工業(yè)無線WIA-PA技術(shù)在智能油田中的應(yīng)用

(黑龍江省中科奧維科技有限公司，黑龍江牡丹江，157013)

引言

油田開發(fā)是將地下油藏資源進(jìn)行鉆井開采及加工處理的過程，經(jīng)歷勘探評價(jià)、鉆井、完井、地面建設(shè)加工處理、采集輸送、凈化處理等流程，工序很復(fù)雜。油田開發(fā)通過自動化、信息化技術(shù)革新，開發(fā)水平有了一定提升，但仍是在傳統(tǒng)行業(yè)模式基礎(chǔ)上加以改進(jìn)。油田生產(chǎn)組織機(jī)構(gòu)龐大，部門多、協(xié)作程度低，決策執(zhí)行效率不高。生產(chǎn)過程仍以級級上報(bào)為主，生產(chǎn)成本居高不下，這種落后的生產(chǎn)方式與今天快速的信息化技術(shù)生產(chǎn)模式的矛盾日益突出。未來一段時(shí)間，油氣依然是全球使用的主要能源，大力發(fā)展科技創(chuàng)新，開發(fā)信息時(shí)代新理念是保持行業(yè)領(lǐng)先優(yōu)勢的關(guān)鍵。油田信息化發(fā)展規(guī)劃預(yù)計(jì)2020年建成數(shù)字化油氣田，預(yù)計(jì)2022年實(shí)現(xiàn)智能油氣田建設(shè)的總目標(biāo)[1]。

1 智能油田的建設(shè)思考

以打造智能油田為目標(biāo)，優(yōu)化完善專業(yè)庫和工作平臺，開展云數(shù)據(jù)集成與應(yīng)用集成，物聯(lián)網(wǎng)和ERP應(yīng)用集成系統(tǒng)建設(shè)，加強(qiáng)智能信息化對勘探開發(fā)主營業(yè)務(wù)的支撐作用。智能油田的建設(shè)是以數(shù)字化油田建設(shè)為基礎(chǔ)，智能化油田建設(shè)實(shí)施是一個(gè)不間斷循環(huán)過程，從油田的發(fā)現(xiàn)開始智能化，通過各種方式獲取數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行模塊化組件，為勘探評價(jià)、關(guān)鍵方案編制、產(chǎn)能建設(shè)和開發(fā)業(yè)務(wù)提供決策依據(jù)，從而更高效的服務(wù)于生產(chǎn)組織，方案決策、多專業(yè)多部門共同協(xié)作，閉環(huán)式持續(xù)往復(fù)優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)智能油田的系統(tǒng)整合、管理優(yōu)化和高效開發(fā)[2]。

1.1 智能油田的硬件建設(shè)

智能油田硬件建設(shè)指使用各種傳感設(shè)備、裝置與通訊設(shè)備技術(shù)，實(shí)時(shí)采集所需要監(jiān)控、連動、控制的設(shè)備的過程。通過采集設(shè)備電參數(shù)、壓力、溫度、位移、質(zhì)量、流量等各種需要的數(shù)據(jù)，使物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和管理人員、操作人員緊密結(jié)合形成一個(gè)大數(shù)據(jù)聯(lián)動交互網(wǎng)絡(luò)；實(shí)現(xiàn)物與物、物與人通過網(wǎng)絡(luò)信息連接，全面智能識別，信息管理和技術(shù)創(chuàng)新。智能油田建設(shè)通過“物(感知物)+云(云計(jì)算)+網(wǎng)(物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng))+端(手持終端)"模型實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場無人值守，重要數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳，關(guān)鍵環(huán)節(jié)自動連鎖、智能邏輯控制，要害風(fēng)險(xiǎn)自動截?cái)啵^程監(jiān)控遠(yuǎn)程可視[3]。智能油田可以實(shí)現(xiàn)“無人值守，遠(yuǎn)程決策”，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、自動報(bào)警、控制、診斷和維護(hù)。

(1)物是指大量具有感知和識別功能的設(shè)備組成的感知物，主要包括生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備的壓力、溫度、液位傳感器、流量計(jì)、視頻監(jiān)控等感知設(shè)備。

