無線WIA-PA技術(shù)在油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用

蘇國東,舒 浩

(1.湘潭大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院,湖南 湘潭 411000;2.長沙市人社局考試中心,湖南 長沙 410000)

0 引言

在我國石油行業(yè)的發(fā)展過程中,由于國內(nèi)油田企業(yè)存在著大量分布著分散設(shè)備和傳感器的生產(chǎn)現(xiàn)場,這些設(shè)備和傳感器具有一定的可靠性要求,如果采用傳統(tǒng)的有線技術(shù),會增加企業(yè)建設(shè)成本。因此,為提升油田企業(yè)的信息化水平,降低建設(shè)成本,越來越多的企業(yè)開始關(guān)注并嘗試應(yīng)用無線WIA-PA技術(shù)進(jìn)行油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)。該技術(shù)具有組網(wǎng)靈活、功耗低、通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢特點。文章通過分析無線WIA-PA技術(shù)在油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用優(yōu)勢和國內(nèi)外油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀,對未來無線WIA-PA技術(shù)在油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中存在的問題

1.1 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用水平不高

目前,油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)雖然取得了一定進(jìn)展,但其應(yīng)用水平不高,主要體現(xiàn)在:(1)技術(shù)路線不夠明確,導(dǎo)致應(yīng)用不統(tǒng)一。目前,油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中有兩種技術(shù)路線:一種是以 ZigBee技術(shù)為代表的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)路線;另一種是以無線Wi-Fi技術(shù)為代表的無線廣域網(wǎng)技術(shù)路線。由于不同的技術(shù)路線,導(dǎo)致了油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中存在大量的系統(tǒng)不兼容問題,影響了系統(tǒng)的整體應(yīng)用效果。(2)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不完善。目前,油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中沒有一套統(tǒng)一的、具有國際影響力的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,這導(dǎo)致了系統(tǒng)之間缺乏互聯(lián)互通、共享利用等問題。

1.2 智能化程度低

當(dāng)前,油田物聯(lián)網(wǎng)的感知層主要是將傳感器接入到油田的各個生產(chǎn)裝置中,實現(xiàn)對油井、氣井、輸油管線等生產(chǎn)裝置的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測,通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的采集,但這些數(shù)據(jù)信息主要是以模擬量形式存儲在傳感器中,如溫度、壓力等。而傳感器本身的數(shù)據(jù)信息并沒有被充分挖掘和利用,導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)感知層智能化程度不高,油田生產(chǎn)過程中需要處理的數(shù)據(jù)信息沒有被充分挖掘利用,且這些數(shù)據(jù)信息不能實現(xiàn)跨組織和跨地域的共享。

1.3 數(shù)據(jù)處理能力不足

數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、應(yīng)用等各環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù),需要高效的數(shù)據(jù)處理技術(shù)來實現(xiàn)對其管理和優(yōu)化。當(dāng)前,在油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中,仍存在以下問題:(1)現(xiàn)有油田物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集終端多為通用的嵌入式設(shè)備,無法與油田現(xiàn)場環(huán)境相適配,如無法適應(yīng)油田現(xiàn)場極端惡劣的環(huán)境,容易產(chǎn)生通信故障。(2)采集終端雖然可以接入多種無線通信協(xié)議(如ZigBee、Wi-Fi、藍(lán)牙等),但由于目前相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)沒有統(tǒng)一,不同廠家間通信協(xié)議不兼容,無法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。(3)目前,多數(shù)油田物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集終端均采用有線通信方式進(jìn)行組網(wǎng),導(dǎo)致無法實現(xiàn)靈活部署、動態(tài)擴(kuò)展。

2 WIA-PA技術(shù)優(yōu)勢特點

2.1 分層的高效網(wǎng)絡(luò)組織與管理架構(gòu),實現(xiàn)千點網(wǎng)絡(luò)規(guī)模

采用無線WIA-PA技術(shù)建設(shè)油田物聯(lián)網(wǎng),將實現(xiàn)千點規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)。其優(yōu)點是:(1)無線WIA-PA網(wǎng)絡(luò)能夠快速部署,實現(xiàn)點到點覆蓋,利用無線WIA-PA的組網(wǎng)技術(shù),可以迅速建立起無線通信網(wǎng)絡(luò)。(2)無線WIA-PA網(wǎng)絡(luò)支持?jǐn)?shù)據(jù)的快速傳輸,在采集數(shù)據(jù)的同時,可實現(xiàn)信息的傳輸,降低了采集數(shù)據(jù)時延。(3)無線WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點可以實現(xiàn)獨立組網(wǎng),且擁有較高的節(jié)點安全性和可靠性。(4)無線WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點可以根據(jù)實際需要,靈活選擇工作頻段、傳輸距離等參數(shù),降低了組網(wǎng)成本。

