基于修井作業(yè)數字化現場視頻監(jiān)控系統的應用

黃微?張雨平?陶俊亦

摘要：針對修井作業(yè)現場人工巡檢效率低、工人勞動強度大、存在不安全隱患等問題，通過分析修井現場視頻監(jiān)控系統功能要求提出了一種基于修井數字化作業(yè)現場的視頻在線監(jiān)控系統，實現對不同區(qū)域修井現場的集中數據采集、遠程監(jiān)控、視頻圖像存儲、視頻會議等功能。介紹了視頻監(jiān)控系統的硬件組成并開發(fā)了監(jiān)控系統界面。經現場應用和調試表明，該修井作業(yè)視頻監(jiān)控系統可以實時監(jiān)控修井現場，降低了工人勞動強度，大大提高了監(jiān)控效率，取得了滿意的應用效果。

關鍵詞：修井；修井作業(yè)數字化現場；在線監(jiān)控；系統開發(fā)

一、前言

隨著人工智能、大數據、物聯網技術進入快速發(fā)展階段，按照川慶公司數字化轉型整體規(guī)劃，需加快推進修井作業(yè)現場數字化轉型。目前，與鉆井數字化現場[1]相比，修井作業(yè)現場數字化程度相對較低，修井作業(yè)機設備老舊，尚未建立數據采集、視頻監(jiān)控系統，工程技術等相關部門無法及時準確掌握現場施工動態(tài)，依靠電話溝通、人工巡檢。為此，本文通過分析修井現場的監(jiān)控系統功能要求，設計了修井現場視頻監(jiān)控系統并開發(fā)了配套監(jiān)控界面，完成了硬件系統選型和軟件系統[2]開發(fā)，經現場調試和應用，驗證了方案的合理性和可行性，實現了視頻監(jiān)控與修井作業(yè)數字化現場的有機融合，與安全生產相關內容從業(yè)務流、數據流融為一體。

二、監(jiān)控系統開發(fā)功能要求

目前，修井監(jiān)控由大量在崗工人完成，通過工人到修井一線現場查看施工進度、施工情況、安全隱患，利用肉眼查看并記錄工程數據，根據記錄的工程數據判斷現場情況。這樣的監(jiān)控方式監(jiān)控數據誤差大、精度低，并且需要大量在崗工人完成。為此，本文提出了修井作業(yè)視頻監(jiān)控系統，該系統不僅可以代替工人完成數據采集，還可以實現視頻監(jiān)控與實時數據動態(tài)采集，包括以下4項內容：第一，工程數據實時監(jiān)測。修井作業(yè)視頻監(jiān)控系統要求實時獲取修井現場的工程動態(tài)參數，取代人工去現場查看數據。第二，視頻監(jiān)控。修井作業(yè)視頻監(jiān)控系統應具備遠程監(jiān)控功能，避免工人在現場進行巡檢，大大降低工人勞動強度，提高作業(yè)效率。第三，遠程指揮。為解決基地與現場溝通不及時與溝通頻率低等問題，修井作業(yè)視頻監(jiān)控系統應具備遠程指揮功能，避免工人在現場進行隨意操作、等停時間長的問題，提高作業(yè)效率。第四，視頻監(jiān)控系統與修井作業(yè)數字化現場的融合。打通修井現場與修井作業(yè)數字化現場的通道，實現視頻監(jiān)控系統在修井作業(yè)數字化現場中的展示。

三、視頻監(jiān)控系統整體方案設計

根據修井現場視頻監(jiān)控系統功能要求，可以得出修井作業(yè)視頻監(jiān)控系統需要使用傳感器和視頻監(jiān)控設施實時監(jiān)控修井現場數據及設備。在井控裝置中，某些壓力表會因為量程高、低或壓力損壞發(fā)現不及時造成數據不準確，需要設置壓力傳感器采集壓力信號。此外，儲備罐的液面波動會造成人工測量不準確，需要設置液位傳感器采集液面數據。搭建的老井修井現場遠程監(jiān)控系統整體方案設計如圖1所示。

