油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準研究與應用

姚剛 楊午陽 吳海莉

摘 要：科技創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動力，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)是能源企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展的重要依托。本文闡述了新時期油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準研究工作的急迫性，通過對標準的研究與實踐，論述了油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)標準的研究方法和應用成效。

關(guān)鍵詞：油氣生產(chǎn)，物聯(lián)網(wǎng)，技術(shù)標準，應用

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2024.04.023

0 引 言

《“十四五”國家信息化規(guī)劃》中明確提出：加快推進數(shù)字化轉(zhuǎn)型，是“十四五”時期建設(shè)網(wǎng)絡(luò)強國、數(shù)字中國的重要戰(zhàn)略任務(wù)[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要途徑，利用物聯(lián)網(wǎng)賦能傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展已是大勢所趨。油氣行業(yè)迫切需要一套完整的技術(shù)標準，用于規(guī)范油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，提高系統(tǒng)建設(shè)水平，促進我國石油工業(yè)油氣生產(chǎn)領(lǐng)域的健康發(fā)展。

目前，國外先進石油公司已基本實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動采集和處理，逐漸形成了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和生產(chǎn)管理三層物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)。然而，在我國開展油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準研究之初，國內(nèi)外還沒有相關(guān)技術(shù)標準出臺，標準研究工作跟不上油氣田企業(yè)現(xiàn)代化產(chǎn)能建設(shè)需要，顯得遲緩滯后，因此，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準研究工作變得極為迫切。

1 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準研究

為規(guī)范油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，滿足油氣田企業(yè)信息系統(tǒng)及專業(yè)應用系統(tǒng)建設(shè)需要，更好地為油氣勘探生產(chǎn)服務(wù)，統(tǒng)一建設(shè)標準，保證建設(shè)質(zhì)量，提高實施效率，滿足業(yè)務(wù)需求，做到技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、安全適用、節(jié)能環(huán)保，中國石油在我國“十二五”建設(shè)時期，適時開展了油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準的研究工作。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和油氣生產(chǎn)工藝的不斷提升，技術(shù)標準在“十三五”“十四五”時期相繼進行了多次完善和修訂。

1.1 標準研究內(nèi)容與方法

中國石油油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的總體目標是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立覆蓋油氣地面生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、生產(chǎn)管理子系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、遠程監(jiān)控、生產(chǎn)預警等功能，支持油氣生產(chǎn)過程管理，促進生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，提高油氣生產(chǎn)管理水平和綜合效益[2]。

標準研究充分結(jié)合油田生產(chǎn)實際，總結(jié)共性，自主創(chuàng)新，以技術(shù)前瞻為編制原則，設(shè)計出我國陸上油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的總體架構(gòu)，如圖1所示。

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)符合GB/ T 33474-2016的要求，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)部署在井場、站場（廠）至作業(yè)區(qū)或采油氣廠層級，包括對生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)進行采集、監(jiān)控的功能；數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)包括生產(chǎn)網(wǎng)和辦公網(wǎng)，生產(chǎn)網(wǎng)部署在井場、站場（廠）、作業(yè)區(qū)或采油氣廠層級，以有線及無線方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，辦公網(wǎng)采用企業(yè)局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)；生產(chǎn)管理子系統(tǒng)部署在油氣田公司及總部，基于統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)云平臺實現(xiàn)生產(chǎn)管理、生產(chǎn)分析、生產(chǎn)優(yōu)化、預警預測等功能，滿足各級人員的油氣生產(chǎn)監(jiān)測、分析診斷、預測預警等需求[3]。

