物联网技术及油气田物联网建设

吴东 赵黎 李青 赵丽萍

[摘 要] 本文对物联网概念及架构进行了阐述，对油气生产物联网的3个子系统进行分析，结合油田实际应用情况，对系统的建设及应用与推广提出了自己的一点看法及认识。

[关键词] 物联网；物联网架构；油气生产

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2014 . 04. 028

[中图分类号] F272.7；TP393 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2014）04- 0055- 02

1 物联网概念及技术架构

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。它有两层意思：①物联网的核心和基础是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；②用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

从技术架构上来看，物联网可分为3层：感知层、网络层和应用层。感知层由各种传感器以及传感器网关构成，它的作用相当于人的神经末梢，它是物联网识别物体、采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。 网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。

2 物联网发展

物联网的概念最初来自“传感网”，是作为重大IT技术提出来的。1999年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出，传感网是22世纪人类面临的又一个发展机遇。2003年，美国《技术评论》杂志提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。到了2005年，在突尼斯举行的信息社会世界峰会上，国际电信联盟（ITU）发布了《互联网报告2005：物联网》一文，正式提出了“物联网”的概念。射频识别技术（RFID）、传感器技术将是其中的关键技术，2009年，美国工商业领袖的一次会议上，首次提出“智慧地球”的概念。从此物联网的概念进入了国家的战略层，发达国家也纷纷效仿，提出相应的战略对策。

2009年8月7日，国务院总理温家宝发表重要讲话，指出“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术”；“在国家重大科技专项中，加快推进传感网发展”；“尽快建立中国的传感信息中心，或者叫‘感知中国中心”。近年来，北京、上海、广州等城市都加快了物联网发展的布局。在各个行业，如石油工业、绿色农业、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通和环境监测等各个行业均有物联网应用的尝试。

3 油气生产物联网

根据中石油集团公司“十二五”总体规划以及油气田生产实际要求，急需加快面向生产操作过程的信息系统建设，通过信息技术与工业生产的融合，提高生产操作的自动化程度，保证生产持续、安全、稳定、高效的运行，为优化生产管理流程，实施精细化管理创造条件。

油气生产物联网系统就是利用物联网技术，实现油气田井区、计量间、集输站、联合站、处理厂生产数据、设备状态信息在作业区生产指挥中心及生产控制中心集中管理和控制。搭建油气田场站规范、统一的数据管理平台，支持油气生产过程管理，进一步提高油气田生产决策的及时性和准确性。

油气生产物联网包括3个子系统（图1），以下对此3个子系统进行分析。

3.1 数据采集与控制子系统

采集与控制子系统主要是利用传感、射频等技术，感知油气生产信息，建立覆盖油气全过程准确、可靠的自动化采集与控制子系统。实现采集数据完善准确，过程控制精确到位，安全管理及时有效，系统控制稳定可靠。

数据采集与控制子系统包含4个主要功能：生产数据自动采集，生产环境自动监测，生产过程自动控制，物联设备状态监控。

采集子系统中，通过准确的数据采集才能真实地反映油气井数据的变化，指导油气井管理。应当考虑到以下问题：

3.1.1 传感器精度

数据采集所使用的传感器需要考虑精度等级；针对现场不同情况选择精度等级不同的传感器。

3.1.2 环境条件

使用设备要考虑地区环境条件，如北方地区需要考虑耐严寒、抗风沙，南方地区因环境湿度大，需要考虑防水等。

3.1.3 仪表可管理性

主要体现在仪表采用合适的通讯协议，远端实现仪表工作状态、生产日期、编号等的查询，使仪表校验等可控。

在控制子系统建设中，设计理念上应当体现远端控制和就地控制相结合的理念。具体来说，就是不能完全依靠远端控制信号进行控制，本地控制器一定要具有基本的逻辑处理能力，用于防止由于通讯链路故障或拥塞造成的部分控制信号不能及时到达而产生的危害因素，另一方面还要防止现场出现紧急情况后远端不能及时发出控制指令而造成的现场生产失控。

3.2 数据传输子系统

数据传输子系统主要是利用数据通信技术，实现生产数据和视频图像的实时传输，满足整个系统对数据的安全性、实时性、稳定性等要求。此系统可以实现井站的实时数据，指令的数据传输，以及图像的传输。

数据传输子系统采用有线和无线技术相结合的方式，将井场、站库生产数据及视频信号高效、安全、稳定地传输到油气田监控指挥中心。距站较近的井场、站站之间通过有线网络相连，以光缆传输为主；井场和边远站库数据通过无线异构网络传输，包括多载波无线信息本地环路（McWiLL）、全球微波互联接入（WiMAX）、通用分组无线服务（GPRS）、数传电台等无线传输技术。

