具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)初探

［摘 要］文章主要探討現(xiàn)有油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)為什么和如何向智能化方向演進(jìn)的問(wèn)題。根據(jù)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)、資源、安全和業(yè)務(wù)領(lǐng)域自感知、自適應(yīng)、自決策的智能化需求，文章提出一種具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于邊緣智能技術(shù)，具有分布式、平臺(tái)化和可擴(kuò)展的特征。另外，文章在探討該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)元功能和基礎(chǔ)自治功能集的同時(shí)，提出基于實(shí)踐的部署建議。

［關(guān)鍵詞］油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)；油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)；智能化；自治能力

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2024.22.036

［中圖分類(lèi)號(hào)］TP311；TE319 ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A ［文章編號(hào)］1673-0194（2024）22-0-04

1" " "現(xiàn)有油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)架構(gòu)

中國(guó)石油天然氣集團(tuán)有限公司（以下稱(chēng)中石油）在《油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范》中明確定義了油氣生產(chǎn)監(jiān)控與管理系統(tǒng)，包括采集監(jiān)控子系統(tǒng)、生產(chǎn)管理子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)（見(jiàn)圖1左邊部分）。其中，采集監(jiān)控子系統(tǒng)（即本文所述的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)）由三層網(wǎng)元組成，分別為廠(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)、采集與監(jiān)控遠(yuǎn)程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）、終端節(jié)點(diǎn)（見(jiàn)圖1右邊部分）。RTU與終端節(jié)點(diǎn)之間通信的網(wǎng)絡(luò)為現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)，通信協(xié)議主要為Modbus RTU；RTU與SCADA之間通信的網(wǎng)絡(luò)為回傳網(wǎng)，傳輸協(xié)議主要為Modbus TCP?；貍骶W(wǎng)由于數(shù)據(jù)匯聚回傳的要求，一般為高帶寬、高可靠性的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如光纖和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)橋組成的以太網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的4G專(zhuān)網(wǎng)及高通量衛(wèi)星通信網(wǎng)等?，F(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)由于復(fù)雜的地形環(huán)境，以及大量電池供電設(shè)備的使用，往往需要構(gòu)建低功耗、遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)，即無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）。WSN主流的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)包括ZigBee、LoRa+、Wireless HART等，組網(wǎng)包括星形、網(wǎng)狀、樹(shù)狀等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本文需要著重探討的是現(xiàn)有油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)為什么需要向智能化方向演進(jìn)，以及在現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上如何演進(jìn)。

2" " "現(xiàn)有油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)

隨著工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越豐富，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、無(wú)人化為特征的信息化浪潮正深刻改變工業(yè)生產(chǎn)格局，算力和數(shù)據(jù)已經(jīng)成為新的工業(yè)控制體系架構(gòu)下信息流轉(zhuǎn)的核心，現(xiàn)行的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)已經(jīng)難以滿(mǎn)足需求。如何將計(jì)算資源與物理資源緊密協(xié)同，如何采用端邊云協(xié)同實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)彈性、自適應(yīng)、自主調(diào)控，是現(xiàn)有油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)面臨的重要挑戰(zhàn)。具體而言，油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)、資源、安全和業(yè)務(wù)領(lǐng)域均存在自感知、自適應(yīng)、自決策的智能化需求。以西北地區(qū)的油田為例，其油氣資源主要分布在荒漠地區(qū)，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)面臨遠(yuǎn)離城區(qū)、井站分布極度分散或極度密集、地形復(fù)雜和環(huán)境惡劣等諸多不利因素，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

第一，油氣田遠(yuǎn)離城區(qū)，遠(yuǎn)程監(jiān)控條件下現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守。若發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障，數(shù)據(jù)就會(huì)丟失，監(jiān)控就會(huì)出現(xiàn)盲點(diǎn)。因此，要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)，具備自決策能力，從而進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)，在斷網(wǎng)情況下依然能保障生產(chǎn)安全。

第二，油氣井分布不均勻，稀疏時(shí)相隔數(shù)公里，密集時(shí)間距僅十多米。物聯(lián)網(wǎng)的傳輸負(fù)載不均衡，網(wǎng)絡(luò)易出現(xiàn)局部擁塞問(wèn)題。因此，要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能自感知網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動(dòng)態(tài)變化，通過(guò)自適應(yīng)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸量，有效減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

第三，西北地區(qū)地貌復(fù)雜、晝夜溫差大、沙塵暴較多等嚴(yán)重影響了現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)目煽啃?。因此，要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能自感知環(huán)境變化對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響，自適應(yīng)調(diào)整信道參數(shù)，保障生產(chǎn)數(shù)據(jù)的完整性。

