智能井場數(shù)據(jù)遠程傳輸系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

徐英卓　張瑞佳

摘要：智能井場數(shù)據(jù)遠程傳輸系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出的智能采集傳輸一體化解決方案，系統(tǒng)以井場采傳設(shè)備、通訊網(wǎng)絡(luò)和油田信息監(jiān)測為核心，將采集到的井場數(shù)據(jù)遠程傳送到基地的數(shù)據(jù)庫，進行遠程實時監(jiān)控。系統(tǒng)利用智能采傳儀以支持多源信息的集中采集，并進行WITS標(biāo)準(zhǔn)傳輸，數(shù)據(jù)遠傳服務(wù)器端采用負載均衡來完成實時數(shù)據(jù)的接收、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)，同時提供FTP服務(wù)支持?jǐn)?shù)據(jù)緩存和斷點續(xù)傳，為后端應(yīng)用、輔助決策提供準(zhǔn)確、安全的數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：遠程傳輸；智能化；物聯(lián)網(wǎng)；井場數(shù)據(jù)

0引言

在油田信息化系統(tǒng)中，井場數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝?、穩(wěn)定性一直是油田生產(chǎn)過程中難以解決的問題，油田井場往往在比較偏遠的山區(qū)曠野，如沙漠等惡劣環(huán)境，管理方式多為人工每日值守，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，獲取的井場信息通過租用衛(wèi)星通道或使用遠距離微波進行傳輸，但由于惡劣的天氣或其他原因常常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路中斷。為了彌補上述不足，確保井場數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集和高效穩(wěn)定傳輸，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能井場數(shù)據(jù)遠程傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用智能采傳儀（采傳一體化設(shè)備）進行多源信息的集中采集和基于WITS標(biāo)準(zhǔn)（井場信息傳輸規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)）的數(shù)據(jù)傳輸和共享，為基地用戶提供可靠安全的實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了智能采集傳輸一體化，滿足了對實時數(shù)據(jù)監(jiān)測的需求，同時為多專業(yè)協(xié)同作業(yè)、遠程決策及生產(chǎn)指揮提供數(shù)據(jù)支持。

1系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1系統(tǒng)部署

智能井場數(shù)據(jù)遠程傳輸系統(tǒng)在油田的部署，主要體現(xiàn)在利用傳感器等設(shè)備對油田現(xiàn)場情況的監(jiān)測，整個系統(tǒng)的部署情況如圖1所示。

圖1中反映了井場傳感器和其他設(shè)備的數(shù)據(jù)借由通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸至基地進行實時監(jiān)測的完整過程。具體地，采集儀器將傳感器數(shù)據(jù)傳送到儀器控制機和智能采傳儀；智能采傳儀將數(shù)據(jù)通過AP組網(wǎng)、WIFI網(wǎng)絡(luò)、3G通訊網(wǎng)絡(luò)等傳送至工房區(qū)域和基地；在工房區(qū)域用戶的設(shè)備終端配備有系統(tǒng)的客戶端，可以將智能采傳儀或其他源頭的數(shù)據(jù)選擇正確的服務(wù)器實現(xiàn)上傳；系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收服務(wù)器則規(guī)劃指定在大后方基地，集成了各種數(shù)據(jù)服務(wù)以供基地用戶監(jiān)測數(shù)據(jù)。

