xié)議）[6]可直接將獲取的視頻流傳輸?shù)骄畧龇?wù)器。為保護外置設(shè)備的耐久性，監(jiān)控儀表的攝像頭存儲在定做的防爆盒內(nèi)，采用RJ 45接口的網(wǎng)線或高倍率進口鋰電池組供電。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊對攝像頭采集的視頻流進行處理，在實現(xiàn)過程中，先后使用了OpenCV及深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。實驗效果證明，對單指針的處理使用OpenCV效果尚可，雙指針儀表的處理采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)YOLACT模型處理效果較好。同時井場服務(wù)器使用Django框架建立起Web后端[7]，與Python對接良好，可在進行視頻流處理的同時提供總公司訪問的接口。處理模塊還包含對數(shù)據(jù)的存儲，由于井場每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量極大，因此必須提供合理的數(shù)據(jù)存儲方式。

2.2.3 數(shù)據(jù)顯示模塊

為達到仿真效果，采用HTML5的新特性—Canvas元素，通過JavaScript繪制表盤。對長慶公司提供的大鉤懸重指示儀進行在線還原，繪制出顯示模塊。2個指針指示數(shù)據(jù)，最外層表盤根據(jù)實際情況轉(zhuǎn)動，表盤均為動態(tài)渲染。前端顯示的數(shù)據(jù)通過與后端建立WebSocket進行實時傳輸。后端采用Django 3.0框架開發(fā)，與Python對接良好。Django 3.0以上唯一支持的WebSocket組件為Channels，提供與前端的WebSocket服務(wù)。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 儀表圖像識別應(yīng)用實現(xiàn)

Yolact神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對雙指針識別率較為精準[8]，其識別結(jié)果如圖2所示。圖2中將識別結(jié)果的角度在后端重新進行了刻畫，但對讀數(shù)誤差基本無影響。

圖2 圖像采集效果

3.2 集成系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

系統(tǒng)運行流程如圖3所示。項目前端包含2部分，即表盤展示模塊與RTSP地址上傳。

圖3 系統(tǒng)運行流程

用戶打開前端頁面，系統(tǒng)渲染出默認狀態(tài)的表盤展示給用戶，同時提供RTSP地址上傳輸入欄，用戶想要獲得表盤的實時轉(zhuǎn)動狀態(tài)，需要輸入相應(yīng)的RTSP地址，點擊上傳后，與后臺建立起WebSocket連接。后臺獲取RTSP地址后，經(jīng)過相應(yīng)的處理，將實時指針數(shù)據(jù)以及外表盤數(shù)據(jù)通過WebSocket傳回前端，前端獲取相應(yīng)的指針角度數(shù)據(jù)以及外表盤數(shù)據(jù)之后即可實時渲染出對應(yīng)的表盤[9]。

前端表盤是用戶進行數(shù)據(jù)讀取的直接介質(zhì)，因此必須能夠?qū)蠖藗鱽淼臄?shù)據(jù)進行準確還原。Canvas提供了多個不同的API接口，用于實現(xiàn)直線、圓形的繪制。這是靜態(tài)顯示的繪制，對于動態(tài)顯示的繪制只需間隔足夠短的時間進行不間斷繪制，即可實現(xiàn)動畫效果。指針的動態(tài)顯示需通過后臺不斷傳輸?shù)闹羔様?shù)據(jù)進行繪制。為提高顯示效果以及性能，將內(nèi)兩層以及圓心等進行靜態(tài)初始繪制，而對指針以及外兩層及其刻度進行動態(tài)繪制。表盤上的圓環(huán)只需調(diào)用Canvas提供的context.arc（）函數(shù)即可繪制，而表盤上的刻度則需要進行相應(yīng)的計算，通過每個刻度的角度得到其傾斜角，然后由刻度長度進行對應(yīng)的三角函數(shù)計算。表盤實現(xiàn)效果如圖4所示。

圖4 表盤實現(xiàn)效果

表盤最外兩層可以實時旋轉(zhuǎn)，還原了現(xiàn)實中鉆壓表盤的轉(zhuǎn)動，達到了精確測量的目的。項目后端采用Django實現(xiàn)，系統(tǒng)在接收到前端發(fā)送的WebSocket數(shù)據(jù)時會自動觸發(fā)channels組件的websocket_receive（）函數(shù)，加載訓(xùn)練模型，識別提交的RTSP視頻流，經(jīng)截取視頻流識別，將識別數(shù)據(jù)經(jīng)過一定間隔傳給前端處理，從而實現(xiàn)核心功能。

4 結(jié) 語

采集系統(tǒng)作為鉆井大數(shù)據(jù)體系的重要組成部分，可以替代人工實現(xiàn)井場鉆井?dāng)?shù)據(jù)的實時高頻采集，記錄不同時間段的鉆壓、懸重等重要數(shù)據(jù)，以時間為軸結(jié)合當(dāng)時鉆井液、井深、地層等數(shù)據(jù)，構(gòu)建鉆井全生命周期內(nèi)的完整數(shù)據(jù)體系，為以后的鉆井方案制定提供豐富詳實的數(shù)據(jù)。本項目采用最新的機器學(xué)習(xí)方法[10]，為機器學(xué)習(xí)等高新技術(shù)在科學(xué)鉆井中的應(yīng)用進行了深入有效的嘗試，并拓展了途徑，日后勢必會有越來越多的智能方法被應(yīng)用到科學(xué)鉆井中。