新疆油田新型物联网监控平台研究与应用

2023-04-29李兵元李国荣陈亚颐韩梦蝶

信息系统工程 2023年6期

李兵元?李国荣?陈亚颐?韩梦蝶

摘要：新疆油田在自主可控的基础上研发了贴合油气生产行业要求的新型物联网监控平台，采用B/S架构，支持海量数据实时采集、生产监控、智能化建模分析。相对于传统单机版SCADA软件，该平台在大规模生产集中管控、分级监控、功能可扩展性等方面更具优势。通过总结新型平台在实践过程中开发的功能与特性，为同类企业数字化转型提供参考。

关键词：工业互联网；生产监控；国产化替代；物联网

一、前言

中国石油坚持“价值导向、战略引领、创新驱动、平台支撑”总体原则，按照业务发展、管理变革、技术赋能三大主线实施数字化转型，通过工业互联网技术体系建设和云平台为核心的应用生态系统建设，打造“一个整体、两个层次”数字化转型战略架构[1]。在集团整体框架指导下，新疆油田启动生产监控云平台的研发，采用物联网先进技术，实现了油气井、工艺过程、信息系统以及人之间的网络互联[2]，通过对工业数据的深度感知、实时传输交换、快速计算处理和高级建模分析[3]，实现了厂级集中监管、智能控制，经过各厂大规模实际应用，新平台有效支持了新疆油田“四办四中心”运营优化和生产组织方式的变革。

二、平台简介

在“十四五”后期，新疆油田需要管理百万计的传感器监测点，传统的SCADA系统难以满足这种大规模并发读写的性能需求；同时企业数据容量从TB级扩展到PB级，对海量数据进行实时计算的性能已经成为应用瓶颈[4]。新平台按照工业互联网技术划分为IaaS、PaaS与SaaS层，技术关键点包括：①支持百万级数据点并发采集；②支持海量数据的存储、分类、建模；③支持流计算等高实时性计算方法。

生产监控云平台配置生产监控、设备管理、能耗管理等与生产管理紧密结合的企业应用系统，如图1所示。提供了将实时运营数据转化为数据分析和决策的通道，能够让油田自主掌控生产物联网，充分发挥数据的智能应用价值。

平台基本功能构成如下：

首页功能：提供厂级宏观监控功能，以图表方式展示全厂开关井、报警等统计信息，嵌入GIS地图。

油气生产流程监控：以组态方式展示油水井（如图2所示）、计量间、配水间、转油站、增压站、泵站等的监控参数，实现井站生产运行状态的快速监控与报警处置。

油气处理监控：以组态方式展示处理站的主要工艺流程，实现处理站的数据可视化。

参数表：提供油井、注水井、配水间、计量间的主要参数集中查看功能。

曲线分析：以单井、计量间作为查询对象，生成24小时历史曲线，快速分析重要监测参数变化情况。

通信参数：监控从RTU到实时数据平台网络节点的通讯状况，包括油井、注水井、计量间、配水间的通讯状况。

实时报警：基于阈值报警及复杂报警规则，动态推送最新报警，根据处理状态分类展示，便于查询和跟踪。

能耗监控：实现电力线路、设备电表等耗能数据的实时监测。

仪表故障统计：基于仪表本身收集到的故障代码，对仪表状态进行实时动态统计，确保在第一时间掌握仪表工况，不断提高数据质量与数据稳定性。

其他监控功能扩展，例如集输管网监控、施工车辆监控、视频监控等。

三、功能特性

随着新疆油田数字化建设，生产监控云平台先后在多个采油气生产单位进行了落地应用，与传统监控系统相比，存在如下对比特性[5-6]。

（一）数据采集

生产监控云平台采用Erlang开发采集服务模块，采集服务面向每一个设备分别创建一个或多个并发体，通过并发体之间的性能均衡与实时调度机制，确保每一个并发体的实时性，如图3所示。一台服务器可以并发上万个采集服务，最多能支持50万点同时采集。而传统监控系统通过I/O驱动器建立与RTU或PLC之间的连接，并发能力受到系统限制，一般单机的采集能力在万点级别。