由圖1可知，修井作業(yè)視頻監(jiān)控系統由設備端、數據采集與傳輸、后臺展示三個部分組成。

設備端由防爆攝像頭、數據檢測傳感器、防爆電池組等組成。防爆攝像頭用于現場環(huán)境、設備設施監(jiān)控。數據檢測傳感器用于檢測修井現場設備運行狀態(tài)的各項參數、大容量可充電鋰電池為整個監(jiān)控單元提供電力能源。數據傳輸由無線網橋、采集器等組成，井場網絡基于信息與通信技術中心和油田工程研究院在2018年發(fā)布的《基于A12的鉆完井決策支持中心井場信息化組網設備標準及運維方案》，組建基于有線和無線網橋[3]的混合局域網，用于專業(yè)數據、音視頻、辦公數據傳輸，數據匯集后通過衛(wèi)星小站傳輸至油田基地中心站點后接入辦公網，所有網絡接入都需要經過授權才允許接入，屬地管理歸修井工程師。后臺展示設備端的視頻、數據采集的數據、發(fā)起視頻對話，并自動生成實時曲線、實時數據、實時視頻、歷史曲線、歷史數據、歷史視頻。

四、硬件系統設計與軟件編程

（一）視頻監(jiān)控主要硬件

視頻監(jiān)控的硬件系統主要由傳感器、攝像頭、無線網橋、采集器[4]等組成，攝像頭可與現場連線實時采集現場的運行情況，并將采集的信息通過無線模塊發(fā)送到數據處理終端。傳感器主要包括壓力、溫度、液位，通過傳感器可以監(jiān)測到修井現場的施工參數，并發(fā)送到信號處理器進行處理分析，設備型號見表1。

全天候防爆高清紅外一體化攝像儀：采用200萬像素高清攝像頭，主要用于設備設施、現場環(huán)境的視頻監(jiān)控。

攝像機防爆電池組：由3顆32650磷酸鐵鋰組成的9.6V6.5AH的電池組，具有高容量、出色的循環(huán)壽命、優(yōu)秀的高低溫性能、電壓輸出穩(wěn)定、自放電小、雙重安全保護、高抗振和抗沖擊能力。當嵌入式智能運行管理模塊檢測到無市電的情況下可為設備提供30分鐘工作時間，支持電池容量擴展。

無線網橋：安裝于井場內較高位置，負責將井場內所有的數據采集、傳輸、轉換為以太網數據模式，再接入井場的無線Wi-Fi系統。同時，使用攝像機防爆無線模塊實現井場內無線Wi-Fi的全覆蓋，成功解決了數據線纜鋪設中的一系列難點，包括線纜種類多而雜、線纜本身容易受損、需要專業(yè)技術人員進行接口對接、水平線纜管理的復雜性等，從而實現井場內部的數據傳輸與共享。

采集器：將現場攝像機防爆無線模塊獲取的數據進行本地展示、本地存儲和上傳，內配置視頻數據存儲單元，視頻數據存滿后循環(huán)覆蓋，支持存儲擴展，保障長修井、老井、周期井的全井視頻本地存儲。

攝像機防爆無線模塊：直接與攝像頭相連，使用TCP/IP協議獲取并傳輸視頻數據至中心端的數據采集器。

雷達液位計：采用諾盈佳業(yè)高頻雷達液位計NYRD806來測量循環(huán)罐的液位，其工作原理是通過發(fā)送和接收電磁波信號實現測量。雷達傳感器的天線以波束的形式發(fā)射電磁波信號，在被測物料表面產生反射后由天線接收回波信號。在發(fā)射和反射波束中的每個點都使用超聲采樣的方式進行數據采集，經過智能處理器的處理，計算出介質與探頭之間的距離，以供顯示、報警和操作等用途。

壓力傳感器：測液體或氣體的壓力直接作用于傳感器的膜片上，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發(fā)生變化。通過電子線路檢測電阻值的變化，并將其轉換為一個標準測量信號（通常是4～20mA信號），用于監(jiān)測并輸出對應于壓力數值，達到實時監(jiān)測被測液體或氣體的壓力值的目的。

懸重：壓力傳感器會由于懸重變化產生不同的壓力值，壓力值與懸重重量比值呈線性關系。可根據多組懸重與壓力的比值，得到近似線性常數K。改造后的操作過程中，根據壓力傳感器的讀數以及常數K，即可計算出對應的懸重，以此實現對懸重數據的實時采集。

