基于邊緣計(jì)算的智能油田物聯(lián)網(wǎng)油井監(jiān)控系統(tǒng)

張鈺哲，張偉東，高 偉，何 渡，賀 斌

（1.西安海聯(lián)石化科技有限公司，陜西 西安 710065；2.延長(zhǎng)油田股份有限公司 靖邊采油廠，陜西 靖邊 718500）

0 引 言

通常油井處在偏遠(yuǎn)地區(qū)，自然條件惡劣且設(shè)備攜帶不便，工人定時(shí)巡查監(jiān)視、記錄各種數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)，更難以實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)[1]。采用傳統(tǒng)的油井監(jiān)測(cè)手段已經(jīng)無(wú)法實(shí)時(shí)對(duì)油井進(jìn)行全方位的監(jiān)控，難以提高采油效率和出油產(chǎn)量。在現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和新一代電子信息技術(shù)的快速發(fā)展下，將各種傳感器、無(wú)線檢測(cè)設(shè)備基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起，構(gòu)成了一個(gè)智能化的物聯(lián)網(wǎng)油井監(jiān)控系統(tǒng)。油井監(jiān)控系統(tǒng)中的傳感器和檢測(cè)儀表等終端設(shè)備會(huì)采集大量的油井生產(chǎn)數(shù)據(jù)，一方面這些數(shù)據(jù)可以為油井的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供支持，另一方面海量數(shù)據(jù)直接上傳至服務(wù)器和云端會(huì)極大程度地增加運(yùn)算負(fù)擔(dān)，但是終端設(shè)備本身處理數(shù)據(jù)能力有限，難以實(shí)時(shí)處理采集數(shù)據(jù)。因此，在監(jiān)控系統(tǒng)終端設(shè)備中引進(jìn)一個(gè)邊緣處理器來(lái)擴(kuò)展終端設(shè)備處理數(shù)據(jù)的能力是有必要的。將終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭吘壧幚砥鬟M(jìn)行分析處理，利用邊緣計(jì)算將云端計(jì)算能力下放到邊緣端，可以減輕云端的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，數(shù)據(jù)在邊緣端處理，可以加快數(shù)據(jù)的處理和分析速度，確保該系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[2-3]。本文提出了基于邊緣計(jì)算的智能油田物聯(lián)網(wǎng)油井監(jiān)控系統(tǒng)，既可以實(shí)時(shí)監(jiān)控油井，又可以減輕監(jiān)控計(jì)算機(jī)的分析負(fù)擔(dān)，同時(shí)可以快速處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，方便給工人做出合理的決策提供數(shù)據(jù)支持。

1 基于邊緣計(jì)算的智能油田物聯(lián)網(wǎng)油井監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

智能油田油井監(jiān)控系統(tǒng)是智能油田生產(chǎn)管控的重要一環(huán)，承擔(dān)油井?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和分析、井況實(shí)時(shí)監(jiān)控及智能報(bào)警，為油井管理人員提供決策依據(jù)。傳統(tǒng)油井監(jiān)控系統(tǒng)往往采集大量井口數(shù)據(jù)，直接通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳輸至云端，致使云端運(yùn)算壓力極大和數(shù)據(jù)傳輸速度緩慢。為了解決這一問(wèn)題，引入邊緣計(jì)算的思想，相對(duì)于云計(jì)算，邊緣計(jì)算擁有低延遲、高效率、安全可靠等特點(diǎn)[4]，將井口監(jiān)測(cè)的終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)先匯總于井口智能RTU 進(jìn)行初步處理，再通過(guò)井場(chǎng)智能RTU 上傳至監(jiān)控管理中心進(jìn)行深度處理。

基于邊緣計(jì)算的智能油田物聯(lián)網(wǎng)油井監(jiān)控系統(tǒng)由感知層、邊緣層、傳輸層、決策層構(gòu)成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。感知層是由攝像機(jī)、流量計(jì)、壓力計(jì)、溫度計(jì)、液面監(jiān)測(cè)儀、角位移傳感器及載荷傳感器組成，實(shí)時(shí)采集油井各項(xiàng)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)油井的生產(chǎn)狀況和環(huán)境數(shù)據(jù)。邊緣層是由井口智能RTU構(gòu)成的，井口監(jiān)測(cè)儀表采集的數(shù)據(jù)集中傳輸于此，進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理并儲(chǔ)存，減輕監(jiān)控管理中心數(shù)據(jù)分析及運(yùn)算壓力，同時(shí)通過(guò)4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給井場(chǎng)智能RTU。傳輸層在油田監(jiān)控系統(tǒng)中承擔(dān)著承上啟下、數(shù)據(jù)整合及轉(zhuǎn)發(fā)的關(guān)鍵作用。傳輸層的核心設(shè)備是井場(chǎng)智能RTU，集中收集井口智能RTU 的數(shù)據(jù)，通過(guò)內(nèi)部的4G 模塊，采用4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸給監(jiān)控管理中心。決策層包括后臺(tái)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、PC 管理平臺(tái)等，負(fù)責(zé)分析處理與監(jiān)控從井場(chǎng)智能RTU 傳輸至監(jiān)控管理中心的數(shù)據(jù)，以及儲(chǔ)存和管理實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)與圖像[5]。