(2)云是基于云計(jì)算模式的大數(shù)據(jù)應(yīng)用；數(shù)據(jù)高度集成、數(shù)據(jù)邏輯分析、數(shù)據(jù)全面整合、數(shù)據(jù)資源共享分配、數(shù)據(jù)預(yù)測預(yù)警的技術(shù)集成；油田開發(fā)中云數(shù)據(jù)建立跨數(shù)據(jù)平臺，跨技術(shù)專業(yè)、全面立體、多維組合在線數(shù)據(jù)共享機(jī)制。

(3)網(wǎng)是指各種通訊網(wǎng)絡(luò)；包括互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、 廣電網(wǎng)形成的融合網(wǎng)絡(luò)，主要包括衛(wèi)星與衛(wèi)星基站，4G網(wǎng)絡(luò)等。

(4)端是指使用終端，包括手機(jī)移動終端、個(gè)人PC應(yīng)用端等。主要表現(xiàn)為將感知信息進(jìn)行智能集成和可視化顯示。

1.2 智能油田大數(shù)據(jù)開發(fā)

油田開發(fā)生產(chǎn)歷史過程就是一部大數(shù)據(jù)發(fā)展史，大量信息數(shù)據(jù)的產(chǎn)生應(yīng)用，為大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。大力挖掘大數(shù)據(jù)資源信息，利用數(shù)據(jù)指導(dǎo)油田生產(chǎn)實(shí)踐，為提質(zhì)增效提供決策數(shù)據(jù)依據(jù)。油田生產(chǎn)的大數(shù)據(jù)開發(fā)應(yīng)用涉及到勘探、開發(fā)、施工、物資管理、財(cái)務(wù)管理、人力資源管理等領(lǐng)域。研發(fā)油田企業(yè)級大數(shù)據(jù)分析平臺，為制定節(jié)能降耗、提高效率及安全生產(chǎn)技術(shù)方案等提供科學(xué)手段。對多年積累的生產(chǎn)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行深度分析，發(fā)掘各影響因素之間的內(nèi)在規(guī)律，建立以提高抽油機(jī)井系統(tǒng)效率、降低注水系統(tǒng)能耗為代表的多因素、多約束、非線性油氣生產(chǎn)大數(shù)據(jù)分析模型，實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)業(yè)務(wù)大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用[4]。

大數(shù)據(jù)開發(fā)處理方式分為數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用四部分。

(1)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)：主要包括數(shù)據(jù)的收集、篩選、歸類等。方法主要有分類與回歸、聚類分析、關(guān)聯(lián)規(guī)則、時(shí)序預(yù)測、偏差檢測等。

(2)數(shù)據(jù)清洗：數(shù)據(jù)清洗過程主要包括數(shù)據(jù)的分類清洗、統(tǒng)一格式、統(tǒng)一描述方式等。

(3)數(shù)據(jù)挖掘：數(shù)據(jù)清洗完成后，根據(jù)分析指標(biāo)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，挖掘各數(shù)據(jù)項(xiàng)與分析指標(biāo)間的影響規(guī)律。主要用來進(jìn)行現(xiàn)狀分析，找出數(shù)據(jù)挖掘重點(diǎn)。

(4)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用：大數(shù)據(jù)分析常用到的方法有常規(guī)的關(guān)聯(lián)性分析、分類分析、回歸分析等。關(guān)聯(lián)性分析是對相互關(guān)系進(jìn)行分析，確定影響因素對分析指標(biāo)的影響程度，確定重點(diǎn)影響因素；分類分析是采用分類的方式，縮小同類之間的差距，使規(guī)律明顯化；回歸分析主要用來找出各因素和指標(biāo)間的影響規(guī)律。

1.3 可視化智能控制

數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果的可視化智能控制極為重要，可以利于分析找到規(guī)律，發(fā)現(xiàn)潛在的問題，所以需要將數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果以圖形、表格等可視化的方式進(jìn)行展示。可視化智能控制需要高效、一致性和透明化。生產(chǎn)管理中監(jiān)控、流程、自動化可視化根本目標(biāo)是為了服務(wù)于日常場景，通過對不同用戶群體的需求分析，云計(jì)算中心各種運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、擴(kuò)充、抽取、加工；并進(jìn)行針對性圖表樣式設(shè)計(jì)、頁面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)直觀可視，提高治理和管理水平[5]。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化顯示可以幫助管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題、判斷問題，是大數(shù)據(jù)解決系統(tǒng)問題至關(guān)重要的一部分。