2.2 自適應(yīng)跳頻實現(xiàn)高可靠通信,提升抗干擾能力

無線網(wǎng)絡(luò)的核心在于有效通信,而保證通信的主要因素就是節(jié)點的自適應(yīng)性。當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在工作時,通過采集通信信道數(shù)據(jù),實時調(diào)整自身工作頻率,避免和干擾信號發(fā)生沖突。這種方式無需提前設(shè)置,即可自動適應(yīng)所處信道環(huán)境,避免了人為因素造成的通信質(zhì)量波動。因此,WIA-PA技術(shù)充分利用了無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的自適應(yīng)性,極大地提高了無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的抗干擾能力[1]。

以某油田智能無線采集系統(tǒng)為例,該系統(tǒng)采用的是自適應(yīng)跳頻技術(shù),即通過采集節(jié)點的自學(xué)習(xí)能力和周圍環(huán)境信號變化情況來判斷當(dāng)前信道質(zhì)量以及對當(dāng)前傳輸狀態(tài)是否需要進(jìn)行切換,以避免高干擾環(huán)境下傳輸性能大幅降低。

2.3 聯(lián)合調(diào)度模式,保證系統(tǒng)實時性

WIA-PA的聯(lián)合調(diào)度機(jī)制分為兩種:基于物理層和基于數(shù)據(jù)鏈路層的聯(lián)合調(diào)度機(jī)制。

(1)基于物理層的聯(lián)合調(diào)度機(jī)制。當(dāng)一個節(jié)點處于空閑狀態(tài)時,其他節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài),并將當(dāng)前工作頻率及工作時間上報。同時,在數(shù)據(jù)鏈路層建立一個臨時數(shù)據(jù)信道,進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸。在空閑時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和發(fā)送。

(2)基于數(shù)據(jù)鏈路層的聯(lián)合調(diào)度機(jī)制。當(dāng)一個節(jié)點處于空閑狀態(tài)時,其他節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài),并將當(dāng)前工作頻率及工作時間上報至主站,根據(jù)當(dāng)前信道資源及工作頻率情況,決定是否重新啟動休眠節(jié)點;如果重新啟動休眠節(jié)點,則根據(jù)之前上報的工作時間發(fā)送。當(dāng)主站再次發(fā)現(xiàn)某個節(jié)點處于空閑狀態(tài)時,將該節(jié)點的工作頻率及工作時間上報至主站,根據(jù)之前上報的工作時間進(jìn)行發(fā)送,并在主站周期性地重啟休眠節(jié)點;當(dāng)重啟休眠節(jié)點后,則根據(jù)之前上報的工作時間發(fā)送;重復(fù)以上流程,直到所有節(jié)點都處于空閑狀態(tài)時,即可完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸[2]。

2.4 微秒級高精度同步,實現(xiàn)微瓦級超低功耗

在油田生產(chǎn)環(huán)境中,系統(tǒng)的采集終端設(shè)備,特別是在野外油田的應(yīng)用場景中,節(jié)點往往安裝在遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)的位置,通常是在野外、無人區(qū)、沙漠等環(huán)境中,而通信基站也往往需要保證通訊距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣,因此需要從終端設(shè)備中獲取高精度的時間同步信息。

WIA-PA技術(shù)通過優(yōu)化通信協(xié)議、調(diào)整發(fā)射功率等方式,實現(xiàn)了對同步精度的提升。其接收端可以在幾 μs內(nèi),將接收到的時間信號和發(fā)射信號進(jìn)行比較,在接收端產(chǎn)生與發(fā)射端時間偏差1～3 μs的信號,這種信號可以直接通過無線電波或光波傳送到基站進(jìn)行處理。

3 無線WIA-PA技術(shù)在油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用

3.1 智能站監(jiān)測

智能站監(jiān)測系統(tǒng)主要包含4部分:前端數(shù)據(jù)采集、傳輸網(wǎng)絡(luò)、中央控制網(wǎng)絡(luò)和通信平臺,采用無線WIA-PA技術(shù),實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理和發(fā)布,實現(xiàn)多個參數(shù)的自動控制。

前端數(shù)據(jù)采集部分包括:智能儀表、油井壓力、溫度和電機(jī)電流等。采用無線WIA-PA技術(shù),通過無線模塊將各類數(shù)據(jù)發(fā)送到采集模塊,并將采集到的數(shù)據(jù)傳送給中央控制網(wǎng)絡(luò)。

