一種人工智能無線射孔器的交互控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

譚志強(qiáng) 肖斯宇 唐凱 任國輝 趙昕迪

摘? 要：作為信息傳輸和信息處理的平臺(tái)，交互控制系統(tǒng)扮演著十分重要的角色，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化控制等相關(guān)領(lǐng)域?，F(xiàn)如今的油氣開發(fā)仍舊通過人工進(jìn)行射孔器的深度判別和射孔控制，存在深度判斷有誤、效率低等問題。嵌入式人工智能的興起，為射孔技術(shù)的發(fā)展提供新的方向，同時(shí)也對數(shù)據(jù)的處理、傳輸、存儲(chǔ)等提出新的要求。針對這些問題，基于STM32嵌入式平臺(tái)和PyQt5設(shè)計(jì)開發(fā)一套應(yīng)用于人工智能無線射孔器的交互控制系統(tǒng)，以高效的狀態(tài)機(jī)控制決策實(shí)現(xiàn)人工智能無線射孔器的功能控制和調(diào)試，上位機(jī)通過921 600波特率實(shí)現(xiàn)與嵌入式平臺(tái)的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)實(shí)現(xiàn)板載Flash閃存的讀寫控制，以及接箍信號(hào)識(shí)別標(biāo)記，經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果論證，該交互控制系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：無線射孔；控制系統(tǒng)；嵌入式；乒乓緩存；數(shù)據(jù)處理；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

中圖分類號(hào)：C37? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）19-0031-04

Abstract： As a platform for information transmission and information processing， interactive control system plays a very important role and is widely used in automatic control and other related fields. Nowadays， the oil and gas development still carries on the depth discrimination and perforation control of the perforator manually， which has some problems such as wrong depth judgment， low efficiency and so on. The rise of embedded artificial intelligence not only provides a new direction for the development of perforation technology， but also puts forward new requirements for data processing， transmission and storage. To solve these problems， a set of interactive control system for artificial intelligence wireless perforator is designed and developed based on STM32 embedded platform and PyQt5. The function control and debugging of artificial intelligence wireless perforator are realized by efficient state machine control decision. The upper computer communicates with embedded platform through baud rate of 921 600. At the same time， it realizes the read and write control of on-board Flash flash memory and the identification and marking of coupling signal. The test results show that the interactive control system meets the design requirements.

Keywords： wireless perforation; control system; embedded; ping-pong cache; data processing; data storage

射孔，即用專用射孔彈射穿套管及水泥環(huán)，在巖體內(nèi)產(chǎn)生孔道，建立地層與井筒之間的連接通道，以促使儲(chǔ)層流體進(jìn)入井筒的工藝過程[1-2]。傳統(tǒng)的射孔槍通過電纜線與地面設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)地下數(shù)據(jù)的傳輸、地面信號(hào)的發(fā)送以及射孔槍的點(diǎn)火操作。而無線射孔則是運(yùn)用嵌入式、人工智能等技術(shù)，去除電纜的限制，提高傳統(tǒng)射孔器材的智能化程度，實(shí)現(xiàn)射孔設(shè)備輕量化，降低射孔成本，提高射孔效率。

人工智能無線射孔器的交互控制系統(tǒng)（以下簡稱“交互控制系統(tǒng)”）是基于嵌入式平臺(tái)（以下簡稱“從機(jī)”）和PC平臺(tái)（以下簡稱“上位機(jī)”）搭建的控制系統(tǒng)，專用于人工智能無線射孔器的控制決策、數(shù)據(jù)導(dǎo)出處理、調(diào)試測試、數(shù)據(jù)導(dǎo)入及接箍識(shí)別。本文采用C語言和Python分別設(shè)計(jì)了一套獨(dú)立于人工智能無線射孔系統(tǒng)（以下簡稱“射孔系統(tǒng)”）的控制系統(tǒng)和上位機(jī)控制系統(tǒng)，在保證數(shù)據(jù)可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)傳輸和通信控制。

1? 交互控制邏輯

1.1? 從機(jī)通信狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)

圖1為從機(jī)通信狀態(tài)機(jī)，其與從機(jī)的射孔系統(tǒng)平臺(tái)無關(guān)，由串口接收到的字符驅(qū)動(dòng)，狀態(tài)機(jī)有2個(gè)變量，分別用于記錄當(dāng)前的握手協(xié)議狀態(tài)和功能狀態(tài)。當(dāng)串口有數(shù)據(jù)傳入時(shí)，狀態(tài)機(jī)根據(jù)傳入的字符依次進(jìn)行握手處理、狀態(tài)切換、狀態(tài)機(jī)參數(shù)重置及功能狀態(tài)確認(rèn)，如果是帶有參數(shù)的功能命令，則會(huì)根據(jù)協(xié)議約定參數(shù)長度進(jìn)行參數(shù)接收，然后回復(fù)上位機(jī)ACK，再執(zhí)行功能控制，反之則會(huì)直接回復(fù)ACK，然后調(diào)用對應(yīng)的控制程序，最后對握手狀態(tài)進(jìn)行復(fù)位，進(jìn)而接收下一次命令控制。若接收到請求控制并握手成功后，收到了未定義的字符命令，狀態(tài)機(jī)則會(huì)提交一個(gè)ErrorCode，同時(shí)回復(fù)上位機(jī)NAK，中斷傳輸，直到獲取到正確的控制字符。而上位機(jī)可以對該ErrorCode進(jìn)行解析報(bào)告，為調(diào)試提供依據(jù)。