1.4 智能診斷剖析

借助信息數(shù)據(jù)可視化圖表，對挖掘分析結(jié)果進(jìn)行因果分析，發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，剖析問題原因，尋找影響問題的主要因素，得出智能診斷剖析結(jié)果，為方案優(yōu)化提供基礎(chǔ)。信息數(shù)據(jù)可視化可服務(wù)于決策領(lǐng)導(dǎo)者、運(yùn)維管理人員、地球物理勘探研究人員等不同類型用戶，依托不同群體的不同需求為導(dǎo)向，開發(fā)具有針對性，智能性的診斷剖析結(jié)果展示[6]。

1.5 智能方案制作優(yōu)化

根據(jù)智能油田數(shù)據(jù)采集的大數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行清洗整理，數(shù)據(jù)挖掘，綜合分析診斷，制定調(diào)整智能措施方案，對相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行措施效果預(yù)測。對調(diào)整方案進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)施修改，使分析成果落地，并進(jìn)行效果跟蹤評價(jià)。收集方案實(shí)施前后的數(shù)據(jù)，分析實(shí)施效果與效益，并對實(shí)施后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成閉環(huán)分析流程[7]。

1.6 過程實(shí)施智能控制

(1)實(shí)時(shí)全面感知：使用數(shù)據(jù)采集傳感設(shè)備，通過信息網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)信息展示，實(shí)現(xiàn)對油田各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的全面感知。既要對油田生產(chǎn)的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，還可通過遠(yuǎn)程視頻直接查看現(xiàn)場工作，進(jìn)行遠(yuǎn)程現(xiàn)場會議。

(2)自動智能處理：通過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)、云計(jì)算處理，將操作指令反饋傳輸?shù)浆F(xiàn)場，利用自動化控制技術(shù)，對現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程自動處理。

(3)預(yù)測預(yù)警：通過大數(shù)據(jù)處理、挖掘、分析，對生產(chǎn)趨勢進(jìn)行預(yù)測預(yù)警。如對單井?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行采集分析處理，結(jié)合運(yùn)行情況進(jìn)行智能分析預(yù)測，對有可能發(fā)生的生產(chǎn)事故故障進(jìn)行預(yù)警處理。

(4)輔助數(shù)據(jù)決策：利用采集到的可視化的數(shù)據(jù)信息、結(jié)合油田專家的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、運(yùn)用油田專業(yè)技術(shù)知識、現(xiàn)場研究處理成果，進(jìn)行綜合判斷分析，做出輔助決策方案。

(5)智能分析優(yōu)化：建立大數(shù)據(jù)庫分析智能處理系統(tǒng)，運(yùn)用云計(jì)算綜合技術(shù)，對生產(chǎn)運(yùn)行的數(shù)據(jù)、油藏?cái)?shù)據(jù)、決策方案進(jìn)行數(shù)據(jù)評價(jià)和分析，做出優(yōu)化數(shù)據(jù)方案，促進(jìn)油田生產(chǎn)、管理優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)油田生產(chǎn)優(yōu)化開發(fā)。

(6)全面聯(lián)系：在設(shè)備實(shí)時(shí)全面感知的基礎(chǔ)上，智能可視化顯示完成油田現(xiàn)場操作人員與指揮室人員之間的視頻信息互動。人與儀器之間的數(shù)據(jù)協(xié)同、遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)不同業(yè)務(wù)之間的相互數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)與協(xié)同運(yùn)行，將油田生產(chǎn)運(yùn)行通道全面打通，這是實(shí)現(xiàn)智能油田至關(guān)重要的一步[8]。

1.7 人工智能在智能油田中的應(yīng)用日益廣泛

未來智能化油田必然是以高度的集成化和智能化為特征的智能型油田企業(yè)，以減少生產(chǎn)中的人的體力勞動和腦力勞動為發(fā)展目標(biāo)，即在整個(gè)生產(chǎn)過程中通過計(jì)算機(jī)將人的智能活動與智能機(jī)器有機(jī)融合，以便有效地推廣專家的經(jīng)驗(yàn)知識。

通過虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)體物理系統(tǒng)， 整合智能機(jī)器、儲存系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施。通過物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)計(jì)算、云計(jì)算等信息技術(shù)與制造技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)軟硬件資源和能力的全系統(tǒng)、全生命周期、全方位的透徹的感知、互聯(lián)、決策、控制、執(zhí)行和服務(wù)化，使得從井場生產(chǎn)、到作業(yè)、到油藏的全面感知；實(shí)現(xiàn)人、財(cái)、物、信息的數(shù)據(jù)集成、共享、協(xié)同與優(yōu)化。流程整合會帶來全局創(chuàng)新效應(yīng)流程管理，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人性化的智能技術(shù)和智能管理系統(tǒng)。以使用智能機(jī)器人為代表的自動化應(yīng)用日趨廣泛，在石油行業(yè)也已經(jīng)有部分企業(yè)將智能機(jī)器人納入智能生產(chǎn)與智能管理[9]。

