新疆油田新型物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)研究與應(yīng)用

李兵元?李國榮?陳亞頤?韓夢(mèng)蝶

摘要：新疆油田在自主可控的基礎(chǔ)上研發(fā)了貼合油氣生產(chǎn)行業(yè)要求的新型物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)，采用B/S架構(gòu)，支持海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、生產(chǎn)監(jiān)控、智能化建模分析。相對(duì)于傳統(tǒng)單機(jī)版SCADA軟件，該平臺(tái)在大規(guī)模生產(chǎn)集中管控、分級(jí)監(jiān)控、功能可擴(kuò)展性等方面更具優(yōu)勢(shì)。通過總結(jié)新型平臺(tái)在實(shí)踐過程中開發(fā)的功能與特性，為同類企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供參考。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；生產(chǎn)監(jiān)控；國產(chǎn)化替代；物聯(lián)網(wǎng)

一、前言

中國石油堅(jiān)持“價(jià)值導(dǎo)向、戰(zhàn)略引領(lǐng)、創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、平臺(tái)支撐”總體原則，按照業(yè)務(wù)發(fā)展、管理變革、技術(shù)賦能三大主線實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系建設(shè)和云平臺(tái)為核心的應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)，打造“一個(gè)整體、兩個(gè)層次”數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略架構(gòu)[1]。在集團(tuán)整體框架指導(dǎo)下，新疆油田啟動(dòng)生產(chǎn)監(jiān)控云平臺(tái)的研發(fā)，采用物聯(lián)網(wǎng)先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了油氣井、工藝過程、信息系統(tǒng)以及人之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)[2]，通過對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的深度感知、實(shí)時(shí)傳輸交換、快速計(jì)算處理和高級(jí)建模分析[3]，實(shí)現(xiàn)了廠級(jí)集中監(jiān)管、智能控制，經(jīng)過各廠大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用，新平臺(tái)有效支持了新疆油田“四辦四中心”運(yùn)營優(yōu)化和生產(chǎn)組織方式的變革。

二、平臺(tái)簡介

在“十四五”后期，新疆油田需要管理百萬計(jì)的傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)，傳統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)難以滿足這種大規(guī)模并發(fā)讀寫的性能需求；同時(shí)企業(yè)數(shù)據(jù)容量從TB級(jí)擴(kuò)展到PB級(jí)，對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算的性能已經(jīng)成為應(yīng)用瓶頸[4]。新平臺(tái)按照工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)劃分為IaaS、PaaS與SaaS層，技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)包括：①支持百萬級(jí)數(shù)據(jù)點(diǎn)并發(fā)采集；②支持海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分類、建模；③支持流計(jì)算等高實(shí)時(shí)性計(jì)算方法。

生產(chǎn)監(jiān)控云平臺(tái)配置生產(chǎn)監(jiān)控、設(shè)備管理、能耗管理等與生產(chǎn)管理緊密結(jié)合的企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，如圖1所示。提供了將實(shí)時(shí)運(yùn)營數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)分析和決策的通道，能夠讓油田自主掌控生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)的智能應(yīng)用價(jià)值。

平臺(tái)基本功能構(gòu)成如下：

首頁功能：提供廠級(jí)宏觀監(jiān)控功能，以圖表方式展示全廠開關(guān)井、報(bào)警等統(tǒng)計(jì)信息，嵌入GIS地圖。

油氣生產(chǎn)流程監(jiān)控：以組態(tài)方式展示油水井（如圖2所示）、計(jì)量間、配水間、轉(zhuǎn)油站、增壓站、泵站等的監(jiān)控參數(shù)，實(shí)現(xiàn)井站生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)的快速監(jiān)控與報(bào)警處置。

油氣處理監(jiān)控：以組態(tài)方式展示處理站的主要工藝流程，實(shí)現(xiàn)處理站的數(shù)據(jù)可視化。

參數(shù)表：提供油井、注水井、配水間、計(jì)量間的主要參數(shù)集中查看功能。

曲線分析：以單井、計(jì)量間作為查詢對(duì)象，生成24小時(shí)歷史曲線，快速分析重要監(jiān)測(cè)參數(shù)變化情況。

通信參數(shù)：監(jiān)控從RTU到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的通訊狀況，包括油井、注水井、計(jì)量間、配水間的通訊狀況。

