鉆井及船舶作業(yè)管控系統(tǒng)研究

何 芳，吳文成，胥曉晴，山鎮(zhèn)銘

（1.紅有軟件股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國海洋石油服務(wù)股份有限公司船舶事業(yè)部，河北 廊坊 065201）

隨著信息技術(shù)的不斷普及，中海油服鉆井平臺(tái)及船舶作業(yè)管理向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。必須建立一個(gè)與之相適應(yīng)的“鉆井平臺(tái)及船舶作業(yè)管控系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)海上油田作業(yè)管理的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化。鉆井平臺(tái)及船舶作業(yè)管控系統(tǒng)以中海油服2艘新建的LNG船、1個(gè)鉆井平臺(tái)為示范場景，借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境，實(shí)時(shí)采集鉆井平臺(tái)作業(yè)動(dòng)態(tài)信息、船舶作業(yè)動(dòng)態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對鉆井作業(yè)與船舶作業(yè)的遠(yuǎn)程可視化科學(xué)管控，滿足鉆井和船舶日常生產(chǎn)組織、計(jì)劃、監(jiān)控及生產(chǎn)保障管理需要。更高效率、更加精準(zhǔn)地優(yōu)化現(xiàn)有生產(chǎn)和服務(wù)資源。

本系統(tǒng)基于云計(jì)算、微服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，遵循中國海油集團(tuán)公司信息化建設(shè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，遵循集團(tuán)公司及中海油服鉆井作業(yè)管理、船舶作業(yè)管理體系文件各項(xiàng)要求，在海油云環(huán)境上集成部署。系統(tǒng)打破以往管理部門各自為政、業(yè)務(wù)部門缺乏協(xié)同、生產(chǎn)信息不能共享的局面，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、高度共享，實(shí)現(xiàn)船端數(shù)據(jù)與岸基系統(tǒng)的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、作業(yè)動(dòng)態(tài)、經(jīng)營數(shù)據(jù)多專業(yè)多角度集成分析決策，有效提升了中海油服鉆井、船舶作業(yè)管理的智能化水平。

1 解決方案研究

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用云計(jì)算、微服務(wù)總體技術(shù)架構(gòu)?？傮w技術(shù)架構(gòu)采用云計(jì)算架構(gòu)，改變以往煙囪化、孤島化、功能高度耦合的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分層解耦[1]。其中基礎(chǔ)設(shè)施分為船端和岸基2部分，船端獨(dú)立部署，岸基依托海油云集中管理，傳輸網(wǎng)借助海油海陸天地一體化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境；數(shù)據(jù)資源層集中匯聚中海油服生產(chǎn)、管理、經(jīng)營數(shù)據(jù)，從自動(dòng)化采集、傳輸，到數(shù)據(jù)處理、治理、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對中海油服數(shù)據(jù)資源的集中管理和綜合應(yīng)用；應(yīng)用服務(wù)層采用微服務(wù)架構(gòu)，由業(yè)務(wù)中臺(tái)、數(shù)據(jù)中臺(tái)、技術(shù)中臺(tái)、應(yīng)用中臺(tái)、安全中臺(tái)等各類微服務(wù)網(wǎng)關(guān)聯(lián)結(jié)的綜合服務(wù)平臺(tái)構(gòu)成；門戶層以油服公司、事業(yè)部及船舶用戶等不同用戶角色，以及PC端、移動(dòng)端等不同終端場景定義統(tǒng)一的工作平臺(tái)入口與服務(wù)入口。保障體系包括相對較成熟的運(yùn)維管理、安全管理、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、保障制度4方面內(nèi)容。

應(yīng)用服務(wù)層采用微服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，其中作業(yè)管控應(yīng)用服務(wù)按照鉆井、船舶作業(yè)管控業(yè)務(wù)功能進(jìn)行細(xì)粒度的微服務(wù)化（組件化）設(shè)計(jì)，依據(jù)平臺(tái)的業(yè)務(wù)服務(wù)需求和微服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，對服務(wù)進(jìn)行細(xì)粒度拆分[1]，改變以往煙囪化、孤島化、功能高度耦合的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，體現(xiàn)中海油服公司及作業(yè)管控應(yīng)用服務(wù)層的高內(nèi)聚、低耦合、高伸縮性、高擴(kuò)展性、靈活配置、快速部署等特點(diǎn)[2]。