第四，油氣生產(chǎn)廣泛使用低功耗傳感器，如溫變、壓變、位移載荷等。而延長(zhǎng)儀表電池壽命，對(duì)降本增效有重大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，要求現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備能自感知節(jié)點(diǎn)電量，自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)采集和發(fā)送業(yè)務(wù)模型，有效延長(zhǎng)電池壽命。

除了上述問(wèn)題，現(xiàn)有的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)還面臨著越來(lái)越多的安全挑戰(zhàn)。除了來(lái)自網(wǎng)絡(luò)的入侵威脅，更多的攻擊可能針對(duì)采控系統(tǒng)本身，如偽裝傳感節(jié)點(diǎn)提供錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，或篡改消息導(dǎo)致錯(cuò)誤指令在WSN中傳播。因此，油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)需要進(jìn)一步演進(jìn)，保障內(nèi)生安全，即通過(guò)入侵檢測(cè)有效識(shí)別攻擊行為后快速進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、決策生成、響應(yīng)執(zhí)行，讓系統(tǒng)在有限時(shí)間內(nèi)自動(dòng)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)［1］。

另外，越來(lái)越多的油田業(yè)務(wù)需要通過(guò)邊緣智能來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如，曹慶年等人［2］給出一種智能間抽控制的具體實(shí)現(xiàn)方案：示功圖面積的變化過(guò)程可以體現(xiàn)油井單位沖次內(nèi)產(chǎn)油速度和采油速度之間的關(guān)系，根據(jù)示功圖面積變化動(dòng)態(tài)調(diào)整抽油機(jī)啟停運(yùn)行狀態(tài)，甚至調(diào)節(jié)相應(yīng)沖次，在無(wú)人工干預(yù)的情況下顯著提高油氣生產(chǎn)效率。

新疆油田數(shù)據(jù)公司針對(duì)井口邊緣采集與應(yīng)用作了有效探索和總結(jié)［3］，設(shè)計(jì)了一種井口邊緣控制器設(shè)備，通過(guò)二次編程實(shí)現(xiàn)更多的智能業(yè)務(wù)。但其并沒(méi)有為整個(gè)油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)提出一個(gè)完整的智能化系統(tǒng)框架和解決方案。

3" " "具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)架構(gòu)及功能

由上述內(nèi)容可知，油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)若通過(guò)各網(wǎng)元節(jié)點(diǎn)協(xié)同，基于預(yù)設(shè)的策略實(shí)現(xiàn)感知、評(píng)估、決策、調(diào)整的閉環(huán)，在復(fù)雜開(kāi)放環(huán)境中保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院桶踩裕ＷC油氣生產(chǎn)安全，并能在邊緣側(cè)實(shí)現(xiàn)豐富的智能業(yè)務(wù)，就可以認(rèn)為其是一種具有初步智能的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)。進(jìn)一步來(lái)看，該系統(tǒng)若具有分布式、平臺(tái)化和可擴(kuò)展的特征，使預(yù)設(shè)的策略能被動(dòng)態(tài)優(yōu)化、更新或擴(kuò)展，并由主控節(jié)點(diǎn)分發(fā)到各從節(jié)點(diǎn)執(zhí)行，則可被認(rèn)為是一種具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)。本章將從系統(tǒng)架構(gòu)、網(wǎng)元功能和基礎(chǔ)自治功能集等方面探討具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)。

3.1" "系統(tǒng)架構(gòu)

一種具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)由采控平臺(tái)、采控網(wǎng)關(guān)和若干個(gè)采控節(jié)點(diǎn)組成（見(jiàn)圖2），網(wǎng)元分別對(duì)應(yīng)現(xiàn)有采控系統(tǒng)中的SCADA、RTU和終端節(jié)點(diǎn)。采控平臺(tái)和采控網(wǎng)關(guān)之間由回傳網(wǎng)通信，采控網(wǎng)關(guān)和采控節(jié)點(diǎn)之間由WSN通信。采控網(wǎng)關(guān)和采控節(jié)點(diǎn)通過(guò)采集、傳輸、分析、決策、控制等流程協(xié)同構(gòu)成本地的自治執(zhí)行系統(tǒng)，采控平臺(tái)通過(guò)數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)自治策略生成、更新和分發(fā)。

自治策略由規(guī)則和模型組成。系統(tǒng)所需的規(guī)則由專(zhuān)家系統(tǒng)確定，模型由機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)訓(xùn)練得到。采控網(wǎng)關(guān)上運(yùn)行的規(guī)則和模型可以由采控平臺(tái)動(dòng)態(tài)下發(fā)和更新，采控節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的規(guī)則和模型由采控網(wǎng)關(guān)動(dòng)態(tài)下發(fā)和更新。因此，一般要求回傳網(wǎng)為高可靠的寬帶網(wǎng)絡(luò)，WSN為高可靠、遠(yuǎn)距離、低功耗、大容量，傳輸實(shí)時(shí)性一般要求準(zhǔn)實(shí)時(shí)。