2 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是智能油田建設(shè)的基礎(chǔ)道路

在數(shù)字化油田全面建成的基礎(chǔ)上，開展數(shù)字化油田深入應(yīng)用的工作，將數(shù)字油田向智能油田發(fā)展轉(zhuǎn)變，建成全面感知、預(yù)測預(yù)警、數(shù)據(jù)驅(qū)動、智能操控的智能油田，利用無線專網(wǎng)設(shè)計(jì)無線集群系統(tǒng)，將原來單純的語音通訊變?yōu)檎Z音、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、視頻圖像傳輸[4]。:在整個(gè)油田物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中，需要統(tǒng)計(jì)好油田在油井、聯(lián)合站、注水站、接轉(zhuǎn)站、計(jì)量站、配水間等設(shè)備的數(shù)據(jù)，然后監(jiān)督好罐內(nèi)液體位置、實(shí)時(shí)溫度、流量大小、壓力情況、可燃?xì)怏w的比重等。傳感器需要安裝在油田生產(chǎn)的設(shè)備上對這些信息進(jìn)行采集和檢測工作，傳感器是物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建的重要環(huán)節(jié)，在不斷的發(fā)展過程中，呈現(xiàn)出一體化、低功耗。無線調(diào)度系統(tǒng)能夠和有線調(diào)度系統(tǒng)互通，具備有線調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度無線系統(tǒng)管理的能力[10]。

2.1 數(shù)據(jù)通信技術(shù)

所有井、間、站數(shù)據(jù)自動采集、故障智能分析、生產(chǎn)參數(shù)遠(yuǎn)程調(diào)控，生產(chǎn)站場“有人巡檢、無人值守”，形成整體系統(tǒng)的油田智能化管理模式，實(shí)現(xiàn)專業(yè)化運(yùn)行。油田智能化使各項(xiàng)管理提高效率，實(shí)現(xiàn)向智能化、精細(xì)化、定量化管理的質(zhì)變。形成了“讓數(shù)據(jù)工作、聽數(shù)據(jù)說話、用數(shù)據(jù)指揮”的管理新模式。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)和管理人員的語音聯(lián)通；實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)可視化；實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)可視化調(diào)度；通過智能化移動終端，實(shí)現(xiàn)智能巡檢，實(shí)時(shí)了解巡檢狀態(tài)，并有遠(yuǎn)程專家指導(dǎo)。

(1)無線視頻監(jiān)控：實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)偏遠(yuǎn)區(qū)域覆蓋、彌補(bǔ)固定視頻監(jiān)控盲區(qū)的施工作業(yè)區(qū)域，以及特殊作業(yè)區(qū)域等。使用移動視頻監(jiān)控設(shè)備可以實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場作業(yè)全過程。

(2)無線智能巡檢：使用手持終端的無線智能化巡檢，實(shí)現(xiàn)巡檢過程控制、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)記錄、工作情況監(jiān)督、數(shù)據(jù)匯表自動生成上傳。

(3)無線定位功能：可以定位手持終端位置，顯示手持終端的狀態(tài)信息、方向等相關(guān)信息。實(shí)現(xiàn)越界報(bào)警和人員倒地報(bào)警等功能。

(4)有線無線融合通信：有線調(diào)度電話、無線集群終端和擴(kuò)音對講系統(tǒng)互通，通過統(tǒng)一的可視化調(diào)度臺，實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)通信系統(tǒng)的融合互通，確保安全生產(chǎn)，提高溝通效率。

(5)無線資產(chǎn)信息管理：系統(tǒng)與工廠MES系統(tǒng)通訊，智能終端掃描現(xiàn)場設(shè)備識別碼后，搜索調(diào)用設(shè)備全生命周期的管理信息。

(6)無線應(yīng)急指揮：在調(diào)度站和智能終端之間視頻通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視覺應(yīng)急指令，做到應(yīng)急指揮的準(zhǔn)確判斷和執(zhí)行。