實(shí)時(shí)報(bào)警：基于閾值報(bào)警及復(fù)雜報(bào)警規(guī)則，動(dòng)態(tài)推送最新報(bào)警，根據(jù)處理狀態(tài)分類展示，便于查詢和跟蹤。

能耗監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)電力線路、設(shè)備電表等耗能數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

儀表故障統(tǒng)計(jì)：基于儀表本身收集到的故障代碼，對(duì)儀表狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)統(tǒng)計(jì)，確保在第一時(shí)間掌握儀表工況，不斷提高數(shù)據(jù)質(zhì)量與數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

其他監(jiān)控功能擴(kuò)展，例如集輸管網(wǎng)監(jiān)控、施工車輛監(jiān)控、視頻監(jiān)控等。

三、功能特性

隨著新疆油田數(shù)字化建設(shè)，生產(chǎn)監(jiān)控云平臺(tái)先后在多個(gè)采油氣生產(chǎn)單位進(jìn)行了落地應(yīng)用，與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)相比，存在如下對(duì)比特性[5-6]。

（一）數(shù)據(jù)采集

生產(chǎn)監(jiān)控云平臺(tái)采用Erlang開發(fā)采集服務(wù)模塊，采集服務(wù)面向每一個(gè)設(shè)備分別創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)并發(fā)體，通過并發(fā)體之間的性能均衡與實(shí)時(shí)調(diào)度機(jī)制，確保每一個(gè)并發(fā)體的實(shí)時(shí)性，如圖3所示。一臺(tái)服務(wù)器可以并發(fā)上萬個(gè)采集服務(wù)，最多能支持50萬點(diǎn)同時(shí)采集。而傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)通過I/O驅(qū)動(dòng)器建立與RTU或PLC之間的連接，并發(fā)能力受到系統(tǒng)限制，一般單機(jī)的采集能力在萬點(diǎn)級(jí)別。

（二）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

生產(chǎn)監(jiān)控云平臺(tái)采用分布式節(jié)點(diǎn)方式，在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，會(huì)根據(jù)服務(wù)器集群的節(jié)點(diǎn)運(yùn)行情況，進(jìn)行并發(fā)寫入，并自動(dòng)冗余備份，主要采用了分片存儲(chǔ)、寬表設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)創(chuàng)建等技術(shù)，每秒數(shù)據(jù)處理和歸檔能力、數(shù)據(jù)混合壓縮性能等關(guān)鍵性能指標(biāo)滿足海量數(shù)據(jù)場景需求。

（三）監(jiān)控報(bào)警

不同于傳統(tǒng)閾值報(bào)警方式，生產(chǎn)監(jiān)控云平臺(tái)提供了以事件為中心的報(bào)警管理機(jī)制，可對(duì)海量報(bào)警信息的自動(dòng)分類、分級(jí)以及自動(dòng)閾值推薦。此外，還提供網(wǎng)絡(luò)化通訊診斷、曲線分析等功能。報(bào)警服務(wù)支持多級(jí)監(jiān)控，可通過交換機(jī)、路由器等設(shè)備組成的局域網(wǎng)按需部署多套聯(lián)動(dòng)分析系統(tǒng)。

第一，控制功能更加靈活。諸如遠(yuǎn)程啟停抽油機(jī)、遠(yuǎn)程調(diào)水只需要在頁面或數(shù)據(jù)庫配置即可實(shí)現(xiàn)，降低二次開發(fā)成本，而傳統(tǒng)SCADA大多需要開發(fā)和實(shí)施人員編寫腳本。

第二，靈活的頁面展示。如通過可視化界面配置，監(jiān)控頁面可任意以模板頁面或自定義頁面展示。嵌入式開發(fā)更加靈活，可以方便地嵌入諸如視頻或其他軟件系統(tǒng)?；诘貓D（GIS）的井場拓?fù)湔故荆又庇^展示作業(yè)區(qū)地圖總貌、油氣水井開關(guān)井?dāng)?shù)、設(shè)備在線數(shù)、油氣產(chǎn)量等信息。

