基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油氣信息工程發(fā)展趨勢分析

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；油氣信息工程；勘探開采；發(fā)展趨勢

引言

油氣行業(yè)作為國民經(jīng)濟(jì)的命脈，其發(fā)展與信息化建設(shè)水平密切相關(guān)。近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起為油氣行業(yè)的信息化進(jìn)程注入了新的活力，通過部署傳感器、無線通信網(wǎng)絡(luò)等，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用使勘探開采過程中的海量數(shù)據(jù)得以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采集和處理，從而有效提高了資源開發(fā)效率和管理水平。

一、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油氣信息工程中的應(yīng)用

（一）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的概念

物聯(lián)網(wǎng)是應(yīng)用射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)及激光掃描器等傳感器設(shè)備，實(shí)時(shí)采集所需信息，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸、計(jì)算機(jī)處理后實(shí)現(xiàn)信息共享和交換的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)所有物品的互聯(lián)互通，為它們提供智能化識別、定位、跟蹤及監(jiān)控等功能。簡而言之，物聯(lián)網(wǎng)就是將所有物品連接起來，賦予它們獨(dú)特的身份和虛擬形態(tài)，促成物與物、人與物之間的智能互動。這一技術(shù)的核心包括無線RFID技術(shù)、中間件技術(shù)以及智能處理技術(shù)等。

（二）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油氣勘探中的應(yīng)用

在油氣勘探階段主要應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)和無線通信技術(shù)。傳感器技術(shù)可以監(jiān)測和采集勘探現(xiàn)場多維數(shù)據(jù)，如地質(zhì)構(gòu)造、鉆井?dāng)?shù)據(jù)等；無線通信技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，降低布線成本和難度。通過構(gòu)建地理信息系統(tǒng)和三維地質(zhì)建模系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以高效處理勘探數(shù)據(jù)，為后續(xù)分析提供強(qiáng)大支持。整個(gè)勘探過程可通過多層次無線傳感網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)控；物聯(lián)網(wǎng)助力實(shí)時(shí)追蹤和監(jiān)控鉆井設(shè)備，有助于配置設(shè)備、確保安全施工。

（三）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油氣開采中的應(yīng)用

在油氣開采階段，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程監(jiān)控、設(shè)備管理以及儲運(yùn)監(jiān)管等多個(gè)環(huán)節(jié)。安置在油田生產(chǎn)設(shè)備上的各類傳感器，可實(shí)時(shí)采集壓力、溫度以及液位等生產(chǎn)數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不僅利用無線網(wǎng)絡(luò)高效地傳輸這些數(shù)據(jù)，還結(jié)合大數(shù)據(jù)分析和可視化技術(shù)，為生產(chǎn)監(jiān)控和決策提供了有力支持。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還能對油氣儲運(yùn)設(shè)施，如管道和儲罐，進(jìn)行遙感監(jiān)測，確保其安全運(yùn)行。此外，該技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)對重大設(shè)備全生命周期的管理，從而優(yōu)化設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)。

二、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油氣信息工程發(fā)展趨勢

（一）智能化趨勢

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為油氣信息工程注入了智能化發(fā)展動力。傳統(tǒng)的油氣生產(chǎn)過程依靠大量人工干預(yù)和經(jīng)驗(yàn)判斷，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化和智能化。具體表現(xiàn)為：基于物聯(lián)網(wǎng)采集的海量數(shù)據(jù)，可通過大數(shù)據(jù)分析挖掘內(nèi)在規(guī)律，為智能決策提供依據(jù)；智能控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備的自動控制和優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率；人工智能技術(shù)可模擬專家經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行，現(xiàn)場作業(yè)人員可隨時(shí)通過智能終端設(shè)備查閱相關(guān)信息、輔助作業(yè)決策。

（二）集成化趨勢

油氣信息工程呈現(xiàn)出系統(tǒng)集成化發(fā)展趨勢。傳統(tǒng)油氣生產(chǎn)環(huán)節(jié)存在信息孤島問題，系統(tǒng)之間缺乏集成和共享，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用則為不同系統(tǒng)的有機(jī)融合創(chuàng)造了條件。物聯(lián)網(wǎng)感知層能實(shí)現(xiàn)對油氣全生命周期的數(shù)據(jù)采集，為集成奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；中間件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的無縫連接。在此基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建統(tǒng)一的資源管理平臺，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可集成鉆井、生產(chǎn)、運(yùn)輸、銷售等不同系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)協(xié)同。集成化可以提高資源配置效率，避免重復(fù)建設(shè)。

