基于邊緣云計算的FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺

楊 波，王鑫章，蕭 陽，彭 程

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300451）

浮式生產(chǎn)儲存卸貨裝置(floating production storage and offloading，F(xiàn)PSO)現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺作為保障海上油氣設(shè)施穩(wěn)定運行的重要組成部分，其數(shù)據(jù)平臺運行的可靠性與穩(wěn)定性對模擬海上工況具有較大影響［1］。海上工況具有長期低頻晃動的特征，因此對FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺的兼容性、數(shù)據(jù)可視化、晃動適應(yīng)性能的要求較高［2］。現(xiàn)階段，我國在浮式海上油氣設(shè)施方面的研究逐漸成熟。李雨晨等［3］針對FPSO中控系統(tǒng)日志的流式實時數(shù)據(jù)展開了分析，對FPSO各設(shè)備日志的數(shù)據(jù)量情況進行來源分析，了解設(shè)備狀態(tài)變化，分析設(shè)備代碼、設(shè)備狀態(tài)碼和狀態(tài)信息，實時統(tǒng)計各個設(shè)備的日志產(chǎn)生狀況，對FPSO生產(chǎn)工況監(jiān)控和異常狀況進行處理。韓宇等［4］引入數(shù)字化管理技術(shù)，并結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建FPSO管理數(shù)字化平臺，采集FPSO模型參數(shù)，監(jiān)測現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析，對FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營進行實時管理。雖然上述兩種方法均能實現(xiàn)對FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)的監(jiān)測，但是在海上實時工況下，動態(tài)生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)采集與存儲性能較低，數(shù)據(jù)可視化與分布式顯示控制的質(zhì)量與效率均較低，制約了浮式海上油氣行業(yè)的高速發(fā)展。邊緣云計算具有不同的智慧層級，數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)邊緣推理能力較強，可減輕平臺云端海量數(shù)據(jù)的計算壓力以及對網(wǎng)絡(luò)帶寬的不利影響，其在大數(shù)據(jù)平臺端的廣泛應(yīng)用，能夠有效地改善傳統(tǒng)現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺的不足［5］。

基于此，本文在傳統(tǒng)FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺的基礎(chǔ)上，引入邊緣云計算技術(shù)，設(shè)計新的生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺，為油氣數(shù)字化設(shè)備在浮式海上油氣設(shè)施上的穩(wěn)定運行提供保障。

1 FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺硬件設(shè)計

本文設(shè)計的FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺采用B/S硬件架構(gòu)，具有良好的穩(wěn)定性能。該數(shù)據(jù)平臺中交換機采用S5850-24T16B型號的Uplink端口交換機，其交換容量為848 Gbps，MAC地址與VLANs均為49 k，具備同時支持數(shù)據(jù)平臺跨設(shè)備鏈路聚合與邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議，其閃存大小為4 GB［6］。數(shù)據(jù)平臺采用型號為UPS100KTP208T的不間斷數(shù)據(jù)中心電源，使用在線式不間斷電源(uninterruptible power supply，UPS)類型與鉛酸蓄電池的兼容電池類型［7］。設(shè)置不間斷電源的額定輸入電壓為208 V 3PH，輸出功率容量為100 kW/100 kVA，能夠為FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺的運行提供不間斷的電源［8］。為了模擬海洋實況環(huán)境，控制晃動平臺，固定服務(wù)器，在平臺硬件設(shè)計中，添加夾具設(shè)備，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 夾具設(shè)備結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of jig and fixture

2 FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺軟件設(shè)計

2.1 生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

本文設(shè)計的基于邊緣云計算的FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺中，數(shù)據(jù)采集模塊至關(guān)重要，其為平臺的運行提供了有力的數(shù)據(jù)支持。首先，從Oracle與SQL Server標準數(shù)據(jù)庫中獲取FPSO生產(chǎn)運營的歷史數(shù)據(jù)。該平臺采用IEC62845-102與TASE.2協(xié)議，全方位接收FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營的實時動態(tài)數(shù)據(jù)，并進行快速傳輸。在信息數(shù)據(jù)采集過程中，嚴格遵循 IEC61970 標準的采集規(guī)范與標準，數(shù)據(jù)平臺利用可擴展置標語言(extensible markup language，XML)語言，定義采集信息數(shù)據(jù)文件［9］。在信息數(shù)據(jù)匯總后，分析并挖掘生產(chǎn)運營信息中蘊含的其他數(shù)據(jù)，獲取更有價值的信息數(shù)據(jù)，輔助平臺進行合理分配生產(chǎn)運營信息。