圖1 基于邊緣計(jì)算的智能油田物聯(lián)網(wǎng)油井監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成

2 油井監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

2.1 井口監(jiān)測(cè)電路硬件組成

井口監(jiān)測(cè)電路由井口智能RTU 和井口監(jiān)測(cè)儀表設(shè)備組成，其中井口智能RTU 作為其控制核心，硬件組成如圖2所示。井口智能RTU 主要由主控芯片模塊、供電模塊、存儲(chǔ)器模塊、以太網(wǎng)模塊、WiFi 模塊、4G 模塊、RS 485 通信、語(yǔ)音模塊、OLED 模塊、按鍵模塊及指示燈模塊等組成。井口監(jiān)測(cè)設(shè)備由攝像機(jī)、流量計(jì)、壓力計(jì)、溫度計(jì)、液面監(jiān)測(cè)儀、角位移傳感器及載荷傳感器組成。

圖2 井口監(jiān)測(cè)電路硬件組成

井口智能RTU 采用基于32 位ARM-CorteX-M7 處理器的STM32F769NIH6 作為主控芯片；供電模塊采用加裝蓄電池的太陽(yáng)能電池板供電，天氣良好時(shí)由太陽(yáng)能電池板給井口智能RTU 供電并對(duì)蓄電池充電，天氣惡劣時(shí)由蓄電池供電。井口智能RTU 主控芯片的SPI 接口分別與以太網(wǎng)模塊、存儲(chǔ)器模塊和WiFi 模塊連接，以太網(wǎng)模塊通過(guò)TCP/IP 協(xié)議與監(jiān)控?cái)z像機(jī)連接，采集井口圖像數(shù)據(jù)及人員闖入抓拍圖像；存儲(chǔ)器模塊選用大容量的SD 卡來(lái)存儲(chǔ)各項(xiàng)井口數(shù)據(jù)及圖像，WiFi 模塊分別與液面監(jiān)測(cè)儀、角位移傳感器及載荷傳感器連接并采集油井動(dòng)液面數(shù)據(jù)、抽油機(jī)游梁角度及載荷數(shù)據(jù)；USART 接口分別與RS 485 和4G 模塊連接，RS 485 通信總線分別與流量計(jì)、溫度計(jì)和壓力計(jì)連接并采集其數(shù)據(jù)；井口智能RTU 內(nèi)置的4G 模塊通過(guò)4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與井場(chǎng)智能RTU連接，定時(shí)將井口智能RTU 采集并初步處理的數(shù)據(jù)上傳至傳輸層；GPIO 接口分別與語(yǔ)音模塊、指示燈模塊、按鍵模塊及OLED 模塊連通，語(yǔ)音模塊可以選配語(yǔ)音功效以及在油井出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)直接語(yǔ)音報(bào)警，指示燈模塊顯示井口智能RTU 的啟停狀態(tài)，按鍵模塊控制井口智能RTU 的啟動(dòng)與停止及下發(fā)手動(dòng)設(shè)置采集周期時(shí)間，OLED 模塊顯示采集周期時(shí)間、井口動(dòng)液面數(shù)值及套管壓力。

2.2 井場(chǎng)智能RTU 硬件組成

井場(chǎng)智能RTU 是基于邊緣計(jì)算的智能油田物聯(lián)網(wǎng)油井監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，一方面有序接收邊緣層井口智能RTU 處理后的數(shù)據(jù)；另一方面打包所接收的數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控管理中心，防止傳輸混亂，影響監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行。

井場(chǎng)智能RTU 硬件組成如圖3 所示，井場(chǎng)智能RTU 的存儲(chǔ)器模塊也采用大容量SD 卡，用來(lái)存儲(chǔ)井口智能RTU 定時(shí)上傳的數(shù)據(jù)和井口異常情況時(shí)的數(shù)據(jù)；井場(chǎng)智能RTU 通過(guò)4G 無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)控計(jì)算機(jī)，并接收監(jiān)控計(jì)算機(jī)下發(fā)的指令；井場(chǎng)智能RTU 的供電模塊采用蓄電池加太陽(yáng)能電池板的組合裝置進(jìn)行供電，指示燈模塊方便人們查看RTU 是否正常運(yùn)行，按鍵模塊控制RTU 的啟停及復(fù)位。

