基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的油氣處理故障診斷系統(tǒng)?

張繼燕 歐瑩元 張起榮 畢節(jié) 學(xué)院信息工程學(xué)院

基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的油氣處理故障診斷系統(tǒng)?

張繼燕 歐瑩元 張起榮 畢節(jié) 學(xué)院信息工程學(xué)院

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)應(yīng)用的橋梁，設(shè)在工程應(yīng)用系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間。油氣處理故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)為核心，通過OPC端口搜尋收集系統(tǒng)數(shù)據(jù)。預(yù)警過程主要是通過對(duì)原油、注水、加熱鍋爐等系統(tǒng)流程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常自動(dòng)報(bào)警，并提出相應(yīng)的可行性處理建議。故障診斷依靠的人工智能方法包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)兩個(gè)，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與理論規(guī)則之間建立盡多的映射關(guān)系，增強(qiáng)沖突解決能力。采用基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的油氣處理故障診斷系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了油田自動(dòng)化作業(yè)管理，而且使所有可監(jiān)控項(xiàng)目長期、穩(wěn)定保持在最佳運(yùn)行狀態(tài)，降低了油氣處理事故風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫；油氣處理；故障診斷；系統(tǒng)

油氣處理故障診斷系統(tǒng)是石油工業(yè)發(fā)展的重要分支，承擔(dān)著保障油田安全、高效生產(chǎn)的重要任務(wù)。石油天然氣易燃、易爆，并且其中大多含有有毒、有害物質(zhì)，生產(chǎn)過程中的腐蝕、炸裂等安全問題多發(fā)。

油田生產(chǎn)事故都會(huì)影響整個(gè)油氣生產(chǎn)的正常運(yùn)行，一旦故障出現(xiàn)在人口密集區(qū)，輕則影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，重則造成泄漏、爆炸，直接威脅人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)逐漸步入人們的視野，并廣泛應(yīng)用于石油、鋼鐵、水、電等重要行業(yè)，是工業(yè)現(xiàn)代化、信息化的主要工具之一[1]。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)為石油生產(chǎn)處理帶來了極大便利，工程技術(shù)人員可以依托實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫衍生系統(tǒng)逐漸建設(shè)面向生產(chǎn)的自動(dòng)化處理系統(tǒng)。因此，為保障油氣處理過程的安全高效，建立一個(gè)基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的油氣處理故障診斷系統(tǒng)十分必要。

1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)應(yīng)用橋梁，設(shè)在工程應(yīng)用系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間，通過數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析處理，最后對(duì)目標(biāo)設(shè)備發(fā)布指令或建議[2]。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫較傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫具有極高的數(shù)據(jù)采集能力，數(shù)據(jù)采集速度可控制在幾到幾十毫秒。同時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫注重事務(wù)處理和時(shí)間處理，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)具有高及時(shí)性，其歷史數(shù)據(jù)具有高壓縮率[3]。因此，選用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫作為油氣處理故障診斷系統(tǒng)的核心能夠保證油氣處理過程中的故障及時(shí)上報(bào)，并能夠通過分析大量的歷史數(shù)據(jù)，全面快速地得出處理方法或建議。

1.1 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的主要職責(zé)是管理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及其相關(guān)信息。按照管理類型可分為資源管理、實(shí)時(shí)事務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理三部分[4]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）資源管理。該部分的主要職責(zé)是對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行管理。包括對(duì)CPU的合理調(diào)度，滿足實(shí)時(shí)處理的要求；對(duì)工作時(shí)間進(jìn)行管理，確保相關(guān)實(shí)時(shí)事務(wù)的執(zhí)行；對(duì)儲(chǔ)存空間進(jìn)行管理，合理分配資源，實(shí)時(shí)做好I/O調(diào)度。