溫度傳感器：作用在于將溫度值轉化為一個標準化的輸出信號傳送出去，通過將被測主回路的交流電流轉換為一個穩(wěn)定的恒流環(huán)標準信號，將該信號連續(xù)傳輸到接收裝置，實現對液體溫度的監(jiān)測。其原理涉及以下流程：采用熱電偶、熱電阻作為測溫元件，由測溫元件產生溫度相關的信號送至溫度傳感器模塊，在溫度傳感器模塊內經過一系列電路處理步驟，包括穩(wěn)壓濾波、運算放大、非線性校正、V/I轉換、恒流及反向保護等，最終將溫度信號轉換為與溫度呈線性關系的4～20mA電流信號。

（二）數據采集中心端功能模塊及特性

1.數據采集中心端特征

（1）高穩(wěn)定性：8年現場經驗積累，品質、質量有保障。

（2）小型化、輕量化、智能化：體積、重量減少70%，全面推進智能化。

（3）靈活組網：全無線覆蓋、無線橋接、4G路由、快速部署。

（4）根據需求，自主研發(fā)：高開放度，模塊可選，標準協議開放對接。

（5）工業(yè)級無風扇：封閉式機箱、鰭片被動散熱、防塵、防潮、防震動、防爆。

（6）工業(yè)協議轉換：全業(yè)務協議采集、轉換傳輸。

（7）新特性：斷點續(xù)傳、可選后備電源、智能運行。

2.中心端物理性能指標

硬件架構模塊化設計，內部模塊間通信和控制器采用主板總線轉發(fā)模式。各模塊間數據通信通過交換模塊和數據總線完成，控制模塊通過電氣總線完成各模塊的電源管理、狀態(tài)采集、環(huán)境參數（溫濕度、電壓電流、資源占用等）采集。硬件適應能力見表2。

3.存儲模塊

數據采集中心端內置大容量數據存儲單元，現場采集的數據可全部本地存儲。

中心端配置256GB實時數據存儲單元（單井現場實時數據120天存儲周期容量約為20～35GB ），完全滿足井場存儲需求。

中心端配置4TB的機械硬盤：單井現場2路720P視頻30天存儲周期容量約為1.5TB，完全滿足井場視頻數據存儲需求。視頻數據存滿后循環(huán)覆蓋，支持存儲擴展，保障長修井、周期井的全井視頻存儲。

在遠程傳輸網絡中斷時，中心端對未上傳數據進行標記。網絡恢復時，進行數據的斷點續(xù)傳。

4.網絡模塊

數據采集中心端集成工業(yè)級網絡通信模塊，滿足井場實時數據、視頻數據傳輸帶寬優(yōu)先級控制需求。對內支持現場Wi-Fi組網、橋接（可選），可滿足不同場景組網需求并快速部署。對外出口支持運營商網絡4G以及衛(wèi)星、光纖寬帶（可選）。

中心端集成2.4G、5.8G雙頻基站，組建無線局域網，實現音視頻、專業(yè)數據、辦公數據的網絡傳輸。中心端還為流動作業(yè)設備終端提供接入熱點功能。

中心端匯聚數據后，通過4G網絡模塊將數據傳輸到油田基地中心站辦公網絡。

5.數據監(jiān)控

井下作業(yè)采集器設有一臺操作站。操作站從數據采集器中心端讀取現場實時數據，并提供友好的人機交互界面。井下作業(yè)采集器操作站可提供歷史數據查詢。

6.視頻監(jiān)控

井下作業(yè)采集器操作站集成了視頻監(jiān)控模塊，支持多路主流網絡攝像機無線接入，可實現對井場、井口實時視頻監(jiān)控。具有井場本地顯示、存儲及無線上傳等功能，視頻數據可壓縮上傳，遠程回放。

視頻監(jiān)控模塊特性：

（1）基于監(jiān)控視頻內容組成的運動目標和背景分開提取，并且充分利用幀間差異建立新型的存儲格式。

（2）存儲效果比現有主流壓縮方式降低40%～50%，最高可降低60%～80%。

（3）支持CIF、DI、720P、1080P多種視頻碼流。

（4）最大可支持8路1080P視頻輸入。

（5）支持無線接入前端攝像機。

（6）H.264及H.265視頻數據編碼。

（三）軟件系統

為了滿足實時數據在井場端的顯示，在應用硬件設備采集數據的同時，也開發(fā)了一套適用于老井修井現場的軟件系統。軟件系統包含兩個模塊：RTU嵌套軟件、數據采集器嵌套軟件。