這種設(shè)計(jì)有利地保障了功能控制的穩(wěn)定性和可靠性，也提高了交互控制系統(tǒng)的可移植性和拓展性。

1.2? 數(shù)據(jù)傳輸格式及存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

為提高主機(jī)和從機(jī)在高波特率的串口傳輸下數(shù)據(jù)的可靠性，同時(shí)保證數(shù)據(jù)的規(guī)范性，設(shè)計(jì)采用如圖2所示的數(shù)據(jù)包格式，數(shù)據(jù)包有從機(jī)數(shù)據(jù)包和主機(jī)配置包兩部分。其中從機(jī)數(shù)據(jù)包是以標(biāo)識(shí)符為包頭，主要包含了程序版本號(hào)、用戶數(shù)據(jù)、時(shí)間戳和系統(tǒng)數(shù)據(jù)；而主機(jī)數(shù)據(jù)包則是以校驗(yàn)位為包頭，主要包含了射孔表的字節(jié)數(shù)、接箍表的字節(jié)數(shù)、延遲距離和時(shí)間、自毀時(shí)間、射孔表和接箍表。

射孔系統(tǒng)啟動(dòng)之前，需通過上位機(jī)對其進(jìn)行數(shù)據(jù)下載，進(jìn)而配置射孔所需的必要信息，這些數(shù)據(jù)將會(huì)保存在射孔系統(tǒng)的板載Flash指定區(qū)域，如圖3所示，將Flash第一塊中的第一個(gè)4K扇區(qū)空間劃分成三部分，前512 字節(jié)的空間用于儲(chǔ)存配置表，后512 字節(jié)用于儲(chǔ)存射孔表，剩余的3×1 024字節(jié)用于存儲(chǔ)接箍表，而第一塊0x1000h及之后的地址空間用于存儲(chǔ)從機(jī)采集的數(shù)據(jù)日志，生成必要的數(shù)據(jù)集，由于射孔系統(tǒng)以1 kHz的采樣頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，且Flash的寫入和擦除需要消耗一定的時(shí)間，為防止采集過程中的數(shù)據(jù)丟失同時(shí)保證數(shù)據(jù)傳輸效率，采用PingPongCache的內(nèi)存算法[3]，用A、B 2塊內(nèi)存區(qū)循環(huán)存儲(chǔ)Dataframe（圖2所示的從機(jī)數(shù)據(jù)包），采集到的數(shù)據(jù)先寫入A塊區(qū)域，當(dāng)A塊寫滿后由直接存儲(chǔ)器訪問（Direct Memory Access，DMA）搬運(yùn)至串行外設(shè)接口（Serial Peripheral Interface，SPI）的數(shù)據(jù)寄存器，再由SPI寫入到Flash的數(shù)據(jù)日志區(qū)域，與此同時(shí)交互控制系統(tǒng)控制切換數(shù)據(jù)存至B區(qū)，存滿后再以同樣的方式寫入Flash，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸同步，防止數(shù)據(jù)丟失，同時(shí)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2? 交互控制系統(tǒng)的架構(gòu)

交互控制系統(tǒng)分為從機(jī)交互控制系統(tǒng)和上位機(jī)交互控制系統(tǒng)，二者完全遵循前文所提及到的交互控制邏輯，從機(jī)主要負(fù)責(zé)接收來自上位機(jī)的控制字符，并根據(jù)字符進(jìn)行決策控制和回復(fù)，而上位機(jī)主要負(fù)責(zé)向從機(jī)發(fā)送控制字符。依靠硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，用戶可以實(shí)現(xiàn)和射孔系統(tǒng)的有效連接[4]。

2.1? 從機(jī)交互控制系統(tǒng)架構(gòu)

從機(jī)交互控制架構(gòu)圖如圖4所示，主要由系統(tǒng)層、業(yè)務(wù)層及硬件層組成，其中系統(tǒng)層包含通信、識(shí)別、儲(chǔ)存任務(wù)，由UCOSIII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度的方式控制執(zhí)行，以此達(dá)到多任務(wù)并行的效果，進(jìn)而提高微控制單元（Microcontroller Unit， MCU）利用率。在任務(wù)運(yùn)行時(shí)，交互控制系統(tǒng)主要通過通信控制部分來實(shí)現(xiàn)和上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信、功能控制，為保證串口數(shù)據(jù)不丟失，由主控核心的嵌套向量中斷控制器（Nested Vectored Interrupt Controller，NVIC）中的串口中斷向量實(shí)現(xiàn)，當(dāng)串口接收到字符數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)，將數(shù)據(jù)字符壓入串口緩沖區(qū)，然后由通信任務(wù)函數(shù)讀出傳入至通信控制模塊，即前文提及的從機(jī)通信狀態(tài)機(jī)，經(jīng)過命令解析、應(yīng)答回復(fù)、超時(shí)處理和參數(shù)接收等操作，最后由控制執(zhí)行模塊對主控核心的外設(shè)，如通用型輸入輸出（General-purpose input/output， GPIO）、SPI、DMA等發(fā)出控制指令，實(shí)現(xiàn)采樣啟停控制、復(fù)位控制、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)傳輸以及Flash讀寫擦除等相關(guān)操作。