2.2 WIA-PA網(wǎng)絡(luò)分層的高效網(wǎng)絡(luò)組織與管理架構(gòu)

油田現(xiàn)場數(shù)據(jù)是數(shù)字油田的基礎(chǔ)與核心，基于無線通信的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)氖侄危浒踩灾苯記Q定了未來我國石油生產(chǎn)的安全。因此，基于我國自主研發(fā)的WIA-PA技術(shù)來構(gòu)建油井?dāng)?shù)據(jù)采集和傳輸?shù)耐ǖ缹O大提高數(shù)字油田的可控性，避免國外技術(shù)某些隱藏的“后門”造成關(guān)鍵數(shù)據(jù)外泄。WIA網(wǎng)絡(luò)融合了‘網(wǎng)狀網(wǎng)’和‘星型網(wǎng)’優(yōu)勢 ，成為復(fù)合結(jié)構(gòu)的先進(jìn)工業(yè)無線通訊網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的管理效率提高80%以上，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模達(dá)到千點(diǎn)級。

2.3 自適應(yīng)跳頻實(shí)現(xiàn)高可靠通信，提升抗干擾能力

WIA網(wǎng)絡(luò)具有射頻環(huán)境認(rèn)知能力的多級自適應(yīng)跳頻機(jī)制，是國際上工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)獨(dú)有的智能跳頻技術(shù)。WIA網(wǎng)絡(luò)在同頻干擾環(huán)境下的通信可靠性達(dá)到99%。

2.4 聯(lián)合調(diào)度模式，保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性

發(fā)明在多跳無線自組網(wǎng)中時(shí)空頻聯(lián)合調(diào)度的實(shí)時(shí)通信技術(shù)，對頻譜資源在時(shí)間、頻率、空間三維進(jìn)行高效利用，保證通信實(shí)時(shí)性，時(shí)延指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

2.5 微秒級高精度同步、實(shí)現(xiàn)微瓦級超低功耗

突破傳統(tǒng)單源時(shí)鐘和固定周期的同步框架，發(fā)明多源隨機(jī)選擇和周期自適應(yīng)的時(shí)間同步方法，采用多時(shí)鐘源、按需同步，同步精度達(dá)到100us，功耗指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)微瓦級超低功耗，大大延長設(shè)備使用壽命。

2.6 低功耗設(shè)計(jì)，提升電池使用壽命

2.6.1 網(wǎng)絡(luò)低功耗

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備和路由采用TDMA運(yùn)行機(jī)制，可有計(jì)劃的進(jìn)行時(shí)間限定休眠和喚醒，平均電流微安級，精確的時(shí)間同步喚醒機(jī)制，保證了設(shè)備低功耗運(yùn)行。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)支持功率自適應(yīng)技術(shù)，依據(jù)實(shí)際通信鏈路情況調(diào)整射頻功率，達(dá)到穩(wěn)定傳輸下的最小功耗消耗。

2.6.2 產(chǎn)品低功耗

基于網(wǎng)絡(luò)的休眠喚醒機(jī)制，產(chǎn)品采用多部件分級低功耗設(shè)計(jì)，間斷工作降低產(chǎn)品平均功耗，提升電池使用壽命。考慮實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場儀表的在全溫度范圍內(nèi)的正常工作，軟件機(jī)制采用時(shí)空頻聯(lián)合調(diào)度機(jī)制。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的情況智能調(diào)節(jié)發(fā)射功率節(jié)省電流，硬件設(shè)計(jì)在低溫-40℃采用溫度補(bǔ)償原理和抗低溫器件，保證儀表的低溫-40℃-60℃溫度范圍工作。

2.7 傳輸?shù)凸脑O(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測

設(shè)備具備狀態(tài)監(jiān)測模塊，監(jiān)測自身的狀態(tài)，周期性的將設(shè)備的狀態(tài)通過WIA網(wǎng)絡(luò)傳輸給綜合管理平臺，并給出報(bào)警提示設(shè)備的正常、故障、告警、電池更換等信息，同時(shí)在現(xiàn)場的顯示屏顯示出相關(guān)的信息，綜合管理平臺根據(jù)現(xiàn)場的設(shè)備情況制定設(shè)備維護(hù)策略由技術(shù)人員進(jìn)行維護(hù)和查看，設(shè)備智能化的設(shè)計(jì)很大程度上提升設(shè)備的可維護(hù)性。