1.2系統(tǒng)的構(gòu)成和功能

本系統(tǒng)由智能采傳儀、井場信息處理平臺和監(jiān)控中心組成。在此，將針對每一部分給出功能闡析與設(shè)計論述。

1.2.1智能采傳儀

油田現(xiàn)場采用鉆井參數(shù)儀、LWD/MWD、巖心掃描儀、綜合錄井儀等眾多儀器來采集實時數(shù)據(jù)，但這些設(shè)備存在接口形式眾多、數(shù)據(jù)格式不同的問題?；谶@一實際探討，本系統(tǒng)采用智能采傳儀將各個設(shè)備的實時采集接口按照統(tǒng)一規(guī)范同步封裝，并對各類傳感器數(shù)據(jù)和儀器數(shù)據(jù)設(shè)計整定有一體化采集，經(jīng)過相應(yīng)處理后實現(xiàn)基于WITS標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸和共享。智能采傳儀的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在進行傳輸時，智能采傳儀通過RJ45連接至用戶工作區(qū)域內(nèi)的自建網(wǎng)絡(luò)、通過RS232接口和USB接口來連接現(xiàn)場儀器設(shè)備，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)；提供現(xiàn)場具有ZigBee協(xié)議和433MHZ協(xié)議的無線儀器儀表的連接處理模塊：提供小范圍WIFI覆蓋（100 m2）和AP覆蓋（半徑300 m或者500 m）。目前支持的各類儀器有：SLZ2A、SLZ-ACE、DIS4.5、DLS5.0、AIS2、Advantage、SL-EXPLORE、SKl.4.0.5、SKl.5、SKI.6、CPS2000、CPS3000、CMS、Drillbyte、wellstar、GWLWD、恒泰系列、海藍系列、BakerHughes儀器、Haliburton儀器、威德福儀器、斯倫貝謝儀器、GE、基于4-20 mA儀表、基于ZigBee無線傳感器、基于433 MHz無線傳感器、基于232和485的各類儀器儀表、基于WIFI的儀器儀表等等，實現(xiàn)了對各種傳感器及設(shè)備數(shù)據(jù)的自動采集。

1.2.2井場信息處理平臺

井場信息處理平臺包括傳輸客戶端和數(shù)據(jù)接收服務(wù)器端，兩者之間的數(shù)據(jù)通信如圖3所示。為此，研究將逐步展開詳述如下。

1.2.2.1傳輸客戶端

客戶端主要由系統(tǒng)設(shè)置、配置管理、數(shù)據(jù)傳輸、工具、視圖等模塊組成。

1）系統(tǒng)設(shè)置：連接、斷開服務(wù)器連接和退出。遠程服務(wù)器連接用于接收實時數(shù)據(jù)采集模塊傳送的數(shù)據(jù)，在鏈路正常時，將實時數(shù)據(jù)及時、正確地傳輸?shù)椒?wù)器；如果TCP鏈路不通，則將實時數(shù)據(jù)緩存起來，系統(tǒng)隨后會在網(wǎng)絡(luò)連接重新建立后，將緩沖數(shù)據(jù)打包成文件，自動通過FFP文件傳輸模塊上傳到服務(wù)器。同時對網(wǎng)絡(luò)鏈路進行實時監(jiān)視，判斷當(dāng)前鏈路狀態(tài)，對于已經(jīng)斷開的鏈路要及時處理，重新連接服務(wù)器，建立新的鏈路，保證實時數(shù)據(jù)傳輸通暢。該模塊支持多服務(wù)器數(shù)據(jù)傳輸，可以同時連接多個服務(wù)器，建立各自的實時數(shù)據(jù)傳輸通道，將實時數(shù)據(jù)同時發(fā)往各個服務(wù)器，對各個服務(wù)器的發(fā)送狀態(tài)進行獨立的控制。

2）配置管理：服務(wù)器參數(shù)、井基本參數(shù)、儀器參數(shù)、完井庫參數(shù)、工況狀態(tài)維護等的配置。其中，服務(wù)器參數(shù)包括服務(wù)器的名稱、IP地址、實時數(shù)據(jù)端口、FFP端口等。井基本參數(shù)包括井場名稱、井場密碼、指令附件存儲目錄、未發(fā)送數(shù)據(jù)累積保存的文件路徑等。用戶可根據(jù)不同的錄井儀器配置對應(yīng)的儀器參數(shù)、數(shù)據(jù)采集時間間隔、數(shù)據(jù)采集過程中累積數(shù)據(jù)數(shù)目的閾值等。完井庫參數(shù)則為完井?dāng)?shù)據(jù)庫的路徑、密碼。工況狀態(tài)維護即是對工況進行自動判斷和手動更改并傳輸。