RTU嵌套軟件是一種實時操作系統（RTOS），其特點在于包含一段有效代碼，用于循環(huán)掃描輸入和監(jiān)控通信端口，以連接到后端監(jiān)控中心的通信系統驅動和現場設備的I/O系統設備驅動。此外，RTU嵌套軟件還內置了SCADA應用軟件，用于執(zhí)行一系列任務，包括輸入數據掃描、現場過程監(jiān)控以及數據存儲等操作，還能夠響應從通信網絡傳輸過來的SCADA監(jiān)控中心的命令。用戶可以在RTU上進行應用設定，涵蓋一些簡單的參數設置、啟用或禁用特定的I/O口，也可以提供完整的編程環(huán)境以滿足用戶的需求。RTU還支持文件系統，允許文件下載，包括用戶程序和設定文件，有助于后期的系統診斷。

數據采集器嵌套軟件是一套基于Windows系統進行二次開發(fā)的組態(tài)軟件。組態(tài)軟件利用系統提供的工具，能夠通過直觀的配置工作構建所需的軟件系統。因為其易于學習和使用的特點，備受工程開發(fā)人員的喜愛，正在逐漸取代傳統的計算機編程語言。隨著科技的不斷進步，現代工業(yè)生產技術和工藝過程越來越復雜，生產設備和裝置的規(guī)模不斷擴大，企業(yè)對生產自動化的需求也日益增長。在這種背景下，分布式監(jiān)督控制和數據采集系統得到了廣泛應用，以滿足現代工業(yè)的要求，監(jiān)控組態(tài)軟件[5]的應用也日益廣泛。

1.強大的畫面顯示組態(tài)功能

組態(tài)軟件充分發(fā)揮了Windows系統具備的強大圖形功能和美觀界面的特點，為用戶提供了可以隨意編輯的豐富繪圖工具和圖形庫，使開發(fā)人員可以擺脫繁瑣的界面設計工作，得以更專注于其他任務。組態(tài)軟件還提供了多種豐富的動畫連接方式，如隱含、閃爍、移動等，使界面更具生動性和直觀性，具有更好的用戶體驗。

2.良好的開放性

開放性是指組態(tài)軟件具備與多種通信協議互聯以及支持多種硬件設備的能力，這一特性被認為是評價組態(tài)軟件質量的重要標準之一。組態(tài)軟件能與底層的數據采集設備實現數據交換，還能實現上位機和下位機之間的雙向通信，這種雙向支持使得組態(tài)軟件在整個系統中起到了橋梁的作用，提高了系統的靈活性和可擴展性。

3.豐富的功能模塊

能夠提供豐富的控制功能庫，使原本復雜的系統更加易于操作，其中的功能模塊能夠滿足用戶的實時監(jiān)控、產生報表，顯示歷史曲線、實時曲線，提供報警等功能需求。該系統適用范圍廣泛，根據不同的應用場景，既可用于單機集中式控制、DCS分布式控制，還可以作為帶有遠程通信能力的遠程測控系統。

4.強大的數據庫

配備的實時數據庫可存儲各種數據，如模擬量、離散量、字符型等，實現與外部設備的數據交換。

5.可編程的命令語言

使用戶可根據自己的需要編寫程序增強圖形界面。

6.周密的系統安全防范

對不同的操作者，賦予不同的操作權限，保證整個系統的安全、可靠運行。

7.縮短設計周期

仿真功能使系統并行設計，從而縮短開發(fā)周期。

五、結語

為了驗證修井現場視頻監(jiān)控系統方案設計的合理性，根據修井作業(yè)視頻監(jiān)控系統整體技術方案進行布置。在某地區(qū)的修井現場進行了硬件安裝和控制系統調試。經過實踐驗證，現場視頻監(jiān)控和實時數據采集系統在準確性、穩(wěn)定性以及即時性方面表現出了卓越的品質，能夠滿足老井修井現場的實時監(jiān)測需求，確保遠程監(jiān)測端能夠即時接收并展示現場作業(yè)狀態(tài)，為專家的遠程決策提供了強有力的支持和保障。

參考文獻

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[3]錢浩東，陳思錦，宋鑫.基于復雜電磁環(huán)境下的鉆完井作業(yè)現場無線組網模式研究[J].信息系統工程，2020，（12）：135-136.

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[5]孔慶軍.監(jiān)控組態(tài)軟件的功能分析及其在機艙自動化中的應用[J].船電技術，2004，（04）：33-35.

責任編輯：張津平