基于數(shù)據(jù)流的石油電力電子系統(tǒng)自動化控制軟件的設(shè)計

陳黎 李朝明

1重慶財經(jīng)職業(yè)學(xué)院2重慶新泰機械有限責(zé)任公司

基于數(shù)據(jù)流的石油電力電子系統(tǒng)自動化控制軟件的設(shè)計

陳黎1李朝明2

1重慶財經(jīng)職業(yè)學(xué)院2重慶新泰機械有限責(zé)任公司

多數(shù)油田中的油水井趨勢分析具有工作量復(fù)雜、工作周期較長、工作效率低的缺點。針對這些問題，采用數(shù)據(jù)流單個參數(shù)預(yù)測再整合所有參數(shù)進行趨勢分析預(yù)報，完成對油水井的工作狀態(tài)更準確、全面、高效、系統(tǒng)性的預(yù)測，提供日常維護、故障分析、故障診斷和故障預(yù)警功能，還能為生產(chǎn)者提供更為精準的趨勢分析信息，為管理者提供更為直觀、客觀的決策支持。

數(shù)據(jù)流；自動化控制；系統(tǒng)設(shè)計；結(jié)果驗證

石油電力電子自動化系統(tǒng)主要是借助軟件通過實時采集、傳輸、分析和發(fā)布并處理油水井的有關(guān)參數(shù)進行工作的，這些參數(shù)包括油井的壓力、環(huán)境溫度、供電電壓、工作電流、載荷量等數(shù)據(jù)信息。石油電力電子系統(tǒng)自動化控制軟件主要完成對石油系統(tǒng)的油水井狀態(tài)的趨勢分析，整個系統(tǒng)設(shè)計中涉及多領(lǐng)域、多層次的知識模塊，相關(guān)數(shù)據(jù)具有連續(xù)性強、傳輸速度快、規(guī)模龐大等特點，為了實時進行監(jiān)測和數(shù)理分析，就必須不斷開發(fā)出新的軟件系統(tǒng)，以期滿足生產(chǎn)者和管理者的使用要求。

近幾十年信息科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，使得對于抽油機井工作狀態(tài)的分析及診斷方面的技術(shù)有了質(zhì)的飛躍，尤其是在計算機技術(shù)應(yīng)用到工作狀況的分析及診斷中后，抽油機工況的技術(shù)診斷又上升了一個臺階。多數(shù)油田中的油水井趨勢分析具有工作量復(fù)雜、工作周期較長、工作效率低的缺點。針對這些問題，采用數(shù)據(jù)流單個參數(shù)預(yù)測再整合所有參數(shù)進行趨勢分析預(yù)報，完成對油水井的工作狀態(tài)更準確、全面、高效、系統(tǒng)性的預(yù)測，提供日常維護、故障分析、故障診斷和故障預(yù)警功能，還能為生產(chǎn)者提供更為精準的趨勢分析信息，為管理者提供更為直觀、客觀的決策支持。

1 數(shù)據(jù)流算法

1.1 最小二乘多元回歸趨勢分析算法

石油電力電子系統(tǒng)自動化控制系統(tǒng)是以分割點為基礎(chǔ)的最小二乘多元回歸分析算法進行石油相關(guān)參數(shù)的數(shù)據(jù)流趨勢分析的。進行分析是為了以應(yīng)用之前收到的數(shù)據(jù)流作為主要研究對象進行原模型的建立，然后應(yīng)用每一個新來的數(shù)據(jù)流元素將原模型填充完整，并對模型中參數(shù)重新計量實現(xiàn)模型修正的作用。之后修正模型進行兩項擬合操作：用統(tǒng)計檢驗法對擬合模型進行比較統(tǒng)計，檢測是否和原模型類似或為原模型中某個特例。結(jié)果類似，則仍舊應(yīng)用擬合模型線性回歸，使原模型修正成新模型；反之，證明新數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性不相同了，使得擬合模型變成新模型，這時以新到達數(shù)據(jù)為新模型的開頭重新線性回歸，并以新到達數(shù)據(jù)為統(tǒng)計分割點進行趨勢特征值的提取，最終實現(xiàn)趨勢的分析。

1.2 模式異常算法

在石油行業(yè)的載荷數(shù)據(jù)流趨勢分析結(jié)果的基礎(chǔ)上進行的模式異常檢測，在數(shù)據(jù)流模型中進行載荷數(shù)據(jù)流模式異常監(jiān)測，是通過歐氏距離算法完成數(shù)據(jù)流模式異常定義的。首先，應(yīng)用數(shù)據(jù)流挖掘訓(xùn)練標準數(shù)據(jù)流和真實監(jiān)測數(shù)據(jù)流與標準數(shù)據(jù)間的相似標準距Rb。加入數(shù)據(jù)流在Si數(shù)據(jù)流片段內(nèi)異常，肯定使得標準數(shù)據(jù)M1和預(yù)測數(shù)據(jù)M間相似距超過標準相似距閾值Rb，表現(xiàn)為模式異常；然后，對模式異常實施運算：定義數(shù)據(jù)流片段Si，正常工況的監(jiān)測和標準數(shù)據(jù)流相似距為rt，以當前窗所有數(shù)據(jù)片段均值為標準相似距為rb，再計算同數(shù)據(jù)流片段的預(yù)測和標準數(shù)據(jù)流相似距為rf，如果rf大于rb說明模式異常。