第三，參數(shù)表的數(shù)據(jù)顯示更加靈活。用戶可以根據(jù)自己的需求任意控制顯示隱藏?cái)?shù)據(jù)，還可支持單井的批量啟停控制等操作。

第四，構(gòu)建了以集中監(jiān)控為主、分級(jí)監(jiān)控為輔的分布式主備監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)模式，如圖4所示。正常監(jiān)控模式下，各生產(chǎn)區(qū)域運(yùn)行動(dòng)態(tài)通過廠級(jí)監(jiān)控平臺(tái)集中監(jiān)管，當(dāng)廠與各級(jí)生產(chǎn)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時(shí)，啟動(dòng)各生產(chǎn)區(qū)域部署的分級(jí)監(jiān)控平臺(tái)，作為應(yīng)急監(jiān)控模式，兩級(jí)平臺(tái)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)配置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)同步。兩級(jí)生產(chǎn)運(yùn)行管理模式的搭建及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的有效共享，與已有軟件系統(tǒng)共同構(gòu)建了完整的業(yè)務(wù)分析與管理體系。

（四）數(shù)據(jù)分析

采用流批一體計(jì)算支持海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)并行分析、一次性大量數(shù)據(jù)分析，與單純批量計(jì)算慢慢積累數(shù)據(jù)不同，對(duì)于實(shí)時(shí)計(jì)算要求高的診斷分析模型，采用流式計(jì)算將大量數(shù)據(jù)平攤到每個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，連續(xù)進(jìn)行小批量實(shí)時(shí)傳輸，數(shù)據(jù)持續(xù)流動(dòng)，計(jì)算結(jié)果立刻推送到系統(tǒng)界面，做到即時(shí)化應(yīng)用。生產(chǎn)監(jiān)控云平臺(tái)采用流批一體計(jì)算引擎可實(shí)現(xiàn)如下功能：

一是進(jìn)行復(fù)雜模型診斷與預(yù)警[7]，用于解決流動(dòng)平衡、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、故障判斷等多參數(shù)聯(lián)合分析問題，是數(shù)據(jù)智能化應(yīng)用的第一步，通過將人工經(jīng)驗(yàn)提煉到復(fù)雜算法模型中，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控?zé)o人化或少人化。

二是基于實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)指標(biāo)計(jì)算，例如基于電表采集的實(shí)時(shí)累計(jì)耗電量計(jì)算當(dāng)日實(shí)時(shí)電量、基于油井示功圖數(shù)據(jù)計(jì)算載荷跨度等。

三是利用批計(jì)算功能計(jì)算生產(chǎn)動(dòng)態(tài)指標(biāo)，例如基于實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)生成日?qǐng)?bào)數(shù)據(jù)。

（五）平臺(tái)管理

生產(chǎn)監(jiān)控云平臺(tái)服務(wù)集中部署，用戶只需要通過瀏覽器就可以訪問，在運(yùn)維管理時(shí)提供方便高效的功能：

一是本身集成了豐富的采集協(xié)議，大部分配置通過頁面完成。界面風(fēng)格也可以自主配置切換，滿足監(jiān)控個(gè)性化需求。

二是平臺(tái)產(chǎn)生的系統(tǒng)垃圾很少，權(quán)限管理嚴(yán)格，安全系數(shù)高。

三是完備的自上而下體系，從服務(wù)器端、PC客戶端、平板手機(jī)App等通過部署不同的服務(wù)滿足不同場景和不同用戶的需求。

四、新型監(jiān)控平臺(tái)優(yōu)勢(shì)

通過新型監(jiān)控平臺(tái)的建設(shè)與實(shí)施，可實(shí)現(xiàn)采油氣廠實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集中管理，一套廠級(jí)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中心平臺(tái)實(shí)現(xiàn)全部作業(yè)區(qū)自動(dòng)化數(shù)據(jù)集中采集與管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)全局共享，可滿足功圖量油等系統(tǒng)獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析需要；一套廠級(jí)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了油氣田生產(chǎn)全流程關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)集中監(jiān)控與實(shí)時(shí)報(bào)警，并可實(shí)現(xiàn)廠與作業(yè)區(qū)聯(lián)動(dòng)監(jiān)控模式，主干線通訊中斷可繼續(xù)監(jiān)控，兩級(jí)平臺(tái)數(shù)據(jù)自動(dòng)同步，無需人工干預(yù)。