圖3 井場(chǎng)智能RTU 硬件組成電路

3 油井監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)C 語(yǔ)言、C++語(yǔ)言及Java 語(yǔ)言在Windows 系統(tǒng)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了油井監(jiān)控系統(tǒng)，基于邊緣計(jì)算的智能油田物聯(lián)網(wǎng)油井監(jiān)控系統(tǒng)軟件由工藝數(shù)據(jù)采集程序、工藝數(shù)據(jù)傳輸程序、圖像抓拍與處理程序、上位機(jī)監(jiān)控管理程序四部分構(gòu)成，如圖4 所示。其中，工藝數(shù)據(jù)采集程序?qū)崿F(xiàn)井口監(jiān)測(cè)儀表數(shù)據(jù)的采集與儲(chǔ)存；工藝數(shù)據(jù)傳輸程序確保井場(chǎng)智能RTU 一方面有序接收各井口智能RTU 處理后的數(shù)據(jù)，另一方面負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)打包上傳至監(jiān)控中心，防止工藝數(shù)據(jù)傳輸混亂。圖像抓拍與處理程序負(fù)責(zé)控制井口攝像機(jī)進(jìn)行抓拍，并對(duì)抓拍圖像進(jìn)行處理與儲(chǔ)存，判斷是否有異常情況發(fā)生并進(jìn)行報(bào)警。上位機(jī)監(jiān)控管理程序?qū)Ω鞣N數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，匯成圖表并在界面顯示，記錄歷史數(shù)據(jù)，方便工人查看。

圖4 油井監(jiān)控系統(tǒng)軟件構(gòu)成

3.1 工藝數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)

基于邊緣計(jì)算的思想，井口監(jiān)測(cè)儀表的數(shù)據(jù)并不會(huì)直接上傳至監(jiān)控中心，而是先被井口智能RTU 采集，在井口智能RTU 里先行處理后再進(jìn)行上傳，以減少監(jiān)控中心的運(yùn)算壓力。

井口智能RTU 采集數(shù)據(jù)模式有定時(shí)模式和被動(dòng)模式。定時(shí)模式情況下，井口智能RTU 通過(guò)按鍵模塊對(duì)井口監(jiān)測(cè)儀表進(jìn)行采集周期定時(shí)時(shí)間設(shè)置，讀取定時(shí)時(shí)間；定時(shí)結(jié)束后，井口智能RTU 向井口監(jiān)測(cè)儀表發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令，等待井口監(jiān)測(cè)儀表響應(yīng)指令進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，對(duì)讀取后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后儲(chǔ)存在SD 卡中。被動(dòng)模式情況下，井口智能RTU被動(dòng)接收井口監(jiān)測(cè)儀表數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理后儲(chǔ)存在SD 卡中[5]。工藝數(shù)據(jù)采集流程如圖5 所示。

圖5 工藝數(shù)據(jù)采集流程

3.2 工藝數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)

為了數(shù)據(jù)傳輸順暢，給井場(chǎng)智能RTU 開(kāi)發(fā)了一個(gè)有序傳輸數(shù)據(jù)的程序，確保井口智能RTU 初步處理后的數(shù)據(jù)能夠順利傳輸至井場(chǎng)智能RTU。

工藝數(shù)據(jù)傳輸流程如圖6 所示。系統(tǒng)初始化后，在井場(chǎng)智能RTU 設(shè)置好數(shù)據(jù)上傳時(shí)間，井場(chǎng)智能RTU 定時(shí)器倒計(jì)時(shí)結(jié)束，觸發(fā)數(shù)據(jù)上傳線程。一般情況下，按照各個(gè)井口智能RTU 接到數(shù)據(jù)上傳指令的先后進(jìn)行上傳；但當(dāng)多口油井同時(shí)接收到上傳指令時(shí)，井場(chǎng)智能RTU 建立自動(dòng)輪詢制度[6]，按測(cè)量隊(duì)列有序下發(fā)的數(shù)據(jù)上傳命令開(kāi)始進(jìn)行上傳，井口智能RTU 接收指令并解析，若設(shè)備號(hào)與自身一致則執(zhí)行上傳指令，否則井口智能RTU 保持靜默等待指令。