標準針對油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)功能、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、數(shù)據(jù)傳輸、生產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)管理、信息安全、施工要求等方面提出了明確要求，涵蓋系統(tǒng)功能，現(xiàn)場儀表與RTU技術(shù)（RTU數(shù)據(jù)存儲），井口通信模式，井場數(shù)據(jù)通信接口（ZigBeePro協(xié)議、WIA協(xié)議傳輸、A11-GRM無線協(xié)議），站庫控制系統(tǒng)與接口，監(jiān)控系統(tǒng)，視頻監(jiān)視設(shè)備與系統(tǒng)，傳輸網(wǎng)絡(luò)性能，傳輸技術(shù)選型（無線通信技術(shù)性能參數(shù)適用范圍、不同地理環(huán)境對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的選型、可用頻譜資源分析等），傳輸設(shè)備選型，軟硬件設(shè)計與部署，關(guān)系數(shù)據(jù)庫與實時數(shù)據(jù)庫設(shè)計，視頻接入，數(shù)據(jù)交換頻率與協(xié)議，信息安全，物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)施工等要求。

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準經(jīng)過工作調(diào)研、需求分析、編輯討論、征求意見、送審報批等研究階段，《油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)規(guī)范》（Q/SY 1722—2014）于2014年8月獲準發(fā)布，同年10月正式實施。標準的及時發(fā)布與實施促進了油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)，滿足了油氣田對油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的需求。

1.2 標準修訂與完善

標準研究與油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)同步開展。通過標準指導系統(tǒng)建設(shè)，通過系統(tǒng)建設(shè)促進標準完善與修訂。

2014版標準的實施在規(guī)范統(tǒng)一建設(shè)方面發(fā)揮著積極的作用，但是隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及油田地面工程工藝技術(shù)的不斷變化和提升對2014版標準提出了新需求。滿足油氣生產(chǎn)業(yè)務(wù)需求，適應油氣生產(chǎn)業(yè)務(wù)發(fā)展變化成為修訂標準首要任務(wù)。經(jīng)過修訂，獲準發(fā)布的Q/SY 10722—2019《油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范》于2020年3月正式實施。2019版標準主要更新了系統(tǒng)架構(gòu)和功能架構(gòu)，刪除了LTE1.8GHz接口技術(shù)、不同地理環(huán)境的通信技術(shù)選型等要求，增加了統(tǒng)一擴展的MODBUS協(xié)議等技術(shù)要求、WirelessHART傳輸要求等。2019版標準更加貼合油田建設(shè)實際，對油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)范化建設(shè)起到了極大的推動作用，同時促進了物聯(lián)設(shè)備互通互聯(lián)互換，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量與應用水平，保證了系統(tǒng)建設(shè)的一致性與可持續(xù)性，為油氣生產(chǎn)系統(tǒng)高質(zhì)、高效運行奠定了堅實的基礎(chǔ)。

然而，隨著信息技術(shù)日新月異的發(fā)展變化，為滿足前端采集設(shè)備操控的及時性與快捷性需求，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)計算逐步從云端轉(zhuǎn)向邊緣，人工智能進入邊緣應用，邊緣設(shè)備具備AI能力，實現(xiàn)設(shè)備端的智能化處理。對于各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)的爆炸式增長，利用大數(shù)據(jù)、人工智能、邊緣計算、云、視頻等技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備監(jiān)控，生產(chǎn)過程集中管理，提高生產(chǎn)效率。為了適應這種業(yè)務(wù)需求的變化，2022年《油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范》再次進行修訂，主要修訂了系統(tǒng)總體架構(gòu)，增加了邊緣計算和人工智能的技術(shù)要求，修改了數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)的部署模式，以及數(shù)據(jù)采集監(jiān)控子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、生產(chǎn)管理子系統(tǒng)的功能，刪除了部分術(shù)語和定義、LoRaWAN傳輸要求、部分LTE 1.8GHz接口技術(shù)要求等內(nèi)容。該修訂版Q/SY10722—2023《油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范》于2023年12月正式實施。

1.3 標準研究成果

中國石油油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)標準自發(fā)布實施后，經(jīng)過兩次修訂，內(nèi)容得到逐步完善，全面翔實，基本上能夠滿足當前我國陸上油氣田企業(yè)油氣生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)的需要。油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準的發(fā)布，不僅填補了我國在該技術(shù)領(lǐng)域標準的空白，而且規(guī)范了陸上油氣田油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)標準，提升了系統(tǒng)研發(fā)與應用的水平，加快了石油行業(yè)上游領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)化結(jié)構(gòu)調(diào)整的步伐，為我國油氣行業(yè)健康發(fā)展作出了積極的貢獻。