2 軟件整體設(shè)計模型

2.1 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計

石油電力電子系統(tǒng)自動化控制系統(tǒng)基于集中數(shù)據(jù)流挖掘體系，應(yīng)用數(shù)據(jù)流的挖掘算法，達到石油采集工況的趨勢預(yù)測目標，首先設(shè)計出總體框圖，如圖1所示。該系統(tǒng)總體設(shè)計目標是：時空復(fù)雜度降低、增量維護性能良好、自適應(yīng)性提高等。該系統(tǒng)應(yīng)用多種較為先進的數(shù)據(jù)流算法，提供實時精確、操作性強的趨勢分析預(yù)測自動化系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)流源層、數(shù)據(jù)流待挖掘?qū)?、?shù)據(jù)流挖掘?qū)?、知識庫與展示層四層。

圖1 軟件系統(tǒng)整體設(shè)計

2.2 數(shù)據(jù)流源層

由微處理器將采集到的生產(chǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)流打包，并一直檢測電壓、電流和數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)當抽油機井停抽時能及時通知檢測和修理中心進行處理。將收集到的信息通過無線通訊系統(tǒng)輸送到監(jiān)測中心，并對石油生產(chǎn)設(shè)備的狀態(tài)和生產(chǎn)信息實時監(jiān)測，以及對采集到的參數(shù)數(shù)據(jù)信息實時統(tǒng)計分析，向管理者提供決策支持信息。這些參數(shù)數(shù)據(jù)流是整個系統(tǒng)工作的數(shù)據(jù)源，是趨勢分析的決定性成分，經(jīng)過算法轉(zhuǎn)換成載荷及位移參數(shù)，供后續(xù)操作所用。

2.3 存儲結(jié)構(gòu)層

在對所有的數(shù)據(jù)流信息進行處理的時候，先設(shè)計數(shù)據(jù)流存儲概要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，目的是實現(xiàn)在有限系統(tǒng)存儲空間內(nèi)進行有關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)流有效信息的單次掃描，并對一直到達的數(shù)據(jù)流信息實時概要存儲。在該層應(yīng)用數(shù)據(jù)流查詢算法和數(shù)據(jù)流挖掘算法，隨時按照概要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實施近似性而且準確性高的保證概率的計算，并得出結(jié)果。同時還要對復(fù)雜度進行挖掘和運算，在整個系統(tǒng)運行中能夠使數(shù)據(jù)流的挖掘速度得到提升。在該層中應(yīng)用直方圖技術(shù)、抽樣技術(shù)、窗口技術(shù)、哈希方法技術(shù)和小波技術(shù)等先進技術(shù)。

2.4 數(shù)據(jù)流待挖掘?qū)?/p>

在數(shù)據(jù)流待挖掘?qū)又型ㄟ^數(shù)據(jù)預(yù)處理及模式預(yù)處理原始數(shù)據(jù)流源，因為數(shù)據(jù)流本身特點和產(chǎn)生環(huán)境都能影響軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流挖掘速度及效率。所以在該層進行傳輸數(shù)據(jù)流的壓縮及降噪處理，使數(shù)據(jù)處理總量降低。

2.5 數(shù)據(jù)流挖掘?qū)?/p>

在基于數(shù)據(jù)流的石油電力電子系統(tǒng)自動化控制軟件中，數(shù)據(jù)流挖掘?qū)邮钦麄€系統(tǒng)的核心。在其中應(yīng)用最小二乘方式進行合理的趨勢分析等多種數(shù)據(jù)流挖掘算法進行采油井的趨勢分析及預(yù)測，在趨勢分析預(yù)測中能夠發(fā)現(xiàn)工作狀況的形式異常。但實際操作中數(shù)據(jù)流影響因素和產(chǎn)生環(huán)境較為復(fù)雜，形式表現(xiàn)出的異常不一定造成停井等災(zāi)害性事故的產(chǎn)生，所以對形式異常要進行細化分析，并進行更深入的數(shù)據(jù)挖掘，最終實現(xiàn)趨勢分析及預(yù)測。

2.6 知識與知識展示層

知識層利用先驗知識提升了數(shù)據(jù)流挖掘計算算法的精準度。在整個數(shù)據(jù)流趨勢分析中用自適應(yīng)較高的挖掘算法適應(yīng)數(shù)據(jù)及環(huán)境導(dǎo)致的變化引起的變動，應(yīng)用性增強。知識展示層是應(yīng)用規(guī)則、圖像、表格、樹等方式記錄軟件系統(tǒng)單次的運行效果，終以報警的形式報告給使用者，完成數(shù)據(jù)流信息的預(yù)測和分析。

3 性能分析驗證

軟件系統(tǒng)主要完成基礎(chǔ)信息的維護，參數(shù)信息采集分析、模擬數(shù)據(jù)流的監(jiān)測、數(shù)據(jù)流模式、趨勢分析預(yù)測和模式異常等六種功能。圖2是實驗?zāi)M觀測和線性回歸處理得到的估計值等數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖2 估計值數(shù)據(jù)結(jié)果

4 結(jié)論

為了提高實時趨勢分析的準確性，保障油田生產(chǎn)，提高石油企業(yè)的管理水平，開展了基于數(shù)據(jù)流挖掘結(jié)構(gòu)的石油電力電子系統(tǒng)自動化控制軟件的設(shè)計。該軟件能提供油水井工作情況的實時監(jiān)測、趨勢分析及模式異常處理等功能，并進行系統(tǒng)功能的檢測。模擬觀測及其數(shù)據(jù)結(jié)果表明，系統(tǒng)功能良好。

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.12.025