3.2" "網(wǎng)元功能

系統(tǒng)各網(wǎng)元通過(guò)構(gòu)建自治功能架構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的自治功能，通過(guò)相互協(xié)同實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)整體自治功能。

采控網(wǎng)關(guān)的自治功能架構(gòu)如圖3左側(cè)所示。采控網(wǎng)關(guān)從所有采控節(jié)點(diǎn)中收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則和模型進(jìn)行全局分析與決策，針對(duì)特定的決策下發(fā)控制指令給采控節(jié)點(diǎn)，如緊急停井。在數(shù)據(jù)清洗、分析和決策過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均按業(yè)務(wù)需要上報(bào)到采控平臺(tái)和SCADA。采控節(jié)點(diǎn)的自治功能架構(gòu)如圖3右側(cè)所示。采控節(jié)點(diǎn)提取、分析本地?cái)?shù)據(jù)并進(jìn)行決策，以此自適應(yīng)最優(yōu)控制數(shù)據(jù)采集和傳輸過(guò)程。在數(shù)據(jù)提取過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，按業(yè)務(wù)需要上報(bào)給采控網(wǎng)關(guān)。

采控網(wǎng)關(guān)和采控節(jié)點(diǎn)存在資源和角色的差異。采控網(wǎng)關(guān)作為部分采控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，能夠存儲(chǔ)和分析多井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用硬件平臺(tái)的資源優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)更全面的智能業(yè)務(wù)。而采控節(jié)點(diǎn)基于單井的某一類(lèi)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，自治功能更多面向受限資源的自感知和自適應(yīng)調(diào)整，如根據(jù)電池電量的狀態(tài)調(diào)整采集的頻率，根據(jù)無(wú)線(xiàn)環(huán)境的變化調(diào)整信道傳輸參數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁塞情況預(yù)處理數(shù)據(jù)。

3.3" "基礎(chǔ)自治功能集

油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)的自治功能一般體現(xiàn)在各網(wǎng)元的底層框架、協(xié)議和基礎(chǔ)組件中。典型的基礎(chǔ)自治功能集如表1所示?；A(chǔ)自治功能集的擴(kuò)展通過(guò)兩種途徑實(shí)現(xiàn)：一是網(wǎng)元加載運(yùn)行新的業(yè)務(wù)腳本，二是網(wǎng)元擴(kuò)展新的規(guī)則和模型。

4" " "具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)部署建議

具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)是對(duì)現(xiàn)有油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)智能化的一次完整升級(jí)，涉及終端節(jié)點(diǎn)與RTU的功能改造，以及采控平臺(tái)與SCADA之間融合或獨(dú)立的問(wèn)題。為保護(hù)已有投資，針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)宜采用增量部署逐步替代的方法，具體建議如下。①針對(duì)產(chǎn)能建設(shè)或新區(qū)塊建設(shè)，直接部署一套具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)。②針對(duì)正在運(yùn)行的系統(tǒng)，用新的采控網(wǎng)關(guān)逐步替換舊的RTU，實(shí)現(xiàn)主控節(jié)點(diǎn)的升級(jí)。新的采控網(wǎng)關(guān)北向?qū)釉璖CADA，南向?qū)釉K端節(jié)點(diǎn)，以保證現(xiàn)有功能不受影響。新的采控網(wǎng)關(guān)通過(guò)擴(kuò)展WSN，接入新的采控節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，增設(shè)采控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)部分自治功能閉環(huán)。新的采控節(jié)點(diǎn)逐步替換舊的傳感設(shè)備，最終實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)升級(jí)。③采控平臺(tái)根據(jù)需要，可以和SCADA融合或保持相對(duì)獨(dú)立。

楊磊等人［4］給出了具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用案例。該案例在新疆油田采油二廠(chǎng)的部署和運(yùn)營(yíng)中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，為油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)的智能化演進(jìn)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)［5］。

5" " "結(jié)束語(yǔ)

具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)是分布式、平臺(tái)型和可擴(kuò)展的智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，具有技術(shù)上的先進(jìn)性，能滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)、資源、安全和業(yè)務(wù)等領(lǐng)域自感知、自適應(yīng)、自決策的智能化需求。另外，系統(tǒng)架構(gòu)符合信息和通信技術(shù)（Information Communication Technology，ICT）、運(yùn)營(yíng)技術(shù)（Operational Technology，OT）融合和工業(yè)邊緣智能的演進(jìn)方向，具有理論上的先進(jìn)性和良好的通用性，可以應(yīng)用于多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，如環(huán)境監(jiān)測(cè)、光伏能源監(jiān)測(cè)、橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)等。未來(lái)，隨著新疆油田案例的推廣和應(yīng)用，具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)可推動(dòng)油氣生產(chǎn)企業(yè)真正實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)、智能化決策和智能化運(yùn)維，從而提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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