標準結(jié)合當前世界物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢，以及我國油氣生產(chǎn)行業(yè)的產(chǎn)能建設(shè)現(xiàn)狀，以智能控制和信息通信為著力點，充分考慮標準的適用性，加快共性基礎(chǔ)、關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)業(yè)急需等方面研究。同時，發(fā)揮企業(yè)在技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)化和市場推廣等方面的主體作用；充分利用現(xiàn)有基礎(chǔ)和成果，整合油氣、電子、通信等行業(yè)現(xiàn)有資源，通力合作，實現(xiàn)了標準與油氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展的完美結(jié)合。標準立足油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)功能、系統(tǒng)部署參考體系結(jié)構(gòu)等，規(guī)定了陸上油氣田物聯(lián)網(wǎng)感知、通信與應用，在系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)、性能指標、安全措施、運行管理等方面取得研究成果。

通過標準研究，在國內(nèi)率先構(gòu)建了陸上油氣生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)參考體系架構(gòu)，為陸上油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應用和功能擴展提供了統(tǒng)一技術(shù)支撐；研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)據(jù)采集與通信接口協(xié)議（A11-GRM），實現(xiàn)了不同廠商不同型號傳感器與遠程終端控制單元（RTU）之間的互聯(lián)、互通、互換，為數(shù)據(jù)的接入、系統(tǒng)的集成以及后期運行維護奠定了基礎(chǔ)；研發(fā)了基于超限預警、波動分析預警等模型和算法的油氣生產(chǎn)設(shè)備運行狀態(tài)在線實時預警和多參數(shù)的產(chǎn)量預測技術(shù)，減少了非計劃停機時間、提升了油氣田生產(chǎn)管理水平；此外，規(guī)范了油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)性能、系統(tǒng)測試等內(nèi)容，對傳感器、智能儀表遠程診斷、維護、升級及安全進行了約定，對監(jiān)測、診斷、分析算法模型庫進行了規(guī)定，實現(xiàn)油氣生產(chǎn)系統(tǒng)管理、設(shè)備管理、運行維護管理的規(guī)范化。

2 油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準應用成效

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準在中國石油天然氣集團公司下屬16家油氣田企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)中被廣泛應用。通過標準化建設(shè)，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)、協(xié)議、數(shù)據(jù)和應用的統(tǒng)一；通過系統(tǒng)應用，促進了油氣生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)流程的優(yōu)化，組織架構(gòu)的優(yōu)化，提升了油氣生產(chǎn)自動化操控水平，實現(xiàn)了信息化與工業(yè)化的深層次融合。截至2023年6月的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，標準在中國石油所屬16家油氣田XXXXX口油氣水井、X X X X座站場的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中得到成功應用，占比中國石油總油氣水井數(shù)的80%，總場站數(shù)的92%。通過建設(shè)形成了標準化設(shè)計、標準化施工、規(guī)范化運行的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與運行模式，在滿足油氣田生產(chǎn)精細化管理需要，促進了油氣生產(chǎn)業(yè)務(wù)優(yōu)化與變革，提升了油氣生產(chǎn)業(yè)務(wù)自動化與數(shù)字化水平，提高了油氣生產(chǎn)經(jīng)濟效益和安全生產(chǎn)水平。同時加快了企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，在經(jīng)營管理方面取得顯著的應用成效。

制定標準的目的是“為在一定的范圍內(nèi)獲得最佳秩序”和“促進最佳的共同效益”[4]，是為發(fā)展社會經(jīng)濟、促進技術(shù)進步，改進產(chǎn)品質(zhì)量，以適應社會發(fā)展和人民生產(chǎn)生活的需要[5]。通過標準研究，有效指導了全公司油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)，實現(xiàn)了井場、中小型站場無人值守，大型站廠少人集中監(jiān)控等，提高了生產(chǎn)時率、提升了管理水平、優(yōu)化了一線用工、降低了生產(chǎn)成本和安全風險，支撐了油氣生產(chǎn)新型作業(yè)區(qū)建立，實現(xiàn)企業(yè)提質(zhì)增效高質(zhì)量發(fā)展。通過標準應用，加快了中國石油油氣生產(chǎn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，智能化發(fā)展的步伐，同時，促進生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，提升油氣生產(chǎn)管理水平，為企業(yè)取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