數(shù)據(jù)層包含組織和數(shù)據(jù)管理資源的邏輯與物理數(shù)據(jù)資產(chǎn)，顯示了如何管理和共享鉆井、船舶信息資源，用以決策支持，最大限度地發(fā)揮數(shù)據(jù)的價(jià)值。數(shù)據(jù)組織分為數(shù)據(jù)采集管理平面（OLTP）與大數(shù)據(jù)分析平面（OLAP），數(shù)據(jù)層為業(yè)務(wù)分析應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)源，構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)同，為處理和輔助決策提供高效支撐。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

1．2．1 系統(tǒng)功能

鉆井平臺(tái)及船舶作業(yè)管控系統(tǒng)功能包括鉆井平臺(tái)作業(yè)管控、船舶作業(yè)管控、岸基支持、統(tǒng)計(jì)分析、運(yùn)行監(jiān)控5個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)作業(yè)動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)控、異常報(bào)警、統(tǒng)計(jì)分析、船岸交互等功能，滿足鉆井和船舶日常生產(chǎn)組織、計(jì)劃、監(jiān)控及生產(chǎn)保障的管理需要。系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)示意圖

1．2．2 數(shù)據(jù)流程說明

數(shù)據(jù)獲取采用3種方式，分別是人工錄入、傳感端數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、系統(tǒng)數(shù)據(jù)對接。對數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確性驗(yàn)證和數(shù)據(jù)傳輸，保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和安全性，用過PaaS平臺(tái)接口，進(jìn)行物理保存。根據(jù)不同的權(quán)限，對數(shù)據(jù)進(jìn)行審核，審核通過后將狀態(tài)修改保存到數(shù)據(jù)庫。通過鉆井與船舶作業(yè)管控系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)和可視化展示。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

2 系統(tǒng)功能開發(fā)

2.1 船舶作業(yè)管控

2．1．1 船舶作業(yè)與動(dòng)態(tài)信息

集成所有相關(guān)船舶作業(yè)動(dòng)態(tài)信息，并通過電視墻的綜合顯示，實(shí)現(xiàn)對船舶日常生產(chǎn)組織、監(jiān)控及應(yīng)急保障的管理。

在海圖上點(diǎn)擊單船，可實(shí)時(shí)顯示包括AIS船舶動(dòng)態(tài)信息資料、GPS信息、主機(jī)等動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行狀況等信息，以及顯示船舶的作業(yè)動(dòng)態(tài)，包括航行、巡航待命、靠泊碼頭、靠泊海上設(shè)施、航修、廠修、停航、停泊、錨泊等狀態(tài)[3]。

對于不同船舶動(dòng)態(tài)，系統(tǒng)能夠智能查詢與其相對應(yīng)的信息。主要包括：對在航運(yùn)營船舶查詢作業(yè)任務(wù)、作業(yè)海域、即時(shí)作業(yè)狀態(tài)、航行或錨泊動(dòng)態(tài)、船員信息、油水及散料信息以及航次計(jì)劃等；船舶避風(fēng)或目的地的變更、ETA延誤2 h及超過其正常作業(yè)區(qū)域5 n mile以上時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警；“航修和廠修”中可查詢船舶位置、修船方名稱、修船計(jì)劃、修理內(nèi)容、預(yù)計(jì)完成時(shí)間等；對“停航”中的船舶可查詢停航原因、預(yù)計(jì)起租或其他計(jì)劃安排[3]。

自動(dòng)抓取的船舶動(dòng)態(tài)及載貨信息（載貨信息來自艙室感應(yīng)探頭），包括航程、航時(shí)、航速、油水存量、甲板貨物量及散料貨物量，形成《船舶日報(bào)表》《船舶航次報(bào)表》，并通過郵件自動(dòng)發(fā)送給船舶調(diào)度室、作業(yè)者及相關(guān)方。

船舶日報(bào)在船舶調(diào)度室自動(dòng)匯總形成作業(yè)公司日報(bào)表、《HSE工作周報(bào)》并自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)給相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及管理人員或科室等。系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別和搜集船舶航次報(bào)表中的相關(guān)作業(yè)信息及類別等，如靠泊海上設(shè)施、拋起錨、拖航、提油支持、破冰、ROV支持、酸化壓裂、拖輪固井等作業(yè)活動(dòng)類型及作業(yè)量，并將數(shù)據(jù)信息與在船船員的作業(yè)服務(wù)履歷相關(guān)聯(lián)，形成船員作業(yè)履歷的記錄檔案。實(shí)現(xiàn)對船舶關(guān)鍵區(qū)域的監(jiān)控，并對視頻內(nèi)容進(jìn)行智能化人臉識(shí)別分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)人員違規(guī)操作并進(jìn)行報(bào)警。