（二）数据存储

生产监控云平台采用分布式节点方式，在数据存储时，会根据服务器集群的节点运行情况，进行并发写入，并自动冗余备份，主要采用了分片存储、宽表设计、动态创建等技术，每秒数据处理和归档能力、数据混合压缩性能等关键性能指标满足海量数据场景需求。

（三）监控报警

不同于传统阈值报警方式，生产监控云平台提供了以事件为中心的报警管理机制，可对海量报警信息的自动分类、分级以及自动阈值推荐。此外，还提供网络化通讯诊断、曲线分析等功能。报警服务支持多级监控，可通过交换机、路由器等设备组成的局域网按需部署多套联动分析系统。

第一，控制功能更加灵活。诸如远程启停抽油机、远程调水只需要在页面或数据库配置即可实现，降低二次开发成本，而传统SCADA大多需要开发和实施人员编写脚本。

第二，灵活的页面展示。如通过可视化界面配置，监控页面可任意以模板页面或自定义页面展示。嵌入式开发更加灵活，可以方便地嵌入诸如视频或其他软件系统。基于地图（GIS）的井场拓扑展示，更加直观展示作业区地图总貌、油气水井开关井数、设备在线数、油气产量等信息。

第三，参数表的数据显示更加灵活。用户可以根据自己的需求任意控制显示隐藏数据，还可支持单井的批量启停控制等操作。

第四，构建了以集中监控为主、分级监控为辅的分布式主备监控平台设计模式，如图4所示。正常监控模式下，各生产区域运行动态通过厂级监控平台集中监管，当厂与各级生产区域网络出现异常时，启动各生产区域部署的分级监控平台，作为应急监控模式，两级平台数据与系统配置实现自动同步。两级生产运行管理模式的搭建及实时数据的有效共享，与已有软件系统共同构建了完整的业务分析与管理体系。

（四）数据分析

采用流批一体计算支持海量数据实时并行分析、一次性大量数据分析，与单纯批量计算慢慢积累数据不同，对于实时计算要求高的诊断分析模型，采用流式计算将大量数据平摊到每个时间点上，连续进行小批量实时传输，数据持续流动，计算结果立刻推送到系统界面，做到即时化应用。生产监控云平台采用流批一体计算引擎可实现如下功能：

一是进行复杂模型诊断与预警[7]，用于解决流动平衡、趋势预测、故障判断等多参数联合分析问题，是数据智能化应用的第一步，通过将人工经验提炼到复杂算法模型中，实现现场监控无人化或少人化。

二是基于实时采集数据的实时指标计算，例如基于电表采集的实时累计耗电量计算当日实时电量、基于油井示功图数据计算载荷跨度等。

三是利用批计算功能计算生产动态指标，例如基于实时采集的数据自动生成日报数据。

（五）平台管理

生产监控云平台服务集中部署，用户只需要通过浏览器就可以访问，在运维管理时提供方便高效的功能：

一是本身集成了丰富的采集协议，大部分配置通过页面完成。界面风格也可以自主配置切换，满足监控个性化需求。

二是平台产生的系统垃圾很少，权限管理严格，安全系数高。

三是完备的自上而下体系，从服务器端、PC客户端、平板手机App等通过部署不同的服务满足不同场景和不同用户的需求。

四、新型监控平台优势

通过新型监控平台的建设与实施，可实现采油气厂实时数据集中管理，一套厂级实时数据中心平台实现全部作业区自动化数据集中采集与管理、实时数据全局共享，可满足功图量油等系统获取实时数据进行挖掘分析需要；一套厂级生产监控系统，实现了油气田生产全流程关键节点集中监控与实时报警，并可实现厂与作业区联动监控模式，主干线通讯中断可继续监控，两级平台数据自动同步，无需人工干预。

（一）搭建了厂级生产监控系统，提高集中监控能力的同时提升了应用的性能

实现了全局的实时远程监视与报警、灵活的远程启停或调参控制，大大提高了监控自动化程度，并在系统先进性、智能性、稳定性、易用性等方面也均有大幅提升。

（二）研究了云时代的在线组态配置及应用方案，组态监控应用及维护门槛大幅降低

监控平台应用了云环境下数据实时共享技术，实现了组态监控画面数据实时、报警信息推送实时、网络监控报警实时等。同时采用了基于WebSocket的网页动态更新技术，实现了监控页面随数据自动刷新。在组态图方面，监控平台采用了以SVG矢量图为核心的组态自适应技术，既可整体查看，也可局部放大而不损失细节；而当组件库图件发生变更后，所有组态图相关组件效果自动生效。