3）數(shù)據(jù)傳輸：啟動采集、停止采集、工況傳輸、數(shù)據(jù)補采。啟動采集重點是對從錄井儀采集的實時數(shù)據(jù)引入必要的處理，形成系統(tǒng)所需要的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，提交至實時數(shù)據(jù)傳輸模塊進行傳輸。如果在某個時間段未采集數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提供了歷史數(shù)據(jù)補采機制，支持自動和手動兩種方式補采數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)補采根據(jù)設(shè)定好的日期或者井深處進行數(shù)據(jù)的歷史采集，補采的數(shù)據(jù)按照一定的格式保存到文件。補采結(jié)束后，系統(tǒng)自動提交FTP文件傳輸模塊，并壓縮上傳到數(shù)據(jù)接收服務(wù)器。

4）工具：完井庫上傳、分類文件上傳、指令回復(fù)等。在研究中，完井庫上傳是對現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)查新和壓縮上傳到數(shù)據(jù)接收服務(wù)器。分類文件上傳則用于實現(xiàn)如地質(zhì)日報、油氣專報、鉆井設(shè)計、地質(zhì)完井報告、完井測試報告等以Word、Excel連同多種形式存在的各類文件的上傳、下載。而指令回復(fù)就是根據(jù)平臺下達的指令做出回復(fù)。

5）視圖：文件傳輸記錄、指令歷史記錄、消息歷史記錄。分別對系統(tǒng)運行過程中的文件傳輸時間、路徑、上傳的目的地信息，將平臺下達的指令部門、內(nèi)容、附件大小、附件名稱，對上傳的各類文件及上傳狀態(tài)進行記錄。

1.2.2.2數(shù)據(jù)接收服務(wù)器端

數(shù)據(jù)接收服務(wù)器端主要提供實時數(shù)據(jù)服務(wù)、FFP服務(wù)、解壓寫庫服務(wù)、后臺監(jiān)控服務(wù)等。各類服務(wù)的內(nèi)容設(shè)計可作如下解析展示。

1）實時數(shù)據(jù)服務(wù)：用戶管理、鏈路維護、實時數(shù)據(jù)接收、指令下達、文件上傳結(jié)果回復(fù)。服務(wù)器端要及時接收客戶端的連接請求，如果連接請求通過用戶認(rèn)證，則記錄相應(yīng)的鏈路信息，并實時監(jiān)視客戶、服務(wù)器之間的鏈路狀態(tài)，判斷當(dāng)前鏈路狀態(tài)，對于已經(jīng)斷開的鏈路要及時處理，回收其占用資源，等待處理客戶端新的連接。服務(wù)器端同時接收多個客戶端傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)，由于客戶端是按照一定的時間間隔向服務(wù)器傳輸實時數(shù)據(jù)，因此，服務(wù)器必須在很短的時間，調(diào)度操控實時數(shù)據(jù)的接收、存儲、轉(zhuǎn)發(fā)；否則，就會造成實時數(shù)據(jù)的積累、丟失，達不到實時系統(tǒng)的預(yù)定目標(biāo)。指令下達功能是為了方便將用戶通過平臺發(fā)出的指令、通知等信息，及時傳輸給指定用戶。對于FFP服務(wù)來說，偶爾會出現(xiàn)上傳加載的文件無法正常解壓的現(xiàn)象，這時服務(wù)器就不能得到客戶上傳的信息，而客戶端又不知道上傳文件出現(xiàn)錯誤，不會重發(fā)該文件。因此，及時、正確地將文件上傳是否成功的信息反饋回客戶端就顯得尤為重要。

2）FFP服務(wù)：用戶管理、文件管理、文件信息入庫。系統(tǒng)首先要保證接收數(shù)據(jù)的實時傳輸，為了使文件傳輸對實時數(shù)據(jù)的傳輸產(chǎn)生盡可能小的影響，系統(tǒng)要求對FIT并發(fā)服務(wù)用戶進行限制，對同時提請文件上傳、下載的用戶數(shù)規(guī)定了上限，當(dāng)用戶到達上限后，即拒絕此后的用戶請求。文件管理要求用戶對上傳文件進行分類，服務(wù)器對于不同的文件提供了相應(yīng)的服務(wù)處理邏輯，對于用戶上傳推送的各類文件，F(xiàn)FP服務(wù)器會將其分類保存在適當(dāng)?shù)哪夸浵?。文件信息入庫模塊在文件上傳接收后，要將文件的詳細信息作為一條記錄寫入數(shù)據(jù)庫，保證解壓服務(wù)能夠通過這條記錄找到相應(yīng)的文件。

