物聯(lián)網(wǎng)在油田的應(yīng)用前景.doc

物聯(lián)網(wǎng)在油田的應(yīng)用前景姓名：楊承欣；單位：陸上作業(yè)區(qū)采油七區(qū)；摘要：在信息化時代的今天，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用已經(jīng)在各行各業(yè)逐步推開和深入，例如車載通訊和智能交通、農(nóng)產(chǎn)品的跟蹤溯源、智能家電、自動物流監(jiān)控等等，溫家寶總理在今年的政府工作報(bào)告中指出：“今年要加大培育戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，加快物聯(lián)網(wǎng)的研發(fā)應(yīng)用。”可見智能化、信息化是世界的發(fā)展方向，本文著重探討和研究石油行業(yè)里一些具體能夠利用現(xiàn)代通訊手段進(jìn)行智能化的設(shè)備和監(jiān)控單元，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化油田的目標(biāo)。關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化油田、自動監(jiān)控1物聯(lián)網(wǎng)11物聯(lián)網(wǎng)簡介 物聯(lián)網(wǎng)的概念是1999年提出來的，其英文名稱是“The Internet of things”。由此，顧名思義，“物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。這有兩層意思：第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；第二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信。因此，物聯(lián)網(wǎng)的定義是通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。 圖1.物聯(lián)網(wǎng)概念12物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成從技術(shù)架構(gòu)上來看，物聯(lián)網(wǎng)可分為三層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。 感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，可燃?xì)怏w濃度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器、二維碼標(biāo)簽、RFID 標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的作用相當(dāng)于人的眼耳鼻喉和皮膚等神經(jīng)末梢，它是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源，其主要功能是識別物體，采集信息。 網(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺等組成，相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞和大腦，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。 應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶（包括人、組織和其他系統(tǒng)）的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。 圖2.物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)13物聯(lián)網(wǎng)的特征 首先，它是各種感知技術(shù)的廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)上部署了海量的多種類型傳感器，每個傳感器都是一個信息源，不同類別的傳感器所捕獲的信息內(nèi)容和信息格式不同。傳感器獲得的數(shù)據(jù)具有實(shí)時性，按一定的頻率周期性的采集環(huán)境信息，不斷更新數(shù)據(jù)。 其次，它是一種建立在互聯(lián)網(wǎng)上的泛在網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要基礎(chǔ)和核心仍舊是互聯(lián)網(wǎng)，通過各種有線和無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)融合，將物體的信息實(shí)時準(zhǔn)確地傳遞出去。在物聯(lián)網(wǎng)上的傳感器定時采集的信息需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，由于其數(shù)量極其龐大，形成了海量信息，在傳輸過程中，為了保障數(shù)據(jù)的正確性和及時性，必須適應(yīng)各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議。 