傳輸網(wǎng)絡(luò)部分包括:中心服務(wù)器和各監(jiān)測點的WIA-PA終端。中心服務(wù)器采用阿里云,可以實現(xiàn)多個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和處理。

中央控制網(wǎng)絡(luò)部分包括:智能站的無線網(wǎng)關(guān)和智能站內(nèi)各點的無線模塊。采用GPRS/CDMA通信技術(shù),將采集到的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送到中心服務(wù)器,并通過中心服務(wù)器將數(shù)據(jù)處理后,通過CDMA或GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到各個監(jiān)測點。

通信平臺部分包括:應(yīng)用軟件和Web網(wǎng)站。應(yīng)用軟件用于實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送和分析,Web網(wǎng)站用于發(fā)布數(shù)據(jù)、提供查詢和數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能。

其中,智能儀表部分由智能儀表、無線收發(fā)模塊和無線控制器組成;傳輸網(wǎng)絡(luò)部分由中心服務(wù)器、路由器和無線網(wǎng)關(guān)組成;中央控制網(wǎng)絡(luò)部分由中心服務(wù)器和無線網(wǎng)關(guān)組成;應(yīng)用軟件部分由應(yīng)用軟件和Web網(wǎng)站組成[3]。

綜上所述,在油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中,采用無線WIA-PA技術(shù),可以實現(xiàn)多個參數(shù)的自動控制,降低了監(jiān)測系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本,提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率和準(zhǔn)確度,能夠為油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供完整、可靠、高效的技術(shù)支持。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)控制中心

物聯(lián)網(wǎng)控制中心負(fù)責(zé)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和處理,包括生產(chǎn)運行、設(shè)備巡檢、能耗監(jiān)測、工藝參數(shù)、過程監(jiān)控等。通過物聯(lián)網(wǎng)控制中心可實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備操作流程的優(yōu)化,減少操作人員數(shù)量,降低勞動強(qiáng)度,提升生產(chǎn)效率。

(1)生產(chǎn)運行:對油井、水井等進(jìn)行生產(chǎn)運行狀態(tài)的監(jiān)控和分析,可以對油井產(chǎn)量和井下溫度進(jìn)行遠(yuǎn)程采集和處理。

(2)設(shè)備巡檢:通過物聯(lián)網(wǎng)控制中心的App或PC客戶端對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程巡檢,檢測設(shè)備狀態(tài)、監(jiān)測數(shù)據(jù)及報警信息等,及時發(fā)現(xiàn)和排除設(shè)備故障。

(3)能耗監(jiān)測:通過物聯(lián)網(wǎng)控制中心的App或PC客戶端對油井、水井等設(shè)備能耗進(jìn)行監(jiān)測,了解設(shè)備運行狀態(tài)、能耗情況及節(jié)能潛力,從而實現(xiàn)節(jié)能降耗。

(4)工藝參數(shù):通過物聯(lián)網(wǎng)控制中心的App或PC客戶端對油井、水井等進(jìn)行工藝參數(shù)監(jiān)測,了解生產(chǎn)工藝情況,優(yōu)化生產(chǎn)參數(shù),提高生產(chǎn)效率。

綜上所述,通過無線WIA-PA技術(shù)在油田生產(chǎn)過程中的應(yīng)用,實現(xiàn)了油田生產(chǎn)過程的信息化、智能化管理,提升了油田生產(chǎn)的效率,降低了操作人員的勞動強(qiáng)度,實現(xiàn)了油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)目標(biāo),對油田生產(chǎn)和管理具有重要意義。

3.3 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)控制中心的數(shù)據(jù)采集平臺,主要由物聯(lián)網(wǎng)終端、傳感器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控服務(wù)器構(gòu)成。

(1)物聯(lián)網(wǎng)終端:安裝在現(xiàn)場的用于采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)的各種類型傳感器,如溫度、壓力、液位等;各種類型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),如無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線油壓傳感器網(wǎng)絡(luò)等;監(jiān)控服務(wù)器:負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析,并根據(jù)用戶權(quán)限提供給用戶數(shù)據(jù)查詢、報表統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析等功能[4]。

(2)物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò):在油田現(xiàn)場部署大量各種類型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),以實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù),并根據(jù)用戶權(quán)限提供給用戶數(shù)據(jù)查詢、報表統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析等功能。

(3)無線傳感器網(wǎng)絡(luò):安裝在油田現(xiàn)場的大量各種類型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),以實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù),并根據(jù)用戶權(quán)限提供給用戶數(shù)據(jù)查詢、報表統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析等功能。