（三）建立了以“事件管理为核心”的报警分区管理模式，有效报警可甄别性更强

本系统支持流批一体的复杂报警建模方式，并将以数据点为基础的报警机制改进为以事件为基础的报警机制，可实现报警归类处理，支持按全厂、各作业区进行报警管理，支持数据恢复后可自动消警，提供了方便的报警分析功能。

（四）内置了客户化实用功能，更好满足监控与生产管理需要

例如，定制的间抽井管理功能，实现了在上位机完成间抽设置，支持灵活设置各井启停周期，并支持批量设置，大大减少了监控人员的重复工作；阈值推荐功能，实现了基于历史数据自动计算合理阈值，为技术人员提供参考；首页功能，更加直观展示全厂及各作业区地图总貌、油气水井开关井数、在线数、产量等信息，满足了生产管理需求。

（五）便捷的在线组态监控更新维护方案，提升技术人员自主运维能力

系统提供了可视化配置，具备良好的可拓展性、可维护性。系统中监控组态的更新（工艺流程+单井）支持可视化管理方式，能够快速实现工艺流程变更的信息同步。提供多种批量操作：报警限值设置、报警处理、备注修改等。在权限管理方面，支持用户的创建及账户权限的灵活设置，实现系统应用权限的按需分配。

（六）全面的监控及分析配套功能，逐步实现生产运行管控一体化平台建设

通过增加视频集成、通讯监测等功能点，使生产监控维度更加全面、生产分析决策更加合理，功能间数据与成果共享更加方便。

五、应用效果

目前新型监控平台管理模式已在石西油田作业区、采油二厂、采气一厂、准东采油厂、吉庆油田作业区、风城油田作业区全面推广，从技术先进性、监控管理效率等方面均取得了良好的效果。

（一）技术应用水平突出

建立了高并发实时数据采集引擎，内置新疆油田各类驱动协议，可满足50万以上采集点规模的生产单位应用；基于B/S的监控组态可视化在线管理，通过拖拽即可实现组态画面的定制及发布，组态更新维护便捷性大幅提升；基于流批一体的计算引擎为复杂报警分析提供了强有力的算力，搭载的模型库价值得到充分发挥，生产监控压力大幅降低；建立的多级监控平台间握手机制，实时监测各节点服务运行状态及异常节点任务接管，宏观把控系统运行动态；建立的多级平台间数据同步机制，按需自动实现各节点间数据同步，实时数据可靠性、完整性得到保障。

（二）生产监控模式优化提升

由作业区分散监控变为厂级集中监控管理，监控人员减少50%以上；1套系统满足全厂监控需要，按需分配数据及功能权限，用户数量无限制，只需维护服务器，软硬件建设及运维成本降低60%以上；系统可扩展性强，通过功能升级可形成“生产监控->生产分析->生产决策->生产调度”闭环智能管控平台。

六、结语

生产监控云平台是依托油气物联网建设进行生产运行管理深化应用必然采用的技术手段，目前仅仅处于初期阶段，还有较大的提升空间。

第一，生产监控云平台将朝着专业化和智能化迈进，发挥平台的“数聚”效应，推动智能新疆油田建设。

第二，以进一步感知互联、数据融合为基础，实现生产过程“实时监控、智能诊断、自动处置、智能优化”的油田业务新模式。

第三，坚持以自主研发、国产化替代为主，在行业算法与边云协同应用等方面取得突破。

参考文献

[1]戴厚良.以数字化转型驱动油气产业高质量发展[J].中国产经，2021，258（2）：70-72.

[2]苏伟，肖兵，郝鹏宇，等.采油厂采油生产物联网管理平台探讨[J].自动化博览，2012，29（S1）：78-80.

[3]杜强，刘晓天，汪亮，等.面向油气田生产的工业互联网网络架构及关键技术研究[J].信息通信技术与政策，2020，316（10）：28-34.

[4]李国荣，赵金龙，周敏，等.实时数据云平台在石西油田的应用[J].计算机仿真，2020，37（10）：361-364.