還有，物聯(lián)網(wǎng)不僅僅提供了傳感器的連接，其本身也具有智能處理的能力，能夠?qū)ξ矬w實(shí)施智能控制。物聯(lián)網(wǎng)將傳感器和智能處理相結(jié)合，利用云計(jì)算、模式識別等各種智能技術(shù)，擴(kuò)充其應(yīng)用領(lǐng)域。從傳感器獲得的海量信息中分析、加工和處理出有意義的數(shù)據(jù)，以適應(yīng)不同用戶的不同需求，發(fā)現(xiàn)新的應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用模式。14 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展前景和政策扶持物聯(lián)網(wǎng)的三個發(fā)展方向：1、 任何時間：由只在工作時發(fā)展到全天候；2、 任何地點(diǎn)：由只在個人電腦發(fā)展到室內(nèi)任一臺電腦，再到戶外任意終端，再到移動終端；3、 任何事物：由最初的兩臺電腦連接到兩個操作電腦的人之間的交互，再到人與事物間的交互，到最終發(fā)展成物與物的交互（即M2M）。M2M不是簡單的數(shù)據(jù)在機(jī)器和機(jī)器之間的傳輸，更重要的是，它是機(jī)器和機(jī)器之間的一種智能化、交互式的通信。也就是說，即使人們沒有實(shí)時發(fā)出信號，機(jī)器也會根據(jù)既定程序主動進(jìn)行通信，并根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)智能化地做出選擇，對相關(guān)設(shè)備發(fā)出正確的指令?？梢哉f，智能化、交互式成為了M2M有別于其它應(yīng)用的典型特征，這一特征下的機(jī)器也被賦予了更多的“思想”和“智慧”。據(jù)有關(guān)部門保守預(yù)測，M2M服務(wù)市場將保持每年25的增長，2010年產(chǎn)值有望達(dá)到80億美元。在中國，至2012年國內(nèi)的市場容量將達(dá)到一億部終端的規(guī)模。隨著包括設(shè)備、通訊、管理軟件等技術(shù)的深化，M2M 產(chǎn)品成本的下降，M2M業(yè)務(wù)將逐漸走向成熟，目前，M2M 技術(shù)已經(jīng)在歐洲和韓國實(shí)現(xiàn)商用，主要應(yīng)用在安全監(jiān)測、機(jī)械服務(wù)和維修業(yè)務(wù)、自動售貨機(jī)、公共交通系統(tǒng)、車隊(duì)管理、工業(yè)流程自動化、電動機(jī)械、城市信息化等領(lǐng)域。人們紛紛看好了M2M的發(fā)展前景。一個出發(fā)點(diǎn)就是，在當(dāng)今世界上，機(jī)器的數(shù)量至少是人的數(shù)量的4倍，這意味著巨大的市場潛力。預(yù)測，2010年全球?qū)⒂谐^4000億臺的機(jī)器具備數(shù)據(jù)傳輸功能，取代人力控制和操作，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能管理和服務(wù)。溫家寶總理在無錫考察傳感網(wǎng)產(chǎn)業(yè)時對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展作重要指示，中國政府將M2M通信技術(shù)列入“十一五”規(guī)劃國家級重點(diǎn)通信項(xiàng)目，各國政府均將信息化提升為國家戰(zhàn)略。圖3.物聯(lián)網(wǎng)的政策支持2我區(qū)目前自動化現(xiàn)狀 2.1油井遠(yuǎn)程監(jiān)控由于油井的離散分布式特點(diǎn)，所以每口單井配備一個監(jiān)控終端單元，通過無線信號將收集到的油井工況數(shù)據(jù)發(fā)送到安裝在計(jì)量間的無線信號接收單元，再轉(zhuǎn)換成有線信號接入交換機(jī)傳到中控室。目前這個監(jiān)控終端負(fù)責(zé)收集的信息有油壓、套壓（分別由兩個依靠電池供電、量程范圍配套的壓力傳感器將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)奖O(jiān)控單元）、載荷（由一個依靠太陽能充電的載荷傳感器將抽油機(jī)一個沖程內(nèi)的載荷數(shù)據(jù)和驢頭定位數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)奖O(jiān)控單元，其內(nèi)部有一個速度感應(yīng)器，依靠驢頭在上下死點(diǎn)時運(yùn)動速度為零來定位上下死點(diǎn)的位置，如果抽油機(jī)沖次太慢則誤差較大）、三相電流（由三個電流互感器直接將數(shù)據(jù)輸入監(jiān)控單元）。 圖4.油井監(jiān)控設(shè)備目前存在的主要問題是傳感器可靠性差，中控室時常錄取不到功圖，傳感器供電問題、信號紊亂、無信號等各種因素都有，不過廠家也不厭其煩地在調(diào)試、改進(jìn)。22 防盜及視頻監(jiān)控自動化系統(tǒng)每個井場都配備了至少兩個攝像頭，確保沒有照攝不到的死角，需要固定角度照攝的配有高分辨率廣角攝像頭，還有可全方位調(diào)整照攝角度的紅外攝像頭，攝像頭連接編碼器，編碼器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號接入交換機(jī)。同時每個井場還配有功放，連接一個擴(kuò)音器，可通過中控室向井場的人員喊話。 