2.2 設(shè)計平臺邊緣云計算層

在完成基于上述生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)的采集模塊設(shè)計后，依據(jù)邊緣計算原理，設(shè)計平臺中的邊緣云計算層，對現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)進行動態(tài)計算與分析，以提高數(shù)據(jù)平臺運行的質(zhì)量。本文設(shè)計的數(shù)據(jù)平臺邊緣云計算層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)平臺邊緣云計算層結(jié)構(gòu)Fig.2 Layer structure of the edge cloud computing in the data platform

由圖2中可知，在邊緣云計算層中包含4個不同的功能模塊，各模塊結(jié)構(gòu)與功能之間存在一定的差異。首先，控制執(zhí)行模塊在邊緣云計算層中主要負責(zé)控制FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)的信息交互指令，并設(shè)置該模塊中的回路為閉環(huán)狀態(tài)，根據(jù)平臺的動態(tài)運行，將執(zhí)行端的信息反饋到平臺終端。設(shè)置數(shù)據(jù)感知模塊的智能調(diào)度功能，基于現(xiàn)場生產(chǎn)運營邊緣數(shù)據(jù)的動態(tài)變化，對數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)融合、特征提取等操作，實現(xiàn)FPSO數(shù)據(jù)的智能融合，為平臺中其他模塊的運行提供信息保障。建模分析模塊主要負責(zé)提取邊緣云計算層中感知到的數(shù)據(jù)信息，通過構(gòu)建模擬海洋工況，對提取到的數(shù)據(jù)信息進行加工。最后，在智能決策模塊中輸入具有決策信息的指令，通過該模塊監(jiān)測并控制數(shù)據(jù)平臺的整體計算狀況。完成對邊緣云計算層中各個模塊的設(shè)計后，采用邊緣計算原理，設(shè)定FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，并計算其優(yōu)先級值，即

式中：P為FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)的優(yōu)先級值；β為數(shù)據(jù)優(yōu)先級參數(shù)；Mi為不同海上工況下的生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)優(yōu)先級；t0為數(shù)據(jù)平臺當前運行的時間；t為平臺FPSO生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)采集時間；ψ為生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)優(yōu)先級信息傳輸參數(shù)。

通過計算FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)的優(yōu)先級值，控制平臺數(shù)據(jù)接收端解壓數(shù)據(jù)的動態(tài)變化。

2.3 設(shè)計FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)庫

在完成平臺邊緣云計算層設(shè)計后，依據(jù)數(shù)據(jù)需求，設(shè)計平臺云端與邊緣端的FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)庫，以存儲各海上工況下生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)存儲的安全性。本文設(shè)計的FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)庫表如表1所示。

表1 FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)庫表Tab.1 FPSO on-site production and operation database

3 平臺測試

在完成基于邊緣云計算的FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺的全部流程設(shè)計基礎(chǔ)上，為了驗證該數(shù)據(jù)平臺的可行性，對平臺進行了測試。首先，搭建FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺的測試環(huán)境，選用Intel酷睿2四核的CPU，顯卡型號為NVIDIA Geforce GT220，散熱器型號為金河田高效風(fēng)冷散熱器，內(nèi)存為8 G大顆粒高頻高速內(nèi)存，硬盤為128 G的SSD高速固態(tài)組合硬盤，為本次測試提供穩(wěn)定的運行環(huán)境。本次測試在東海海域進行，海域水深約為95 m左右。該海域具有較長的涌浪周期，低頻區(qū)域晃動特性明顯，這對采油船舶的系泊運動具有一定的影響。采用MOSES海上施工模擬與浮體設(shè)計軟件，對海洋現(xiàn)場監(jiān)測工況與環(huán)境參數(shù)進行模擬分析，以獲取測試過程中海上工況的參數(shù)，結(jié)果如表2所示。