圖6 工藝數(shù)據(jù)傳輸流程

3.3 圖像抓拍與處理程序設(shè)計(jì)

為了減少處理大量視頻的運(yùn)算壓力，基于邊緣計(jì)算的思想將視頻圖像智能分析算法寫入視頻監(jiān)控軟件，可以對(duì)井口視頻進(jìn)行人員闖入抓拍，避免無(wú)效視頻抓拍[7]。該程序設(shè)計(jì)有三種抓拍模式，即定時(shí)抓拍、人工手動(dòng)抓拍及人員闖入抓拍。井口智能RTU 可以控制攝像機(jī)進(jìn)行抓拍，三種抓拍模式實(shí)現(xiàn)了對(duì)井口圖像的有效獲取，減少了大量無(wú)效圖像的抓拍，并將抓拍圖像暫存于FTP 服務(wù)器中，按井口智能RTU設(shè)備號(hào)、抓拍視頻類型分類儲(chǔ)存，上傳至視頻監(jiān)控軟件進(jìn)行分析處理，分析結(jié)果在界面進(jìn)行顯示。圖像抓拍與處理流程如圖7 所示。

圖7 圖像抓拍與處理流程

3.4 上位機(jī)監(jiān)控管理程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)控管理流程如圖8 所示。監(jiān)控管理中心向井場(chǎng)智能RTU 發(fā)送數(shù)據(jù)上傳指令后，井場(chǎng)智能RTU 響應(yīng)后將經(jīng)過(guò)井口智能RTU 初步處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳給監(jiān)控管理中心。管理監(jiān)控中心處理后存儲(chǔ)在SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)，監(jiān)控管理中心對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[8]，對(duì)正常數(shù)據(jù)在界面進(jìn)行顯示，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警提示并記錄在系統(tǒng)日志，方便人們查看數(shù)據(jù)。

圖8 上位機(jī)監(jiān)控管理流程

4 應(yīng)用效果與分析

基于邊緣計(jì)算的智能油田物聯(lián)網(wǎng)油井監(jiān)控系統(tǒng)在中石油某采油廠投入運(yùn)行，實(shí)際應(yīng)用效果良好，分析結(jié)果如下：

（1）基于邊緣計(jì)算的智能油田物聯(lián)網(wǎng)油井監(jiān)控系統(tǒng)利用4G 網(wǎng)絡(luò)作為傳輸方式，該系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)可行、運(yùn)行可靠、節(jié)能效果良好[9]，并較好地解決了監(jiān)控效率低、處理數(shù)據(jù)緩慢及數(shù)據(jù)傳輸效率低等問(wèn)題，對(duì)油田的智能監(jiān)控建設(shè)和生產(chǎn)維護(hù)具有重要意義；

（2）基于邊緣計(jì)算的智能油田物聯(lián)網(wǎng)油井監(jiān)控系統(tǒng)在油田實(shí)際運(yùn)行中性能穩(wěn)定，能夠?qū)τ途a(chǎn)過(guò)程的基本數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與展示，對(duì)油井井口安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)能夠快速分析數(shù)據(jù)與圖像，實(shí)現(xiàn)井口生產(chǎn)安全的預(yù)報(bào)警。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）本文系統(tǒng)采用邊緣計(jì)算與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建了決策層、傳輸層、邊緣層、感知層四個(gè)層次的實(shí)時(shí)高精度連續(xù)油井監(jiān)控系統(tǒng)[10]，實(shí)現(xiàn)了油井工藝數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、傳輸、應(yīng)用分析及存儲(chǔ)等過(guò)程。

（2）基于邊緣計(jì)算的智能油田物聯(lián)網(wǎng)油井監(jiān)控系統(tǒng)前端的邊緣計(jì)算，將各種傳感器及儀表采集獲得的數(shù)據(jù)，先集中于井口智能RTU 設(shè)備進(jìn)行處理，之后再將過(guò)濾處理后的數(shù)據(jù)定時(shí)有序上傳至井場(chǎng)智能RTU。井場(chǎng)智能RTU 將各個(gè)井口智能RTU 上傳的數(shù)據(jù)打包上傳至監(jiān)控管理中心。實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)處理能力遷移至邊緣端，這樣既減少了云端處理數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)，又加快了對(duì)油井狀況數(shù)據(jù)的處理速度，保證了油井監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)油井的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（3）基于邊緣計(jì)算的智能油田物聯(lián)網(wǎng)油井監(jiān)控系統(tǒng)可以進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)高精度連續(xù)采集、處理、大數(shù)據(jù)分析，制定并優(yōu)化生產(chǎn)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)油田智能高效生產(chǎn)管控。