圖5.監(jiān)控?cái)z像頭和擴(kuò)音器在中控室的監(jiān)控電腦上可以安裝一個程序，該程序可以調(diào)出井場的監(jiān)控畫面，并且可以在屏幕上畫出一些線條和閉合的多邊形，只要在攝像頭固定角度的時候，如果有變化的色彩碰觸到這些畫好的線條或進(jìn)出閉合的多邊形，就會發(fā)出報(bào)警，以這種非智能的方式間接提醒工作人員注意井場的動態(tài)。夜間，井場需配備一定亮度的探照燈，才能實(shí)施監(jiān)控，遇到雷雨天氣攝像頭出現(xiàn)故障的概率就會高一些。23計(jì)量間、集輸站自動化計(jì)量間的自動化主要方向就是操作，附帶著一定量的監(jiān)控和傳感數(shù)據(jù)。中控室發(fā)出指令，通過PLC傳送到某個電動執(zhí)行裝置進(jìn)行動作，從而完成計(jì)量倒閥任務(wù)，需要監(jiān)控分離器液位變化，記錄上液時間，監(jiān)控分離器壓力、出口壓力、單井來液溫度、閥位狀態(tài)，還有一個計(jì)量間內(nèi)可燃?xì)怏w濃度傳感器，這些數(shù)據(jù)都直接傳送到PLC，PLC連接交換機(jī)。 圖6.自動化計(jì)量間24車輛GPS監(jiān)控中控室配有一臺專門監(jiān)控采油區(qū)所有車輛的電腦，安裝有GPS客戶端，可以對所有車輛的地理位置、運(yùn)行車速、車內(nèi)操作進(jìn)行監(jiān)控和記錄。不僅可以實(shí)時監(jiān)控，也可以調(diào)出歷史記錄進(jìn)行回放，對違章行為進(jìn)行追責(zé)，促進(jìn)行車的安全。3物聯(lián)網(wǎng)在采油區(qū)的應(yīng)用前景縱觀目前油區(qū)的自動化現(xiàn)狀，還不能完全稱之為物聯(lián)網(wǎng)，但是現(xiàn)在的狀態(tài)是處在向物聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)過程中的初步發(fā)展階段，如果想進(jìn)一步向物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，大多數(shù)的設(shè)備都不需要完全廢除，只需給相應(yīng)的設(shè)備添加一些更加智能的芯片，網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量再擴(kuò)充一下，或改用覆蓋更加廣泛、信號更加穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)資源（例如由三大運(yùn)營商提供的3G無線網(wǎng)），就可以稱得上是物聯(lián)網(wǎng)了。下面我就從構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)的三個層面：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層分別探討在油田的可行性和構(gòu)想。31感知層感知層好比人的眼睛、耳朵、鼻子，負(fù)責(zé)收集信息，在采油生產(chǎn)過程中所要收集的信息類型主要包括壓力、載荷、電流值，進(jìn)入計(jì)量間采集的信息有溫度、可燃?xì)怏w濃度、液位數(shù)據(jù)、閥位狀態(tài)等，這些信息都有相對應(yīng)的傳感器負(fù)責(zé)收集，只需要單向傳遞到中控室，工作人員負(fù)責(zé)監(jiān)控，所以沒有必要再往更加智能的方向升級。但是載荷傳感器可以考慮，因?yàn)樗?fù)責(zé)產(chǎn)生油井的一項(xiàng)十分重要的數(shù)據(jù)功圖，石油工程技術(shù)人員就是依靠功圖來間接判斷井下抽油泵的工況，判斷出工況才能具體實(shí)施不同的下一步措施，否則一出問題就不知什么原因，無從決定下一步工作，只能上作業(yè)檢泵，使生產(chǎn)成本增加。如果把載荷傳感器納入物聯(lián)網(wǎng)的范疇，使技術(shù)人員在任何時間，任何地點(diǎn)，使用定制的或者通用的終端都能讀取到某口井的功圖，將極大的提高油井的管理水平。由于功圖的重要性，為了減少自動化系統(tǒng)中其他因素對載荷錄取的影響，建議功圖的讀取從現(xiàn)有的自動化系統(tǒng)中脫離出去，建立一套獨(dú)立的系統(tǒng)，對其進(jìn)行智能升級，向物聯(lián)網(wǎng)定義的方向發(fā)展。由于本人是非專業(yè)人士，具體的實(shí)施方案可行與否，以及更深層次的技術(shù)細(xì)節(jié)無從得知，我只能根據(jù)現(xiàn)實(shí)生活中真實(shí)的、已經(jīng)應(yīng)用的類似事物做大膽的構(gòu)想。例如我們?nèi)巳硕加械氖謾C(jī)，從最初的只能打電話，到可以發(fā)短信，再到可以上網(wǎng)、拍照、播放音樂和視頻，其實(shí)當(dāng)手機(jī)可以上網(wǎng)的時候，說明它具備了收發(fā)數(shù)據(jù)的功能，此時它又是一個接入互聯(lián)網(wǎng)的物體，從另一個定義去說，使用手機(jī)就可以算是一個物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用了。我的構(gòu)想簡單地說就是把載荷傳感器制作成一部可以錄取功圖數(shù)據(jù)的3G手機(jī)，當(dāng)然因?yàn)槟康牟煌?