（一）搭建了廠級(jí)生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，提高集中監(jiān)控能力的同時(shí)提升了應(yīng)用的性能

實(shí)現(xiàn)了全局的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)視與報(bào)警、靈活的遠(yuǎn)程啟停或調(diào)參控制，大大提高了監(jiān)控自動(dòng)化程度，并在系統(tǒng)先進(jìn)性、智能性、穩(wěn)定性、易用性等方面也均有大幅提升。

（二）研究了云時(shí)代的在線組態(tài)配置及應(yīng)用方案，組態(tài)監(jiān)控應(yīng)用及維護(hù)門檻大幅降低

監(jiān)控平臺(tái)應(yīng)用了云環(huán)境下數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了組態(tài)監(jiān)控畫面數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、報(bào)警信息推送實(shí)時(shí)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控報(bào)警實(shí)時(shí)等。同時(shí)采用了基于WebSocket的網(wǎng)頁動(dòng)態(tài)更新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控頁面隨數(shù)據(jù)自動(dòng)刷新。在組態(tài)圖方面，監(jiān)控平臺(tái)采用了以SVG矢量圖為核心的組態(tài)自適應(yīng)技術(shù)，既可整體查看，也可局部放大而不損失細(xì)節(jié)；而當(dāng)組件庫圖件發(fā)生變更后，所有組態(tài)圖相關(guān)組件效果自動(dòng)生效。

（三）建立了以“事件管理為核心”的報(bào)警分區(qū)管理模式，有效報(bào)警可甄別性更強(qiáng)

本系統(tǒng)支持流批一體的復(fù)雜報(bào)警建模方式，并將以數(shù)據(jù)點(diǎn)為基礎(chǔ)的報(bào)警機(jī)制改進(jìn)為以事件為基礎(chǔ)的報(bào)警機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)報(bào)警歸類處理，支持按全廠、各作業(yè)區(qū)進(jìn)行報(bào)警管理，支持?jǐn)?shù)據(jù)恢復(fù)后可自動(dòng)消警，提供了方便的報(bào)警分析功能。

（四）內(nèi)置了客戶化實(shí)用功能，更好滿足監(jiān)控與生產(chǎn)管理需要

例如，定制的間抽井管理功能，實(shí)現(xiàn)了在上位機(jī)完成間抽設(shè)置，支持靈活設(shè)置各井啟停周期，并支持批量設(shè)置，大大減少了監(jiān)控人員的重復(fù)工作；閾值推薦功能，實(shí)現(xiàn)了基于歷史數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算合理閾值，為技術(shù)人員提供參考；首頁功能，更加直觀展示全廠及各作業(yè)區(qū)地圖總貌、油氣水井開關(guān)井?dāng)?shù)、在線數(shù)、產(chǎn)量等信息，滿足了生產(chǎn)管理需求。

（五）便捷的在線組態(tài)監(jiān)控更新維護(hù)方案，提升技術(shù)人員自主運(yùn)維能力

系統(tǒng)提供了可視化配置，具備良好的可拓展性、可維護(hù)性。系統(tǒng)中監(jiān)控組態(tài)的更新（工藝流程+單井）支持可視化管理方式，能夠快速實(shí)現(xiàn)工藝流程變更的信息同步。提供多種批量操作：報(bào)警限值設(shè)置、報(bào)警處理、備注修改等。在權(quán)限管理方面，支持用戶的創(chuàng)建及賬戶權(quán)限的靈活設(shè)置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用權(quán)限的按需分配。

（六）全面的監(jiān)控及分析配套功能，逐步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)行管控一體化平臺(tái)建設(shè)

通過增加視頻集成、通訊監(jiān)測(cè)等功能點(diǎn)，使生產(chǎn)監(jiān)控維度更加全面、生產(chǎn)分析決策更加合理，功能間數(shù)據(jù)與成果共享更加方便。