（2）實(shí)時(shí)事務(wù)管理。該部分主要是對(duì)實(shí)時(shí)事務(wù)的產(chǎn)生、處理、結(jié)束進(jìn)行實(shí)時(shí)管理。主要職責(zé)包括實(shí)時(shí)調(diào)度，以事務(wù)截止時(shí)間為限，調(diào)度管理實(shí)時(shí)事務(wù)，確保事務(wù)在邏輯上和時(shí)序上的一致性；并發(fā)控制，保障事務(wù)和數(shù)據(jù)的全面性和一致性；事務(wù)恢復(fù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)庫挽救還原機(jī)制，當(dāng)調(diào)度無效時(shí)，將數(shù)據(jù)庫恢復(fù)至處理前狀態(tài)。

（3）數(shù)據(jù)管理。該部分主要職責(zé)是管理實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、處理、提取等操作。主要包括數(shù)據(jù)存取、數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理操作、歷史數(shù)據(jù)管理等。

1.2 數(shù)據(jù)庫特點(diǎn)

從20世紀(jì)80年代以來，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)在國際上得到了廣泛重視，研究和應(yīng)用步伐不斷加快，逐漸實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)性階段向工業(yè)應(yīng)用階段的跨越式發(fā)展[5]。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相比具有明顯的特點(diǎn)。

（1）較高的安全性。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫采用嵌入式設(shè)備和數(shù)據(jù)收集程序，獨(dú)立于外界網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可杜絕各類計(jì)算機(jī)病毒的入侵，抵制非法攻擊，保護(hù)系統(tǒng)安全。

（2）便捷的實(shí)用性。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫配備多種接口以方便各種外設(shè)與其對(duì)接，如ERP、ODBC等；同時(shí)，添加了許多實(shí)用工具和實(shí)用模塊，以便用戶訪問獲取信息。

（3）良好的數(shù)據(jù)發(fā)布、展示界面。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫可為用戶個(gè)性定制專有的數(shù)據(jù)獲得交互界面，并提供用戶模糊查詢系統(tǒng)等。

2 故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

油氣處理是指原油采出后進(jìn)入下游進(jìn)行加工處理的環(huán)節(jié)。目前在油氣處理工作中多采用DCS等實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測(cè)作業(yè)過程[6]。這一過程需要人工讀取作業(yè)參數(shù)，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷系統(tǒng)工況，導(dǎo)致工程作業(yè)過程中人員主觀因素過重，人為操作失誤較多。基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的油氣處理故障診斷系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)預(yù)警和診斷，使所有可監(jiān)控項(xiàng)目長期、穩(wěn)定保持在最佳運(yùn)行狀態(tài)，降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

油氣處理故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫技術(shù)為核心，通過OPC端口搜尋、收集系統(tǒng)數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的原始數(shù)據(jù)結(jié)合以油氣經(jīng)驗(yàn)理論建立的專家知識(shí)庫規(guī)則，共同組成油氣故障診斷系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[7]。該系統(tǒng)采用正向推理診斷引擎和產(chǎn)生式系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析功能，應(yīng)用獨(dú)立的數(shù)據(jù)庫記錄診斷結(jié)果。油氣處理實(shí)時(shí)故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要采用B/S架構(gòu)，以Web進(jìn)行展示，如圖2所示。

2.1 預(yù)警過程

預(yù)警過程主要是通過對(duì)原油、注水、加熱鍋爐等系統(tǒng)流程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，整理各個(gè)系統(tǒng)中設(shè)備運(yùn)行參數(shù)并與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比[8]。如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，預(yù)警模塊自動(dòng)報(bào)警并提出相應(yīng)的可行性處理建議，操作人員可根據(jù)實(shí)際情況最終確定對(duì)應(yīng)的處理方案。依據(jù)處理對(duì)象的不同數(shù)據(jù)點(diǎn)和邏輯關(guān)系，可將預(yù)警方式分為以下三種：

圖2 油氣故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（1）單參數(shù)預(yù)警。單參數(shù)預(yù)警對(duì)關(guān)鍵參數(shù)直接進(jìn)行處理判斷，具有覆蓋面廣、觸發(fā)率高、計(jì)算簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

（2）關(guān)鍵設(shè)備預(yù)警。關(guān)鍵設(shè)備預(yù)警是指對(duì)關(guān)鍵設(shè)備及其參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視處理，形成綜合警示畫面，具有出發(fā)頻率適中、針對(duì)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