，通話功能、拍照功能、音樂播放功能等都可以去掉，只需要定時發(fā)送功圖數(shù)據(jù)，接收一些簡單的命令就可以了，網(wǎng)絡(luò)方面可以利用中國三大電信運(yùn)營商的3G網(wǎng)，基本上可實(shí)現(xiàn)隨時隨地讀取某口井的功圖。如下圖： 圖7.現(xiàn)場讀取功圖32網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息，也就是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。我區(qū)自動化網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀是：比較集中的計(jì)量間與計(jì)量間之間都是用光纖連接的，每個計(jì)量間都有一部交換機(jī)，是華為3Com公司出品的H3C 3600交換機(jī)，有四個光模塊接口，24個RJ-45接口，質(zhì)量上乘，網(wǎng)絡(luò)比較穩(wěn)定，問題主要涉及埋地光纖，因?yàn)橛吞锩刻旄鞣N施工比較多，生產(chǎn)部門的現(xiàn)場監(jiān)督人員往往也不熟悉自動化部門的情況，所以經(jīng)常出現(xiàn)光纖毀壞的情況，因此往后的建設(shè)施工都優(yōu)先考慮光纖架空。比較偏遠(yuǎn)的井場，油井又不是很多，產(chǎn)量也不高，或者鋪設(shè)光纖成本較高的井場，比如我區(qū)有兩個井場與中控室之間隔有一條河，這些情況采用的是無線網(wǎng)橋傳輸，但是網(wǎng)絡(luò)極其不穩(wěn)定，我懷疑廠家使用的是IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，傳輸速度11Mbps，實(shí)際傳輸速率是4Mbps到6Mbps，如果加入視頻監(jiān)控，丟包問題很嚴(yán)重，基本上自動化變成了半自動化?？梢钥紤]升級成IEEE802.11g標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，或者添加一個CDMA DTU接入中國電信的CDMA網(wǎng)絡(luò)，該設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)RS 485 或者RS 232 接口，把串口數(shù)據(jù)通過CDMA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行透明傳輸，可直接與數(shù)據(jù)采集器、智能儀表、PLC、單片機(jī)控制器等廣泛用于工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)終端和網(wǎng)管平臺的雙向通信。這種設(shè)備目前很多廠家可以生產(chǎn)，并且通過中國電信認(rèn)證，中國電信免費(fèi)提供應(yīng)用對接測試平臺。圖8.南京阿達(dá)爾生產(chǎn)的CDMA DTU圖9.中國電信物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和推廣中心33應(yīng)用層應(yīng)用層主要涉及到中控室的電腦，安裝相應(yīng)的程序，實(shí)施智能分析與控制、信息的挖掘、行業(yè)增值應(yīng)用等。我們現(xiàn)在的情況遠(yuǎn)未達(dá)到起初設(shè)想的目標(biāo)，比如登錄北京安控建設(shè)的冀東油田信息發(fā)布平臺，里面的查詢系統(tǒng)、一井一法管理系統(tǒng)中都有許多相當(dāng)好的應(yīng)用，只是由于感知層收集的數(shù)據(jù)并不完整和準(zhǔn)確，所以應(yīng)用層的應(yīng)用也就無法開展。不過相信隨著技術(shù)的進(jìn)步、設(shè)備的完善，人們勇往直前的摸索和嘗試，總是會進(jìn)步的。4結(jié)束語目前，我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展與全球同處于起步階段，初步具備了一定的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用基礎(chǔ)，呈現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢。產(chǎn)業(yè)發(fā)展初具基礎(chǔ)，技術(shù)研發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)研制取得突破，應(yīng)用推廣初見成效。盡管我國物聯(lián)網(wǎng)在產(chǎn)業(yè)發(fā)展、技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)研制和應(yīng)用拓展等領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但應(yīng)清醒的認(rèn)識到，我國物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展還存在一系列瓶頸和制約因素，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：核心技術(shù)和高端產(chǎn)品與國外差距較大，高端綜合集成服務(wù)能