（三）綠色化趨勢

油氣開發(fā)對環(huán)境造成一定影響，而新興技術(shù)的融合應(yīng)用推動油氣信息工程朝著綠色環(huán)保方向發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)可通過環(huán)境監(jiān)測實(shí)現(xiàn)對生態(tài)環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并采取優(yōu)化措施；集成化信息平臺可優(yōu)化決策，減少不必要的能源消耗和污染排放；智能化技術(shù)可提高生產(chǎn)效率，降低資源消耗；無線傳感等技術(shù)可減少布線等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

三、基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油氣信息工程發(fā)展策略

（一）加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新

1.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油氣領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用應(yīng)當(dāng)遵循“高精尖、綠色智能”的發(fā)展路徑。傳感技術(shù)創(chuàng)新能突破低功耗、微型化、智能化等技術(shù)瓶頸，開發(fā)出適用于極端油氣田環(huán)境的高精度、高可靠傳感器陣列。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的“眼睛和耳朵”，直接決定了數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，是整個(gè)信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)，但目前常規(guī)傳感器在野外復(fù)雜環(huán)境中仍面臨諸多挑戰(zhàn)：能耗較大，電池續(xù)航時(shí)間有限；體積偏大，難以實(shí)現(xiàn)微型化集成；智能化程度不高，數(shù)據(jù)處理能力較弱，

低功耗技術(shù)方面需突破功耗管理電路設(shè)計(jì)、低功耗模擬前端等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)傳感器的超低功耗設(shè)計(jì)；可借鑒綠色物聯(lián)網(wǎng)等新理念和新技術(shù)，利用能量采集和存儲技術(shù)等，為傳感器獲取長期工作電源。微型化方面，需攻克微納米制造工藝、集成電路設(shè)計(jì)等難題，實(shí)現(xiàn)芯片級傳感器的高密度集成；未來的研究可以通過納米材料和微系統(tǒng)制造等尖端技術(shù)，研制出微型化甚至可植入式的智能傳感器。智能化方面，要加強(qiáng)人工智能算法與傳感器的融合創(chuàng)新，賦予傳感器數(shù)據(jù)處理和自主決策能力。

無線通信網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的“神經(jīng)系統(tǒng)”，對于油氣田區(qū)這種遠(yuǎn)距離、復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用場景，現(xiàn)有通信技術(shù)仍顯不足。無線通信技術(shù)創(chuàng)新需在頻譜利用、電磁兼容和抗干擾等方面有所突破，實(shí)現(xiàn)傳輸距離更遠(yuǎn)、更加安全可靠的無線通信：在頻譜資源利用方面，創(chuàng)新共存技術(shù)、認(rèn)知無線電等先進(jìn)通信技術(shù)，提高頻譜利用效率；在電磁兼容方面，加大對強(qiáng)電磁環(huán)境影響的研究力度，提升設(shè)備抗干擾能力；在傳輸距離方面，需突破現(xiàn)有技術(shù)封閉空間傳輸距離的局限性，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高速傳輸。

2.信息處理技術(shù)創(chuàng)新

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必須與信息處理技術(shù)相結(jié)合，才能真正發(fā)揮作用。未來的研究需加強(qiáng)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵算法的創(chuàng)新，如優(yōu)化大規(guī)模并行計(jì)算、分布式存儲算法，提升處理海量時(shí)空數(shù)據(jù)的能力；優(yōu)化機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等智能算法，增強(qiáng)對復(fù)雜油氣大數(shù)據(jù)的分析和預(yù)測能力。

鑒于油氣物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用會產(chǎn)生大量異構(gòu)、分布式的時(shí)空數(shù)據(jù)，對信息處理能力提出了巨大挑戰(zhàn)，僅憑常規(guī)算法無法滿足需求。未來的研究需加強(qiáng)相關(guān)基礎(chǔ)理論和算法創(chuàng)新，在云計(jì)算、分布式計(jì)算等基礎(chǔ)理論方面優(yōu)化資源管理、調(diào)度和虛擬化算法，實(shí)現(xiàn)海量異構(gòu)資源的高效整合利用；在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，創(chuàng)新時(shí)空大數(shù)據(jù)并行處理、快速索引查詢等算法，提升對油氣時(shí)空數(shù)據(jù)的處理和存儲能力；針對數(shù)據(jù)流計(jì)算、圖計(jì)算等新興計(jì)算模型，也需加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究，推動算法創(chuàng)新[1]。