(4)監(jiān)控服務(wù)器:負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和分析,并根據(jù)用戶權(quán)限提供給用戶數(shù)據(jù)查詢、報表統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析等功能。

總之,物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過物聯(lián)網(wǎng)控制中心,將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,上傳到云平臺,并在云平臺上通過 API接口等方式實現(xiàn)與其他應(yīng)用系統(tǒng)的交互,為用戶提供了一個直觀的數(shù)據(jù)展示窗口。

4 無線WIA-PA技術(shù)在油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用前景

4.1 促進(jìn)油田開發(fā)模式的轉(zhuǎn)變

油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)將促進(jìn)傳統(tǒng)的“井下作業(yè)”模式向“井上作業(yè)+智能無人化”轉(zhuǎn)變,實現(xiàn)“井上作業(yè)+智能無人化”是油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的一個重要目標(biāo),其具體實施將促進(jìn)油田開發(fā)模式的轉(zhuǎn)變[5]。

4.1.1 智能無人化井上作業(yè)模式

采用WIA-PA技術(shù)建設(shè)的油田物聯(lián)網(wǎng),通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實時采集生產(chǎn)過程中的各種數(shù)據(jù),結(jié)合各種專家系統(tǒng)分析決策,實現(xiàn)油氣生產(chǎn)過程中的自動作業(yè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控,避免人工操作風(fēng)險,大幅提高油田生產(chǎn)效率和安全生產(chǎn)水平。

4.1.2 智能無人化井下作業(yè)模式

智能無人化井下作業(yè)是一種安全、高效的采油方法。采油廠通過在地面安裝無人值守的井下作業(yè)系統(tǒng),實時監(jiān)測井下設(shè)備運行參數(shù),并將采集的數(shù)據(jù)傳送給后臺中心管理系統(tǒng),由平臺進(jìn)行分析、判斷后做出決策,將智能無人化井下作業(yè)推向生產(chǎn)現(xiàn)場。通過對油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的深入研究,將在油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中引入智能無人化井下作業(yè)模式,從而實現(xiàn)“井下作業(yè)+智能無人化”的有機(jī)結(jié)合。

4.1.3 井筒環(huán)境監(jiān)控模式

目前,油田大多采用地面-地下一體化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行井筒環(huán)境監(jiān)控,但由于該系統(tǒng)采用有線方式傳輸數(shù)據(jù),現(xiàn)場施工難度大、成本高,不利于維護(hù),而采用WIA-PA技術(shù)建設(shè)的油田物聯(lián)網(wǎng)可以解決上述問題。

4.2 促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向縱深發(fā)展

目前,在油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中,各種技術(shù)的融合應(yīng)用、數(shù)據(jù)的融合分析和挖掘、綜合信息的整合利用等方面,都存在著許多問題和挑戰(zhàn),急需通過技術(shù)創(chuàng)新來解決。

4.2.1 物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系不健全

目前,我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展存在著標(biāo)準(zhǔn)體系不健全、標(biāo)準(zhǔn)化工作滯后等問題,缺少統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展不規(guī)范。物聯(lián)網(wǎng)是一項涉及多學(xué)科、多領(lǐng)域的技術(shù)集成工程,技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用都需要有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范作保障。

4.2.2 缺乏有效的激勵機(jī)制

由于物聯(lián)網(wǎng)是一個新興的產(chǎn)業(yè),相關(guān)政策法規(guī)制度還不健全,在一定程度上制約了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中,各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用需要一定的投入,而且對投入產(chǎn)出比的要求比較高,只有形成有效的激勵機(jī)制,才能吸引更多的社會資源進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)[6]。

4.2.3 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)需要突破

油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)涉及方方面面,包括感知層、平臺層和支撐系統(tǒng)等方面,其發(fā)展水平直接關(guān)系到整個油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的效果。目前,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要集中在智能交通、智能家居、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域,其他領(lǐng)域還沒有得到有效應(yīng)用。在油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中,需要大力加強(qiáng)與相關(guān)領(lǐng)域的合作,突破關(guān)鍵技術(shù),加快技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化和推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語

總而言之,在未來,隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟,無線WIA-PA技術(shù)將會逐漸成為油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的主流。由于無線WIA-PA技術(shù)的功耗低、組網(wǎng)靈活等特點,在油田環(huán)境監(jiān)控、井場安全監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測以及井下數(shù)據(jù)采集等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景,本文只是對其在油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步探討。相信隨著無線WIA-PA技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展,未來它將會在油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮越來越重要的作用,不僅可以推動油田物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程,還能為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。