（3）關(guān)鍵流程預(yù)警。關(guān)鍵流程預(yù)警是指對(duì)原油系統(tǒng)中關(guān)鍵流程實(shí)施跟蹤監(jiān)視，對(duì)其中的參數(shù)信息和參數(shù)間的邏輯關(guān)系進(jìn)行分析，生成警示信息，具有計(jì)算復(fù)雜，指向精確等特點(diǎn)。

2.2 故障診斷系統(tǒng)

當(dāng)前故障診斷領(lǐng)域依靠的人工智能方法主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)兩個(gè)[9]。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)行準(zhǔn)確的非線性模式分類，具有相當(dāng)強(qiáng)的自我學(xué)習(xí)能力，可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)不斷學(xué)習(xí)和加強(qiáng)自我處理能力。但是，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重解釋困難，學(xué)習(xí)和推理過程無法人工干預(yù)和操控，在油氣處理工程中應(yīng)用受到一定的限制。

專家系統(tǒng)以知識(shí)庫為基礎(chǔ)，具有模塊清晰、形式一致、表現(xiàn)直觀等優(yōu)點(diǎn)。但是，因其以知識(shí)庫為基礎(chǔ)，當(dāng)知識(shí)庫中數(shù)據(jù)容量很大時(shí)，該系統(tǒng)難以對(duì)數(shù)據(jù)的一致性和矛盾性進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)獲取發(fā)生困難，自我學(xué)習(xí)能力弱。油氣處理故障診斷系統(tǒng)采用基于故障知識(shí)庫的專家系統(tǒng)，運(yùn)用正向推理獲得合理的知識(shí)配對(duì)，在事實(shí)數(shù)據(jù)與理論規(guī)則之間建立盡多的映射關(guān)系，增強(qiáng)沖突解決能力。開放人工干預(yù)端口，在知識(shí)庫中不能找到合適的理論規(guī)則時(shí)，允許用戶加入新知識(shí)，提高系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)能力和實(shí)用性。

3 結(jié)語

油氣處理故障診斷系統(tǒng)是一個(gè)集多種工藝于一體的復(fù)雜綜合系統(tǒng)，該系統(tǒng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行是油田高效作業(yè)的基本保障。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫在事務(wù)實(shí)時(shí)處理和歷史數(shù)據(jù)管理方面具有無可比擬的優(yōu)越性。故障診斷系統(tǒng)不僅解放了生產(chǎn)力，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，且能夠顯著提高油田的自動(dòng)化水平和生產(chǎn)效率，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫全面掌握工程動(dòng)態(tài)，提高生產(chǎn)效率以及油田經(jīng)濟(jì)效益。

[1]許代紅，藍(lán)永乾．運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建數(shù)字化油田生產(chǎn)運(yùn)行綜合管理平臺(tái)[J]．通信管理與技術(shù)，2011（3）：32-35．

[2]王文，徐汀榮，邵偉峰．工控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J]．微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2007，24（1）：69-72．

[3]欒振華．工業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的應(yīng)用設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)處理研究[D]．杭州浙江大學(xué)，2008．

[4]劉建臣．天然氣管道壓氣站的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2008，27（8）：49-61．

[5]聶書志．實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)技術(shù)[J]．經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展，2006，4（11）：l53-l55．

[6]涂乙，吳萌，管麗，等．注水開發(fā)油田結(jié)垢影響因素的分析與研究[J]．油氣儲(chǔ)運(yùn)，2010，29（2）：97-99.

[7]高寧波，金宏，王宏安．歷史數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)壓縮方法研究[J]．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2004，28（6）：167-173．

[8]張景濤，王華，王宏安．實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存取與壓縮[J]．計(jì)算機(jī)技術(shù)，2003，30（3）：47-50．

[9]田軍慶，高輝．淺談“數(shù)字油田”的建立[J]．油氣田地面工程．2002，21（4）：133-134．

（欄目主持 關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.3.018

基金論文：貴州省科技廳、畢節(jié)市科技局、畢節(jié)學(xué)院科技聯(lián)合基金項(xiàng)目“大數(shù)據(jù)在智能交通中的應(yīng)用研究”（黔科合LH字[2014]7537號(hào)）。