2.1 標準應用經(jīng)濟效益分析

標準的應用依托于中國石油油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)項目。根據(jù)中國石油信息化建設(shè)項目價值評價方法，基于提高人員效率，節(jié)省人工成本；減少地面工程投資；減少油井開采集輸成本；減少生產(chǎn)維護成本；減少產(chǎn)量損失；減少業(yè)務(wù)相關(guān)功能的自有信息系統(tǒng)投入等6個定量效益點做分析。自標準實施至2021年底，因油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)共減少一線用工X萬余人。對其中五家油氣田（遼河油田、吉林油田、華北油田、玉門油田、煤層氣公司）進行評估計算：近3年共產(chǎn)生經(jīng)濟效益XXXXX萬元。在定性方面，通過標準化油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，實現(xiàn)了井場、站場電子巡檢，減少了人工巡檢工作量；促進工藝流程、生產(chǎn)流程優(yōu)化簡化；實時預測預警，提高了油氣生產(chǎn)時率，助力增產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)；實現(xiàn)了生產(chǎn)方式、管理模式轉(zhuǎn)變、組織結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了工作效率。同時，標準實施帶動了國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)、儀器儀表、通信等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2.2 標準應用社會效益評價

油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)技術(shù)標準為我國油氣田數(shù)字化建設(shè)提供了技術(shù)原則與方法，使建設(shè)工作“有規(guī)可依”。促進了物聯(lián)設(shè)備互通、互聯(lián)、互換，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量與應用水平；保證系統(tǒng)建設(shè)的一致性與可持續(xù)性，為系統(tǒng)高質(zhì)、高效運維工作奠定了基礎(chǔ)；促進了油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)在整個行業(yè)的標準化應用與健康發(fā)展；促進了油氣田生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變，生產(chǎn)組織方式變革；促進產(chǎn)業(yè)從勞動密集型向知識密集型的轉(zhuǎn)變；有效降低油氣生產(chǎn)成本，提升了油氣生產(chǎn)現(xiàn)代化管理水平。同時，改善了生產(chǎn)一線員工生產(chǎn)生活環(huán)境，將“藍領(lǐng)變白領(lǐng)”，提高了員工的幸福指數(shù)。

標準研究與應用對整個油氣行業(yè)健康發(fā)展具有現(xiàn)實的指導意義，提升企業(yè)發(fā)展質(zhì)量和效益，助推了國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，促進了油氣生產(chǎn)信息化與工業(yè)化的高層次融合，對我國石油企業(yè)上游領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響。

3 結(jié) 語

中國石油通過對油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標準的研究與應用，在優(yōu)化生產(chǎn)流程、優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)、提高生產(chǎn)效率、提升管理水平、減輕一線員工勞動強度、降低生產(chǎn)成本和安全風險等方面發(fā)揮了積極的作用。標準在中國石油得以全面應用，為企業(yè)創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟和社會效益，同時，標準也得到了我國油氣行業(yè)的高度認可。但是隨著我國陸上油氣生產(chǎn)工藝的優(yōu)化，信息技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新，以及油田生產(chǎn)管理方式的轉(zhuǎn)變，標準在研究、執(zhí)行和技術(shù)創(chuàng)新等方面還有進一步提升的空間，以滿足國家產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新需求。

參考文獻

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作者簡介

姚剛，碩士，高級工程師，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)標準。

楊午陽，博士，教授級高級工程師，研究方向為物探技術(shù)與信息技術(shù)。

吳海莉，碩士，高級工程師，研究方向為信息技術(shù)。

（責任編輯：袁文靜）