无线采集模块在EPS 作业数据采集方面应用研究

王 伟 李 斌 张雪梅 刘 阳 董祺禹 张贵磊

（1.天津市海洋石油环境和储层低伤害钻完井液企业重点实验室，天津 300450；2.中海油田服务股份有限公司，河北三河 065201）

0.引言

随着中海油服海上EPS 作业量的不断增多，其业务功能日益丰富，作业流程逐步成熟，对现场作业参数的检测需求也变得越来越有必要，相应电子产品的性能要求也随之提高。无线传感器网络不但能收集需要的数据，而且能对各种环境、各种条件下的通信进行有效的处理，使其能够获得最好的通讯结果。同时，无线传感器网络故障管理的研究主要分为3 个阶段：故障检测、故障诊断和故障恢复。为了保证网络数据传输的可靠性，拓展无线传感器网络的功能多样性，在最小化网络能耗的前提下，本文所涉及的工业无线网络为工业现场设备的无线采集技术提供了一种灵活的布线方式，并已在工业自动化领域得到了广泛应用，解决了传统的故障诊断方法存在的问题。因此，在 EPS 的数据采集中，应用无线通信技术对其进行监控和控制是极为必要的。

1.无线采集模块概述

1.1 采集原理

无线数据采集又称数据获取，是一个由无线模块、感应器、从系统外部获取数据并输入到系统中的一个应用程序，其工作原理来源于模拟和数字被测试装置（如无线模块）和其他待检测设备中，自发地收集非电量、电能，然后由信号处理模块完成简单的计算、数据分析，再把这部分传输给数据传送系统。本文主要阐述了以EPS（Environment Protection Solution）作业数据采集为主，采用无线模块、感应器等设备硬件和计算机应用软件相结合，对各类物理现象进行检测的数据采集方式。该系统采用了数字信号处理技术，实现了对数据的实时处理，以及对数据的有效提取，所获得的资料多数为暂态或一特定时期的特征值[1]。

1.2 作业数据采集测量方案论证

作业数据采集是利用仪器设备和计算机技术对测量对象进行的各种信息采集、记录和处理。数据是在生产过程中形成的，而生产是一项复杂的系统工程，其涉及工业生产过程中的方方面面，如生产管理、产品质量管理等。因此对各种生产经营活动实施全面信息掌握和分析有着重要的意义。这不仅要求测量仪器设备采用正确的工作方法进行数据采集，还需要对采集到的数据进行各种必要的处理和解释。而数据采集技术测量方案论证则是指利用一定的技术手段，对采集到的数据进行整理分析，并对这些数据进行系统、全面的分析，从而对生产过程进行最优的调整。

测控系统的工作以数据为基础，其流程大致可分为3个阶段：数据输入/输出、数据传递和数据处理。一般来说，数据的输入/输出方式取决于硬件系统，数据传递依赖于数据的输入/输出和数据处理的需要，而数据处理的过程则取决于测控任务的内容。不同的测量方法各有优缺点，需要对各种方法和技术的适用条件和范围进行进一步的探索。因此，无线数据采集作为当前有线连接传统技术的替代手段，能与EPS 业务形成较好的数据监测控制技术，在物联网、工业控制、电力业务等方面得到较为广泛的应用[2]。面对新技术的快速迭代，有线网络公司也将积极加快研发和应用，不断开展新业务新技术，探索物联网技术与数据分析技术的有效融合，为公司开发提供强有力的技术支持。

1.3 数据采集方案分析

在现代信息通讯领域，无线数据采集技术是一个非常重要的课题。在许多方面，如无人能及的偏远地区、强腐蚀性、无法利用有线接入等场合，采用有线资料采集与传送，显然已经不能满足资料的收集与传送需求。随着物联网、工业控制、环境监测等领域的不断深入，人们对其进行了深入的研究。