表2 海上工況環(huán)境模擬參數(shù)Tab.2 Sea state for the simulation

基于表2中的參數(shù)對本文設(shè)計的數(shù)據(jù)平臺的運行功能與使用性能進行測試。FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺運行功能測試流程如圖3所示。

圖3 FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺運行功能測試流程Fig.3 Operation function test process of the data platform for FPSO on-site production and operation

首先，按照區(qū)域劃分的原理對數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場進行處理，采用多傳感器采集FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)。將采集到的數(shù)據(jù)上傳到平臺的智能網(wǎng)關(guān)，利用數(shù)據(jù)平臺邊緣云計算功能，分析并計算FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)流。利用數(shù)據(jù)平臺中的消息隊列遙測傳輸協(xié)議（message queuing telemetry transport，MQTT）監(jiān)聽程序，展示數(shù)據(jù)流，并對數(shù)據(jù)流進行多協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而提高數(shù)據(jù)流的穩(wěn)定性。在數(shù)據(jù)平臺建立續(xù)傳數(shù)據(jù)通道，實時傳輸海上工況數(shù)據(jù)，并按照實況數(shù)據(jù)的優(yōu)先級對數(shù)據(jù)流進行動態(tài)結(jié)構(gòu)劃分。數(shù)據(jù)平臺根據(jù)規(guī)約管理的原理，按用戶的實際需求，生成以規(guī)則定義為主的FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)平臺運行結(jié)束后，依據(jù)黑盒測試原理可知，生成的數(shù)據(jù)符合平臺運行的要求以及用戶需求。這表明本文設(shè)計的FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺運行功能良好，可滿足平臺建設(shè)的要求。

然后，采用白盒測試方法對數(shù)據(jù)平臺的性能進行全方位、全過程測試。為了使平臺性能測試結(jié)果更加直觀，采用對比分析的方法，將本文設(shè)計的基于邊緣云計算的數(shù)據(jù)平臺與傳統(tǒng)的基于物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺進行對比。設(shè)置平臺的并發(fā)訪問數(shù)量分別為100、200、300、400、500、600，采用MATLAB軟件，測定2種數(shù)據(jù)平臺在不同并發(fā)訪問數(shù)量下平臺的存儲容量與數(shù)據(jù)采集規(guī)模，對比結(jié)果如表3所示。

由表3可知，在不同并發(fā)訪問數(shù)量下，2種FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺中，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺的存儲容量最大為9.4 T，數(shù)據(jù)采集規(guī)模最大為0.9萬點。而本文設(shè)計的基于邊緣云計算的數(shù)據(jù)平臺，其數(shù)據(jù)存儲容量均在12.3 T以上，數(shù)據(jù)采集規(guī)模均在1.3萬點以上，均高于傳統(tǒng)平臺的值。這證明了本文設(shè)計的基于邊緣云計算的FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)存儲容量與數(shù)據(jù)采集規(guī)模較好，該平臺具有一定的實際應(yīng)用價值。

4 結(jié)束語

為了解決傳統(tǒng)FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺在動態(tài)生產(chǎn)運營過程中存在的數(shù)據(jù)采集與存儲性能較差的問題，本文在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺的基礎(chǔ)上，引入邊緣云計算技術(shù)，設(shè)計了一種新的數(shù)據(jù)平臺。本文的研究工作優(yōu)化了FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺的兼容性能與適應(yīng)性能，提升了平臺的數(shù)據(jù)存儲容量與采集規(guī)模。

但是本文僅對所設(shè)計的FPSO現(xiàn)場生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)平臺進行了模擬測試，在測試中對平臺設(shè)置的并發(fā)訪問數(shù)量較少，況且海上工況環(huán)境千變?nèi)f化，尚不能保證本文所設(shè)計平臺的實際應(yīng)用性能。因此，在后續(xù)的研究中，將與相關(guān)技術(shù)部門進行對接，將本文所設(shè)計的平臺應(yīng)用至實際海上FPSO現(xiàn)場中，并在實際應(yīng)用中不斷完善設(shè)計平臺的性能，以期為我國海上油氣田開發(fā)項目提供技術(shù)支持。