2.2? 上位機(jī)交互控制系統(tǒng)架構(gòu)

上位機(jī)交互控制系統(tǒng)主要用于射孔系統(tǒng)的調(diào)試測試、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、數(shù)據(jù)下載和數(shù)據(jù)處理。其主要分為應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層和驅(qū)動(dòng)層，如圖5所示，用戶通過應(yīng)用層的控制欄和顯示界面可以實(shí)現(xiàn)對從機(jī)的控制和信息查看，而上位機(jī)通過業(yè)務(wù)層的服務(wù)函數(shù)，如串口識(shí)別、采樣啟停、錯(cuò)誤處理、參數(shù)校驗(yàn)、塊輸出和狀態(tài)詢問等，發(fā)送特定的控制字符與從機(jī)的通信狀態(tài)機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)控制功能。除此之外，上位機(jī)包含數(shù)據(jù)分析功能，可將從機(jī)返回的數(shù)據(jù)包進(jìn)行整合解析，對接箍信號(hào)進(jìn)行表示處理，并且生成相關(guān)曲線。

3? 數(shù)據(jù)處理

上位機(jī)具備數(shù)據(jù)處理功能，即專用于處理從機(jī)采集到的數(shù)據(jù)，其可以將從機(jī)運(yùn)行過程中記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并通過可視化的方式直觀地展示。如圖6所示，從機(jī)記錄的數(shù)據(jù)由上位機(jī)導(dǎo)出后會(huì)以“.bin”格式的文件打包，然后由數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)拆包，經(jīng)數(shù)據(jù)分類重組后，數(shù)據(jù)包被分別拆分重組成不同的數(shù)據(jù)幀。通過對重組數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)變換和分析處理[5]，將套管接箍定位器（Casing Collar Locator， CCL）信號(hào)中的接箍信號(hào)進(jìn)行識(shí)別標(biāo)記，同時(shí)輸出生成數(shù)據(jù)集，最后通過數(shù)據(jù)集生成圖表。

4? 結(jié)果及分析

交互控制系統(tǒng)由上位機(jī)和從機(jī)2套控制系統(tǒng)組成，分別基于C和Python語言開發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)921 600波特率的數(shù)據(jù)傳輸。如圖7所示，經(jīng)測試，上位機(jī)交互控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)諸如從機(jī)硬件復(fù)位、射孔參數(shù)導(dǎo)入、采樣啟停控制、數(shù)據(jù)導(dǎo)出及存儲(chǔ)控制等功能，根據(jù)從機(jī)反饋的數(shù)據(jù)信息也可以看出，從機(jī)在交互控制系統(tǒng)的控制下未出現(xiàn)漏采數(shù)據(jù)的情況。

此外，運(yùn)用上位機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能，可將導(dǎo)出打包好的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)拆包、重組以及計(jì)算處理，可以得到如圖8所示的結(jié)果，可以看出數(shù)據(jù)被分解為電壓-時(shí)間、深度-時(shí)間、速度-時(shí)間和加速度-時(shí)間關(guān)系圖，其中電壓-時(shí)間關(guān)系圖可以看出所得的接箍信號(hào)具備明顯的雙峰特征，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對CCL信號(hào)中接箍信號(hào)的識(shí)別與標(biāo)記。

5? 結(jié)束語

本文基于嵌入式平臺(tái)和PC平臺(tái)，開發(fā)了一套應(yīng)用于人工智能無線射孔器的交互控制系統(tǒng)，在保證從機(jī)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)效率的前提下，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與從機(jī)的信息傳輸，以及對從機(jī)的調(diào)試、功能控制和數(shù)據(jù)處理的要求。該套系統(tǒng)具備可拓展性、可移植性，在高效可靠的控制決策機(jī)制下，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的功能控制和信息交互，也推動(dòng)了智能無線射孔器材的發(fā)展，提高了油氣開發(fā)的智能化程度和安全性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳鋒，楊登波，唐凱，等.油氣井射孔技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展探析[J].測井技術(shù)，2021，45（1）：1-7，123.

[2] 唐英才，揭志軍.頁巖油井射孔技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J].石化技術(shù)，2023，30（11）：140-142.

[3] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4] 張馨月.人工智能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用研究[J].數(shù)字通信世界，2022（10）：133-135.

[5] ENTCHEV P， ANGELES R， KUMARAN K， et al. Autonomous Perforating System for Multizone Completions[J].2011.