3）解壓、寫庫服務(wù)：由于文件是在壓縮后上傳到服務(wù)器的，即使得在進一步處理前需要首先進行文件的解壓縮處理。系統(tǒng)定時查詢數(shù)據(jù)庫，獲取當(dāng)前已經(jīng)上傳結(jié)束但還沒有解壓的文件記錄，并通過該記錄信息，鎖定記錄文件轉(zhuǎn)入解壓縮處理，并將解壓是否成功的信息寫入數(shù)據(jù)庫，以便實時數(shù)據(jù)服務(wù)向客戶端傳輸文件回復(fù)。成功解壓后，根據(jù)文件類型展開后續(xù)處理，對于實時數(shù)據(jù)文件和數(shù)據(jù)庫文件，采取寫庫操作，其他類型的文件轉(zhuǎn)移到平臺的發(fā)布目錄，并向數(shù)據(jù)庫寫入文件信息，便于平臺發(fā)布文件。

4）后臺監(jiān)控服務(wù)：是一個通用服務(wù)，定時查詢當(dāng)前監(jiān)控進程是否有響應(yīng)回傳，若被監(jiān)控進程在規(guī)定的時間內(nèi)沒有響應(yīng)，則將強制終止該進程，重新啟動運行，保證系統(tǒng)7x24小時內(nèi)均能維系正常工作。

1.2.3監(jiān)控中心

監(jiān)控中心主要是通過顯示終端對采集來的數(shù)據(jù)進行監(jiān)測，觀察各種參數(shù)，如發(fā)現(xiàn)有參數(shù)超過危險臨界值等情況，對其經(jīng)過全面分析后調(diào)取各類定制處理，避免事故的發(fā)生，提升了井場作業(yè)的安全性。

2關(guān)鍵技術(shù)

本次研究系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)接收服務(wù)器的負載均衡技術(shù)、接口設(shè)計等。這里將提出設(shè)計綜述如下。

2.1井場數(shù)據(jù)采集

除了智能采傳儀采集的實時數(shù)據(jù)，專業(yè)整理數(shù)據(jù)、地質(zhì)日報、巖心圖片等數(shù)據(jù)在經(jīng)由基層技術(shù)員、地質(zhì)師、工程師通過現(xiàn)場資料收集系統(tǒng)匯總填報后，傳輸回服務(wù)器。

2.2數(shù)據(jù)傳輸

在油田現(xiàn)場，對于采集到并成功加密的信息，數(shù)據(jù)傳輸處理模塊會設(shè)計推進數(shù)據(jù)分包、網(wǎng)絡(luò)連接測試、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)控、傳輸隊列管理、異常處理等一系列工作來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)使用無線通信網(wǎng)絡(luò)（GPRS、CDMA）為傳輸手段，依據(jù)TCP/IP協(xié)議來實現(xiàn)智能采傳儀與工房移動終端和網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸：在客戶端與服務(wù)器端之間建立TCP連接，來進行實時數(shù)據(jù)、聊天數(shù)據(jù)、命令等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的遠程實時傳輸。在基地接收到數(shù)據(jù)后，再進行數(shù)據(jù)解密、解壓，數(shù)據(jù)拆解等處理，同時存儲結(jié)果數(shù)據(jù)入庫，并及時更新各種數(shù)據(jù)庫，以利于后續(xù)生產(chǎn)的研發(fā)使用。系統(tǒng)提供的FTP服務(wù)，則是方便和滿足了用戶在服務(wù)器上傳和下載文件的需求。