该系统的硬件组成主要包括3 个模块：STM32F407ZG，ESP 模块和PC。在此设计中，ESP 模块是SPI（SPI），其主要作用是对设备的设定进行监视和调整，并且可以获取与记录检测设备相关的信息，如设备编号、位置或设备信息等。数据源模块充当SPI（SPI 主动装置）；ESP 与主机之间的以太网连接是由WLA（Wireless Access）实现的。在任何有网络的情况下，通过与该系统的公用IP 进行远程监视，为用户提供了很好的便利，具有很强的实用价值。

2.无线数据采集的必要性

在当今的互联网时代，数据收集的重要性日益突出，需要多个部门、多个环节严格把关，同时，针对数据的安全性、存储能力、处理能力等方面都有较大的技术需求。但是，在实际应用中，仍旧存在着数据量大、内存空间大、计算复杂等问题，为了能够有效解决这一问题，连接电力设备维护的“沟通桥梁”。无线数据采集技术的引入是迫在眉睫的。相比于传统的数据采集，其最大的优点就是无需线路连接，安装和调试都很灵活，成本也很低。在某些特定或苛刻的情况下，采用无线数据采集技术是最佳选择，能够有效减轻受环境因素影响造成的数据误差。特别是在硬件和数据库技术的发展下，大量的数据可以被储存起来，可以对各模块的信号进行快速的处理，并能在较大的范围和较短的时间内完成数据的收集。在此基础上，采用先进的技术架构，可以在一定程度上，根据不同的需要添加或更改模块，并通过相应的程序对其进行扩展和修正，从而在最短的时间内，建立起一套可以解决特定问题的体系。

3.基于EPS 作业数据采集的无线采集应用

3.1 数据采集

数据采集（DAQ）是模拟和数字被测量的元件，例如传感器和其他待测试的装置，自动地获取无电或电量的信号，然后发送给计算机进行分析、处理。通过串口、并口、USB 等多种方式将数据传送至电脑。数据采集系统是将测量软件和硬件产品与计算机或其他专门的测试平台相结合，实现用户定制的灵活的测量系统。本文主要以数据采集设备为基础，建立了一个测试平台，利用VE 软件实现了对电子信号的实时处理。此外，在数据处理方面，目前多数系统都是采用直接MCU 来完成传感器数据的处理，而本系统采用ZigBee 节点来实现数据处理，就可以尽可能降低了数据中的干扰，使无线通信距离得到一定的提高[3]。

3.2 在线监控

随着计算机技术、通信技术和图像处理技术的飞速发展，视频监控技术已经成为一种新型的安防技术。但是，传统的监测方法成本高，而且受到所选择的视频设备与厂商差异性的影响，造成了视频系统不能相互连接、不能共享等问题。针对当前存在的多种监控设备，制约了视频资源的共享，为此，本文着重研究了如何建立一个基于Client/Chrome 的集成视频监控系统，并将其用于多个厂商的视频设备的统一管理与利用。为了能够与多个厂商的设备相兼容，从不同的设备中读取不同的视频设备，并解决虚拟设备的多设备、协议的扩展性等缺陷，设计了一套虚拟设备界面[4]。

3.3 自动监控设备

EPS 功能自动检测装置广泛用于仪器控制、数据采集、数据分析、数据显示等方面，并可以在不同的操作系统平台上使用，满足各种工业领域的技术需要，并对各种工艺数据进行实时的采集、监测，系统全面地分析数据，以便做出最佳的工艺调整。根据不同的生产场地需要，对产品的外形、台面进行匹配，从而达到自动操作的目的，满足不同行业的客户需要。

3.4 在线自动监控系统

该系统的应用为实现无人化、高效、高灵敏度的实时监测提供了有力的保障。随着计算机技术、通信技术和图像处理技术的飞速发展，视频监控技术已经成为一种新型的安防技术。视频监控作为监控系统中的一个关键环节，主要包括前端摄像机、传输电缆、监控平台等。但是，传统的监测方法成本高，而且受到主观因素的影响，使得自动化监测越来越受到重视和发展。在监测系统中，除了主要传送影像讯号之外，还可以针对不同的需求，例如，对重要部位的语音讯号进行分析，由控制中心进行监控，并能传送语音及控制讯号。