3.2.1 以太网和宽带网

以太网和宽带网是互联网的主要接入形式，也是物联网传输的主要通讯载体。在物联网网络中，有以太网或宽带接入条件的固定终端应用时，可以通过终端上的以太网接口接入到网络，这种接入方式，继承了以太网和宽带的大数据量和低延迟的特点，可以用于传输大数据量的文件信息和流媒体信息。但受限于应用网络，比如在新疆油田公司各作业区，各类站库、油井、水井位置大多处于沙漠、戈壁地区，使用受到限制。

3.2.2 GPRS/CDMA/3G无线网络

移动无线网络，GPRS/CDMA/3G等将成为未来物联网中主要的移动通讯载体，因其具有无布线、易布置、流动工作的特点，将被大量应用在需要移动传输数据和不利于布线布网的野外场合。但这种网络由于无线交换的特点，具有一定的时延，且带宽有限，一般用来做实时性要求不高和数据量不大的场合，而且使用存在向电信运行商付费问题。

3.2.3 WLAN无线网络

WLAN无线网络是以太网、宽带网的末端延伸，属于区域内的无线网络，兼有以太网、宽带网的优点，又具备GPRS/CDMA/3G等网络的部分无线功能，在无线联网中发挥重要作用。但WLAN无线网络应用的范围，既受限于无线路由的信号范围，又受限于以太网、宽带网的接入，因此，一般应用在宽带接入的末端不适合布线的场合，并作为以太网、宽带网的重要补充。

将物联网技术应用于视频监控系统通过录像机、矩阵、云台摄像机实现视频监控系统的图像切换、录像资料调用。把录像机、矩阵、云台控制指令进行存储，可以实现对各种监控系统的控制，当接收到传感器发出的感知信号，就可以联动视频监控系统，调用多个视频监控图像，从不同角度监看目标的局部细节和周边区域的图像。

通过物联网技术的应用，油田视频监控系统，不仅可以使防盗报警、门禁控制、消防火灾报警、视频监控系统联动，还可以实现感知信息与视频监控系统联动，可使物品获取视频感知信息，使现有的视频监控系统发挥最大的应用价值。

在建设过程中，对不同井、站视频的监控，需要针对不同场地视频监控提出适当的带宽要求，需要制定视频传输带宽占用标准，不能无限制扩大，必要时可多种数据传输网共同采用。

3.3 生产现场监控与管理子系统

生产现场监控与管理子系统主要是利用实时采集的生产信息，建立覆蓋油气生产、处理全过程的生产管理、预测预警系统。实现生产过程实时预警，控制参数实时调整，数据信息实时发布，管理决策及时到位。此系统可以实现生产的实时检测、生产动态设备分析，设备管理等功能。

油气生产现场监控与管理子系统主要包含以下功能：油气水井生产监控、远程自动计量、油气集输生产监控、生产环境监控、气体监测、防盗防泄漏监控、生产动态实时监控、故障预警、系统管理、数据管理、物联设备管理。

由于物联网由大量的机器、设备构成，缺少人对设备的有效监控，并且数量庞大，设备集群等相关特点造成的，安全问题主要有以下几个方面：

（1）设备本地安全问题。由感知节点多数部署在无人监控的场景中，存在人为破坏的隐患，它们的数据传输和消息也没有特定的标准，所以没法提供统一的安全保护体系。

（2）核心网络的传输与信息安全问题。核心网络具有相对完整的安全保护能力，但是由于物联网中节点数量庞大，且以集群方式存在，对于单一的油气井或计量站来说，数据量不大，但是对于上千口油井来说，数据量是比较大的，因此会导致在数据传播时，由于大量机器的数据发送使网络拥塞，产生拒绝服务攻击。同时由于要兼顾控制的及时性，有必要建立分布式数据库服务器和分布式应用服务器。

（3）物联网业务的安全问题。随着物联网的发展，传感器的数目将呈几何级数的发展，对物联网机器的安全信息进行管理成为新的问题，需要建设统一的安全管理平台，增强系统的安全性、保障各类业务的应用。

4 总 结

近年来，对于油田作业区而言，井场、站库等油气田生产现场的数据采集、过程控制、参数优化、管理决策等凸现重要，将自动化技术、通信技术、信息技术融合的油气生产物联网系统在智能识别、数据融合、数据应用等方面发挥越来越大的作用，油气生产物联网是油气田信息化建设发展的必然趋势。

主要参考文献

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