在人工智能算法方面，未來的研究應(yīng)加強(qiáng)機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)在油氣領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。機(jī)器學(xué)習(xí)可自動挖掘油氣大數(shù)據(jù)蘊(yùn)含的內(nèi)在規(guī)律，通過建模和優(yōu)化，為生產(chǎn)決策提供有力支持；深度學(xué)習(xí)能夠從視頻、圖像等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵特征，為設(shè)備檢測、故障診斷等任務(wù)賦能；還可結(jié)合強(qiáng)化學(xué)習(xí)等新興算法，培育出具備自主學(xué)習(xí)和持續(xù)優(yōu)化能力的智能系統(tǒng)。

此外，未來的研究還需加強(qiáng)數(shù)字化建模、虛擬現(xiàn)實(shí)等應(yīng)用技術(shù)的創(chuàng)新。數(shù)字化建模技術(shù)可對復(fù)雜的油氣系統(tǒng)構(gòu)建高效、精準(zhǔn)的數(shù)字孿生模型，模擬各種生產(chǎn)工況，為生產(chǎn)運(yùn)行優(yōu)化提供支持。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)新則需聚焦人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)身臨其境的場景可視化和沉浸式交互體驗(yàn)功能?；诳梢暬?jì)算等算法，智能可視化決策支持系統(tǒng)的信息表達(dá)能力也將得到顯著提升，從而為油氣田區(qū)運(yùn)營管理提供更加直觀、高效的技術(shù)支撐。

（二）完善標(biāo)準(zhǔn)體系

1.數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為了實(shí)現(xiàn)油氣全生命周期的數(shù)據(jù)互操作性，未來應(yīng)在數(shù)據(jù)層面采取統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型及編碼規(guī)則，規(guī)范各類油氣生產(chǎn)數(shù)據(jù)的描述；利用數(shù)據(jù)模型對油氣生產(chǎn)各環(huán)節(jié)涉及的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象建模，明確其數(shù)據(jù)元素、結(jié)構(gòu)及關(guān)系等；在此基礎(chǔ)上制定數(shù)據(jù)編碼規(guī)則，為各類數(shù)據(jù)分配唯一代碼，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)。數(shù)據(jù)模型與編碼規(guī)則的統(tǒng)一可確保不同系統(tǒng)間對數(shù)據(jù)的理解一致，避免因編碼混亂導(dǎo)致的數(shù)據(jù)失真及理解偏差。數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)需對接口定義、數(shù)據(jù)格式、交換機(jī)制等進(jìn)行規(guī)范，使各類異構(gòu)系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)無縫數(shù)據(jù)交換與共享，可借鑒現(xiàn)有的通用數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，如ISO TC184/SC4標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合油氣行業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行定制擴(kuò)展。統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)可確保上下游系統(tǒng)之間互聯(lián)互通，是實(shí)現(xiàn)油氣全生命周期系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)[2]。

數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化還需要考慮數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)、元數(shù)據(jù)定義等方面。針對海量油氣大數(shù)據(jù)的存儲管理需求，構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)模型，規(guī)范數(shù)據(jù)庫模式設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)組織方式等，以提高數(shù)據(jù)查詢效率，方便統(tǒng)計(jì)分析。元數(shù)據(jù)作為描述數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)，其標(biāo)準(zhǔn)化對于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、交換、集成至關(guān)重要。因此，需制定統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，明確元數(shù)據(jù)的格式、內(nèi)容等，使得數(shù)據(jù)資源和數(shù)據(jù)流程管理具有一致性，提高數(shù)據(jù)資產(chǎn)的可管理性。

2.技術(shù)規(guī)范化

傳感器技術(shù)規(guī)范需明晰傳感器參數(shù)、功能、安放位置等需求，以保證數(shù)據(jù)采集的精確和全面：設(shè)定傳感器性能指標(biāo)規(guī)范，規(guī)定其測量范圍、精度、分辨率、響應(yīng)時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)；并依據(jù)不同工作環(huán)境對傳感器提出個(gè)性化需求，規(guī)范傳感器的功能特性，明確測量目標(biāo)與原理，避免功能重復(fù)造成的資源浪費(fèi)[3]。

通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)旨在確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，其內(nèi)容包括無線網(wǎng)絡(luò)布局、信號強(qiáng)度及覆蓋區(qū)域等方面。該標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的頂層規(guī)劃，包括網(wǎng)絡(luò)布局、層次構(gòu)成、節(jié)點(diǎn)分配等，以實(shí)現(xiàn)高效、可靠的網(wǎng)絡(luò)通信；并以此為基礎(chǔ)制定信號質(zhì)量要求，包括信號強(qiáng)度限制、時(shí)延抖動、錯誤碼率等，以確保數(shù)據(jù)在遠(yuǎn)距離傳輸中的穩(wěn)定性；此外，對網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積和接入節(jié)點(diǎn)數(shù)量也應(yīng)作出明確規(guī)定，確保物聯(lián)網(wǎng)全面覆蓋油氣田區(qū)。