3.5 信息采集点

EPS 信息采集站作为一个网格化的产物，主要分为两大类：再分析数据和预报数据。由于其在数据上所占的比重较大，可以有较好的追踪趋势，并对未来的数据进行预测，因此也被各大企业广泛使用。但是，当前的市场数据规模庞大，结构复杂，难以进行准确的预测，因此，采用市场仿真、间接预测等方法难以实现。在这种情况下，本文采用数据挖掘技术，利用大数据的优点，从大量数据中抽取出有价值的数据。在收集到的资料基础上，结合实践经验，对未来的市场进行了预测，并将其综合起来，运用平均或加权的方法对其进行数学分析，得出其预测效果。

4.数据采集现状及其未来发展趋势

4.1 随着大数据产业的广泛应用，对大数据收集的需求不断增加

数据收集是实现大数据在各个领域中的应用和产生价值的先决条件。随着网络技术的飞速发展，海量的数据信息被广泛地运用于数据平台和专家的专业分析之中。为保证数据传输安全、存储安全、审核安全，必须采用严格的身份认证机制，满足数据安全和国家需求的加密机制，合理的数据隔离和完善的容灾备份机制。随着大数据安全技术的不断完善，传统的安全监控技术还存在不足，传统的隐私保护技术失效。大数据管理技术已经在金融、电信、能源等领域得到了广泛的应用，并在此基础上建立了一套数据管理系统，从数据安全、隐私保护、质量管理、数据分析等多个角度出发，对数据收集的需求会逐渐被激活，从而推动数据收集软件和服务的市场规模不断扩大。

4.2 大数据收集更重视对异质数据源的兼容

数据的数量呈指数级的增加，存储、计算、部署等方式也在发生着同步的改变，数据的运算速度不断加快，但数据的存储和数据的传递速度却一直不能同步。各个产业的商业体系也日益复杂化。由于数据结构的复杂性，使得数据结构、存取方式、形式各异的数据来源越来越多，使得数据的采集具有更高的异构兼容性。同时，随着资料来源的增多，数据的处理方式也越来越复杂，数据的处理也越来越困难。为此，在工信部《“十四五”大数据产业发展规划》中，明确提出了要打造一条稳定、高效的产业链，在数据产生和采集方面，重点加强对数据源的兼容性、大规模数据集收集和处理的能力。在此背景下，加强对数据资源的开发与利用，不仅为技术、产业、安全、法律等带来了新的机遇，同时也带来了新的挑战。

4.3 大数据收集的安全性和隐私权要求不断提高

近几年，国内对大数据安全和隐私权的需求不断增长，一方面反映了数据时代新的国家安全危机；另一方面也反映了国家对公民数据安全的关注，随着大量的个体数据收集和数据交易的迅速发展，公民数据的安全受到了极大的威胁，《数据安全法》就是对此做出的反应。同时，在智能防护中，传统的数据保护技术难以有效地解决大数据的智能化分类、智能识别、智能学习、智能定位等问题。因此，基于对大数据安全的硬性需求，中国信息通信研究院从技术角度出发，构建了大数据平台安全、数据安全、隐私3 个层次的大数据安全技术体系。这也就意味着在保障个人信息安全的过程中，如何正确处理好信息流通和保障个人信息安全的关系，并且在大数据发展和个人信息保护中找到一个平衡点，已成为当前技术的重要突破口。

5.结语

无线数据采集技术的迅速发展给地球物理勘探带来了许多新的思路和方法，为今后进一步开展奠定坚实的理论基础和广阔的创新空间。同时，在 EPS 作业中，相关的新技术、新方法也在不断地被开发和运用，并显示出了很大的发展趋势。而且，随着无线数据采集技术的革新，采集仪器的精确度不断提高，面波探测技术也将成为电力设备维护的重要手段，为工程探测提供重要的电力介质信息，助推国内无线数据采集技术的应用范围，提高信号的处理效率，为后续的电力施工提供重要的数据支撑。