2．1．2 大型（特殊）作業(yè)

自動(dòng)采集船舶作業(yè)類別信息，在海圖上可顯示正在進(jìn)行大型（或特殊）作業(yè)的船舶，集中顯示所有從事大型作業(yè)船舶的名單，用鮮明的顏色予以標(biāo)識(shí)。

系統(tǒng)具有語音識(shí)別功能，人員說出船名，系統(tǒng)可以自動(dòng)顯示該從事大型（或特殊）作業(yè)船舶作業(yè)的詳細(xì)信息，主要包括作業(yè)動(dòng)態(tài)、設(shè)備狀況、水文氣象、作業(yè)進(jìn)度、問題與需求和項(xiàng)目預(yù)計(jì)完成時(shí)間等。

自動(dòng)搜集航向、航速、拖航阻力、風(fēng)向、風(fēng)速、船舶搖擺、氣象預(yù)報(bào)，并自動(dòng)識(shí)別作業(yè)狀態(tài)等，自動(dòng)匯總形成《船舶大型作業(yè)情況統(tǒng)計(jì)表》、日報(bào)，自動(dòng)發(fā)送給相關(guān)部門及人員，并自動(dòng)及歸檔。

《特殊作業(yè)船舶定時(shí)動(dòng)態(tài)報(bào)告》包括船舶名稱、起拖時(shí)間、報(bào)告時(shí)間、船位、風(fēng)向、風(fēng)速、浪高、拖纜長度、拖力、剩余航程及預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間等。

2.2 鉆井作業(yè)管控

2．2．1 視頻智能分析

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對鉆井平臺(tái)關(guān)鍵區(qū)域、鉆井設(shè)備運(yùn)行狀況、泥漿罐區(qū)、鉆機(jī)、海底的視頻監(jiān)控等，并對視頻內(nèi)容進(jìn)行智能化識(shí)別分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患事件并進(jìn)行報(bào)警。

2．2．2 平臺(tái)操作安全監(jiān)測

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對鉆井平臺(tái)操作動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，包括壓載和卸載平衡管理、甲板負(fù)荷布置、液體艙室液位監(jiān)測及預(yù)測，關(guān)鍵閥門狀態(tài)及水密門狀態(tài)監(jiān)測，錨機(jī)張力和DP系統(tǒng)監(jiān)測，火氣系統(tǒng)和消防系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測，作業(yè)時(shí)水下設(shè)備及鉆井關(guān)鍵操作和關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測等。

2.3 岸基支持

岸基支持通常包括船舶急需，設(shè)備故障異常維修及額外作業(yè)需求的提交、審核、批準(zhǔn)等。

船舶客戶端需求支持包括配件、物料及航海圖書資料等的采辦，異常設(shè)備故障維修，體系內(nèi)審、外審不符合項(xiàng)的糾正，安全、防污染管理需求，人員異常調(diào)整，船舶運(yùn)營中需要與作業(yè)者進(jìn)行針對性溝通等。提交《相關(guān)需求表》，自動(dòng)識(shí)別相關(guān)需求的類別、涉及的職能部門和人員、智能推送[4]。

岸基各職能部門根據(jù)相關(guān)管理流程錄入、審核、批準(zhǔn)并由系統(tǒng)智能推送，跟蹤整改進(jìn)度及通報(bào)，完成后自動(dòng)生成封閉記錄。

2.4 運(yùn)行監(jiān)控

系統(tǒng)通過采集船上的GPS位置、計(jì)程儀的速度及電羅經(jīng)的航向等信息來監(jiān)控船舶的動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù)，以此判別船舶的作業(yè)動(dòng)態(tài)是否安全。