五、應(yīng)用效果

目前新型監(jiān)控平臺(tái)管理模式已在石西油田作業(yè)區(qū)、采油二廠、采氣一廠、準(zhǔn)東采油廠、吉慶油田作業(yè)區(qū)、風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)全面推廣，從技術(shù)先進(jìn)性、監(jiān)控管理效率等方面均取得了良好的效果。

（一）技術(shù)應(yīng)用水平突出

建立了高并發(fā)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集引擎，內(nèi)置新疆油田各類驅(qū)動(dòng)協(xié)議，可滿足50萬以上采集點(diǎn)規(guī)模的生產(chǎn)單位應(yīng)用；基于B/S的監(jiān)控組態(tài)可視化在線管理，通過拖拽即可實(shí)現(xiàn)組態(tài)畫面的定制及發(fā)布，組態(tài)更新維護(hù)便捷性大幅提升；基于流批一體的計(jì)算引擎為復(fù)雜報(bào)警分析提供了強(qiáng)有力的算力，搭載的模型庫價(jià)值得到充分發(fā)揮，生產(chǎn)監(jiān)控壓力大幅降低；建立的多級(jí)監(jiān)控平臺(tái)間握手機(jī)制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各節(jié)點(diǎn)服務(wù)運(yùn)行狀態(tài)及異常節(jié)點(diǎn)任務(wù)接管，宏觀把控系統(tǒng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)；建立的多級(jí)平臺(tái)間數(shù)據(jù)同步機(jī)制，按需自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)同步，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可靠性、完整性得到保障。

（二）生產(chǎn)監(jiān)控模式優(yōu)化提升

由作業(yè)區(qū)分散監(jiān)控變?yōu)閺S級(jí)集中監(jiān)控管理，監(jiān)控人員減少50%以上；1套系統(tǒng)滿足全廠監(jiān)控需要，按需分配數(shù)據(jù)及功能權(quán)限，用戶數(shù)量無限制，只需維護(hù)服務(wù)器，軟硬件建設(shè)及運(yùn)維成本降低60%以上；系統(tǒng)可擴(kuò)展性強(qiáng)，通過功能升級(jí)可形成“生產(chǎn)監(jiān)控->生產(chǎn)分析->生產(chǎn)決策->生產(chǎn)調(diào)度”閉環(huán)智能管控平臺(tái)。

六、結(jié)語

生產(chǎn)監(jiān)控云平臺(tái)是依托油氣物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行管理深化應(yīng)用必然采用的技術(shù)手段，目前僅僅處于初期階段，還有較大的提升空間。

第一，生產(chǎn)監(jiān)控云平臺(tái)將朝著專業(yè)化和智能化邁進(jìn)，發(fā)揮平臺(tái)的“數(shù)聚”效應(yīng)，推動(dòng)智能新疆油田建設(shè)。

第二，以進(jìn)一步感知互聯(lián)、數(shù)據(jù)融合為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程“實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能診斷、自動(dòng)處置、智能優(yōu)化”的油田業(yè)務(wù)新模式。

第三，堅(jiān)持以自主研發(fā)、國產(chǎn)化替代為主，在行業(yè)算法與邊云協(xié)同應(yīng)用等方面取得突破。

參考文獻(xiàn)

[1]戴厚良.以數(shù)字化轉(zhuǎn)型驅(qū)動(dòng)油氣產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[J].中國產(chǎn)經(jīng)，2021，258（2）：70-72.

[2]蘇偉，肖兵，郝鵬宇，等.采油廠采油生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)探討[J].自動(dòng)化博覽，2012，29（S1）：78-80.

[3]杜強(qiáng)，劉曉天，汪亮，等.面向油氣田生產(chǎn)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].信息通信技術(shù)與政策，2020，316（10）：28-34.

[4]李國榮，趙金龍，周敏，等.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)云平臺(tái)在石西油田的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)仿真，2020，37（10）：361-364.

[5]李兵元，趙春雪，王偉，等.新疆油田油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化存在問題淺析[J].中國管理信息化，2020，23（17）：106-107.

[6]李兵元，李愷，吳斌，等.油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)分析[J].中國管理信息化，2020，23（3）：102-105.

[7]許國劍，趙春雪，丁煜暉.基于邏輯化算法的油田設(shè)備數(shù)據(jù)分析判斷法[J].中國管理信息化，2020，23（4）：99-100.