2.3服務(wù)器的負載均衡

由于訪問服務(wù)器的用戶眾多，單個處理器無法應(yīng)對大量用戶訪問，故需要多臺服務(wù)器提供負載均衡服務(wù)來將用戶的訪問分發(fā)到合適的服務(wù)器，以滿足用戶的訪問需求。系統(tǒng)主要利用隨機算法來進行平衡與合理的分配，可以保證用戶請求基本是分散的，從而達到理想的均衡效果；同時配合使用加權(quán)輪詢調(diào)度算法，根據(jù)權(quán)值的高低順序并按照輪詢的方式將任務(wù)請求分配到各結(jié)點，來響應(yīng)用戶的訪問請求。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性，采用健康檢查的方法來對服務(wù)器開放服務(wù)的可用狀態(tài)構(gòu)建通盤檢查，以防止由于服務(wù)器突然出現(xiàn)故障而影響接收的情況，該方法可以設(shè)定好檢查的時間間隔和嘗試次數(shù)，對出現(xiàn)問題的服務(wù)器及時采取各類有效措施。在處理用戶請求的過程中，常常會出現(xiàn)同一個用戶多次訪問的情況，負載均衡設(shè)備會根據(jù)不同的應(yīng)用配置相應(yīng)的會話保持，用來保持會話的連續(xù)性和一致性。

2.4接口設(shè)計

為了實現(xiàn)采集傳輸一體化，系統(tǒng)提供了軟件、硬件、通信三大類型的接口。具體來說，軟件接口主要是井場數(shù)據(jù)采集發(fā)送子系統(tǒng)和綜合錄井軟件系統(tǒng)之間的接口，井場數(shù)據(jù)采集發(fā)送子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)從綜合錄井軟件系統(tǒng)中得來，通過網(wǎng)絡(luò)通信接口、串行通信接口、第三方組件或直接從綜合錄井軟件系統(tǒng)的實時存盤的數(shù)據(jù)庫中讀取資料等。硬件接口是為了使井場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的資料直接從綜合錄井軟件系統(tǒng)采集得到，不和綜合錄井儀的傳感器發(fā)生直接關(guān)系。井場數(shù)據(jù)采集發(fā)送子系統(tǒng)和基地資料接收、管理、服務(wù)及應(yīng)用子系統(tǒng)都不直接和硬件發(fā)生聯(lián)系。系統(tǒng)通過WinSock接口（基于Socket模型的接口）與基地資料接收、管理系統(tǒng)進行通信，用于傳輸實時數(shù)據(jù)和成批歷史資料。

3應(yīng)用實例

本系統(tǒng)將油田現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)在基地用戶終端顯示，進行實時監(jiān)測。如圖4即是對浙江油田某井進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測的場景，技術(shù)人員可以監(jiān)測到諸如井深、鉆頭位置、鉤載、扭矩等實時數(shù)據(jù)，同時實時動態(tài)生成曲線，便于了解每個參數(shù)的變化情況，從而規(guī)劃生成下一步的決策。

4結(jié)束語

智能井場數(shù)據(jù)遠程傳輸系統(tǒng)是數(shù)字和智能油田建設(shè)的重要組成部分，已經(jīng)在西南油氣田的壓裂現(xiàn)場、浙江油田上得到應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)的采集傳輸，本系統(tǒng)將智能采傳儀作為采集傳輸一體化設(shè)備，對采集到的傳感器數(shù)據(jù)、隨鉆儀器數(shù)據(jù)等做出必要處理后，即設(shè)計形成了基于WITS標(biāo)準(zhǔn)的傳輸與共享。系統(tǒng)所提供的WIFI覆蓋和ZIGBEE技術(shù)可支持終端應(yīng)用和遠程維護，真正研發(fā)建立了井場無人值守的智能化管理：現(xiàn)場自組網(wǎng)通過點對點的無線鏈路，減少了繁瑣現(xiàn)場布線工程和以往從現(xiàn)場到基地用戶多網(wǎng)關(guān)造成的實時數(shù)據(jù)堵塞問題；通過3G無線鏈路等無線傳輸方式將現(xiàn)場各類傳感器、智能采傳儀、終端用戶和數(shù)據(jù)接收服務(wù)器等融入互聯(lián)，從而進行高效信息交互。該系統(tǒng)實現(xiàn)了井場數(shù)據(jù)采集傳輸一體化，體現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在數(shù)字油田建設(shè)中所帶來的效益及顯著優(yōu)勢，其推廣應(yīng)用將為遠程決策提供數(shù)據(jù)支持，并進一步合理升級、且規(guī)范完善井場信息一體化服務(wù)平臺。