船舶動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)信息鏈接集成包括GPS、計(jì)程儀、電羅經(jīng)、風(fēng)向風(fēng)速儀、船舶3個(gè)維度搖擺數(shù)據(jù)等；進(jìn)入安全區(qū)的航速超過4 kn時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警及語音提示；至海上設(shè)施靠泊處不少于1.5～2.5倍船長（取決于風(fēng)流海況）為船舶試靠泊點(diǎn)。屆時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)語音提示，船舶接近到海上設(shè)施10 m時(shí)，航速應(yīng)降到0.5 kn以下，否則，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警及語音提示。

實(shí)現(xiàn)岸基對船舶動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)信息自動(dòng)演算，形成模擬數(shù)據(jù)并在顯示系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示船舶動(dòng)態(tài)。船舶動(dòng)態(tài)自動(dòng)監(jiān)控和警示包括實(shí)現(xiàn)對在海上設(shè)施500 m安全區(qū)內(nèi)靠泊作業(yè)的船舶動(dòng)態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)控，對違規(guī)船舶的船舶進(jìn)行自動(dòng)警示[4]，并提示岸基管理人員通過船上的視頻監(jiān)控進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)出人工提示。

2.5 統(tǒng)計(jì)分析

收集船舶作業(yè)數(shù)據(jù)，處理鉆井平臺(tái)作業(yè)與船舶作業(yè)過程中產(chǎn)生的各類資料及報(bào)表，支持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及自動(dòng)匯總、分項(xiàng)查詢、打印、導(dǎo)出等功能，為船舶作業(yè)遠(yuǎn)程可視化管控，實(shí)現(xiàn)作業(yè)動(dòng)態(tài)可視化監(jiān)控、趨勢預(yù)判、異常報(bào)警、統(tǒng)計(jì)分析等功能，滿足鉆井和船舶日常生產(chǎn)組織、計(jì)劃、監(jiān)控及生產(chǎn)保障的管理需要。更高效率、更加精準(zhǔn)地優(yōu)化現(xiàn)有生產(chǎn)和服務(wù)資源，科學(xué)地進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)管控，保證生產(chǎn)作業(yè)正常進(jìn)行，滿足精益安全生產(chǎn)的要求。

系統(tǒng)操作對象主要是船上的數(shù)據(jù)管理員，他們對作業(yè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，主要包括作業(yè)、物料、安全、設(shè)備。作業(yè)對象包括拖航作業(yè)、DP作業(yè)、巡航作業(yè)、提油、計(jì)劃和實(shí)際航行航次、大型作業(yè)；物料對象包括自耗、外供、現(xiàn)存、加載（油氣水）、水泥等；安全對象包括人、操作、設(shè)備、預(yù)案；設(shè)備對象包括主機(jī)運(yùn)行、船舶運(yùn)行。船上數(shù)據(jù)采集管理員、船長和輪機(jī)長、作業(yè)公司、事業(yè)部等用戶通過作業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行作業(yè)分析，提升作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。作業(yè)公司在岸端接收船上數(shù)據(jù)能有效監(jiān)控船上作業(yè)動(dòng)態(tài)，進(jìn)行趨勢預(yù)判。船舶事業(yè)部用戶通過作業(yè)公司統(tǒng)計(jì)分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理決策。

3 結(jié)語

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，云計(jì)算、微服務(wù)架構(gòu)成為當(dāng)前業(yè)界流行的軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)注重層間的松耦合與應(yīng)用封裝的高內(nèi)聚，通過對業(yè)務(wù)對象的抽象內(nèi)聚，組件化服務(wù)模塊，統(tǒng)一服務(wù)調(diào)用，突出拓展性、穩(wěn)定性、復(fù)用性及可配置性，降低了維護(hù)成本和開發(fā)成本，使得系統(tǒng)變得更輕量化，能夠滿足業(yè)務(wù)不斷的變化帶來的架構(gòu)挑戰(zhàn)。

鉆井平臺(tái)及船舶作業(yè)管控系統(tǒng)借助海油云船岸一體化智能平臺(tái)及智能船舶系統(tǒng)，自動(dòng)采集船舶作業(yè)過程中的各類信息，多種維度分析統(tǒng)計(jì)、趨勢預(yù)判。根據(jù)工作狀況及時(shí)進(jìn)行分析，變被動(dòng)管理為主動(dòng)管理，更高效率、更加精準(zhǔn)地優(yōu)化現(xiàn)有生產(chǎn)和服務(wù)資源，科學(xué)地進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)管控，保證生產(chǎn)作業(yè)正常進(jìn)行，滿足精益安全生產(chǎn)的要求。