信息集成技術(shù)規(guī)范涉及中間件、總線技術(shù)、安全防護(hù)等方面，以實(shí)現(xiàn)油氣全生命周期信息系統(tǒng)的集成共享。制定統(tǒng)一的中間件技術(shù)規(guī)范，需要規(guī)范中間件的架構(gòu)模式、開發(fā)規(guī)范、部署方式等方面，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)系統(tǒng)的無縫集成。制定工業(yè)總線、現(xiàn)場總線等通信總線技術(shù)規(guī)范，是為了確保不同系統(tǒng)、設(shè)備在物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的互聯(lián)互通。信息安全防護(hù)也是重中之重，需要在訪問控制、數(shù)據(jù)加密、入侵檢測等多個(gè)層面建立嚴(yán)格的安全規(guī)范[4]。

（三）加大人才培養(yǎng)力度

1.復(fù)合型人才培養(yǎng)

復(fù)合型人才是指掌握多學(xué)科知識，具有多種技能的綜合性人才。基于物聯(lián)網(wǎng)的油氣信息工程涉及多學(xué)科交叉融合，對從業(yè)人員的知識面、能力要求呈現(xiàn)出復(fù)合化趨勢。復(fù)合型人才一要具備深厚的自然科學(xué)基礎(chǔ)知識（數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等），二要精通油氣工程專業(yè)理論與技術(shù)（油氣地質(zhì)、儲層力學(xué)及開采工藝等），三要熟練掌握信息科技與自動化控制知識（計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、自動控制、嵌入式系統(tǒng)等），四要具備數(shù)據(jù)分析和信息系統(tǒng)建模技能知識（大數(shù)據(jù)分析、人工智能、系統(tǒng)集成等）。除夯實(shí)理論功底外，培養(yǎng)復(fù)合型人才還要重視其實(shí)踐能力的培養(yǎng)，通過加強(qiáng)案例教學(xué)，融入真實(shí)的工程問題和案例分析環(huán)節(jié)，加大實(shí)訓(xùn)實(shí)習(xí)的力度，為學(xué)生提供實(shí)操場景和模擬訓(xùn)練條件：通過組織科研項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的科技創(chuàng)新能力；注重知識遷移和復(fù)合應(yīng)用能力培養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生跨領(lǐng)域思考、解決復(fù)雜問題[5]。

2.專業(yè)化人才培養(yǎng)

復(fù)合型人才需要有宏觀視野和整體把控能力，而專業(yè)化人才則需要在某一領(lǐng)域或某一專業(yè)技能上擁有深厚的知識和技能積淀?；谖锫?lián)網(wǎng)的油氣信息工程涉及感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等多個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要相應(yīng)的專業(yè)人才。感知層的建設(shè)需要培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)感知專業(yè)人才，包括傳感器設(shè)計(jì)開發(fā)者、RFID技能專家等，他們需精通精密測量、模擬信號處理、無源電子技術(shù)等技能，能夠研發(fā)適應(yīng)油氣工況的各類傳感器，并承擔(dān)傳感器的裝配與維護(hù)職責(zé)。網(wǎng)絡(luò)層的建設(shè)需培養(yǎng)通信網(wǎng)絡(luò)及信息安全領(lǐng)域的專業(yè)人士，包括無線通信工程師、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃師、系統(tǒng)安全專家等。他們須精通無線電頻率、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⑿诺谰幋a等專業(yè)技術(shù)，能夠構(gòu)建覆蓋油氣田區(qū)的高效可靠通信網(wǎng)絡(luò)，保障網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。應(yīng)用層的建設(shè)需培養(yǎng)具備信息系統(tǒng)專業(yè)知識的人才，如數(shù)據(jù)庫工程師、系統(tǒng)集成工程師、AI專家等，他們需熟練掌握結(jié)構(gòu)化查詢語言、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法等專業(yè)知識和技能，建立高效能的油氣信息系統(tǒng)平臺，以實(shí)現(xiàn)智能化決策支持。

結(jié)語

展望未來，深化物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油氣行業(yè)的應(yīng)用將是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。這一舉措不僅能夠顯著提升油氣開采的效率與安全性，還能借助智能化管理手段有效減輕對環(huán)境的影響，推動綠色開采的實(shí)現(xiàn)。每一次技術(shù)的創(chuàng)新都可能引領(lǐng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的新一輪變革，促使油氣行業(yè)朝著更高效、更環(huán)保、更可持續(xù)的方向穩(wěn)步前行。通過不懈的努力與技術(shù)革新，油氣行業(yè)將實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)保護(hù)的雙贏，為人類的可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)積極力量。