2.8 設(shè)備代碼遠(yuǎn)程升級

現(xiàn)場無線設(shè)備支持手持器本地升級代碼，支持遠(yuǎn)程在線升級，支持遠(yuǎn)程全網(wǎng)升級，當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)需要更改多設(shè)備的代碼進(jìn)行升級時(shí)，可以采用全網(wǎng)升級，無人值守升級，升級成功后給出提示，供維護(hù)人員查看，極大的減少了維護(hù)的工作量。

2.9 智能識別技術(shù)

現(xiàn)場無線儀表部署完畢后通過智能識別技術(shù)在綜合管理平臺自動建立并顯示出一口相關(guān)類型的井及儀表，避免原有系統(tǒng)設(shè)備需要人為配置的操作，降低工人工作量，提升系統(tǒng)的使用效率。現(xiàn)場儀表進(jìn)行批量校準(zhǔn)時(shí)，為了避免返回時(shí)無法獲取設(shè)備的安裝位置，通過智能識別技術(shù)可以不用很復(fù)雜的配置，通過儀表上的按鍵實(shí)現(xiàn)一鍵配置入網(wǎng)，現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)在綜合管理平臺自動續(xù)存。智能識別技術(shù)很大的減少了現(xiàn)場的維護(hù)和操作的工作量，取消了綜合管理平臺的人為配置，實(shí)現(xiàn)了油田的精細(xì)化管理目標(biāo)。

2.10 數(shù)據(jù)雙層備份及斷點(diǎn)續(xù)傳功能

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)、油井智能電參管理器針對油田傳輸系統(tǒng)不穩(wěn)定的情況，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)備份功能，油井智能電參管理器可以存儲一個(gè)月的井口儀表數(shù)據(jù)，WIA-PA網(wǎng)關(guān)可以存儲一個(gè)網(wǎng)關(guān)管理下的所有井口一個(gè)月的儀表數(shù)據(jù)。WIA-PA網(wǎng)關(guān)根據(jù)傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定情況進(jìn)行斷點(diǎn)續(xù)傳數(shù)據(jù)，避免關(guān)鍵數(shù)據(jù)的丟失。斷點(diǎn)續(xù)傳功能支持主動續(xù)傳以及綜合管理平臺的續(xù)傳請求兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)方式靈活可靠，更加適應(yīng)油田的現(xiàn)場應(yīng)用場景。

2.11 人機(jī)交互接口友好

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)設(shè)備支持智能終端和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任何一臺設(shè)備進(jìn)行交互，同時(shí)支持在脫網(wǎng)情況下的智能終端和單個(gè)設(shè)備交互，支持智能終端采集儀表數(shù)據(jù)，獲取儀表狀態(tài)，控制抽油機(jī)的啟停等功能。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)對智能終端要求不高，智能終端在具有防爆要求場合使用防爆工業(yè)手持機(jī)，一般工況環(huán)境下采用智能手機(jī)即插即用終端的模式，節(jié)省資金投入，增加了可用性。井場油井智能電參管理器設(shè)備設(shè)計(jì)支持語音提醒、語音警告、語音驅(qū)離，多層人機(jī)交互模式，對工作人員進(jìn)行啟停井操作的語音提醒，對非工作人員闖入進(jìn)行語音警告，對破壞分子進(jìn)行語音驅(qū)離的多層模式設(shè)置，使得油井智能電參管理器設(shè)備的功能更加適應(yīng)現(xiàn)場復(fù)雜的人員情況，應(yīng)對不同的突發(fā)情況。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)為自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均具備兩條路徑，且采用TDMA機(jī)制，確保所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)據(jù)不發(fā)生沖突，降低網(wǎng)絡(luò)通信不暢造成的功耗浪費(fèi)。

3 WIA-PA安全技術(shù)體系

WIA-PA是一種工業(yè)過程測量、監(jiān)視與控制的無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。WIA-PA通訊技術(shù)采用自組織、自治愈的智能網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制，可以對現(xiàn)場條件和環(huán)境的變化情況，保持通訊可靠和穩(wěn)定。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)使用中心主站控計(jì)算機(jī)作為對工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控的工具，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場操作人員之間信息通訊。管理人員通過中心主站控計(jì)算機(jī)可以監(jiān)測工業(yè)環(huán)境的實(shí)際情況，了解網(wǎng)絡(luò)中無線設(shè)備的工作狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)管理者可以構(gòu)建Mesh結(jié)構(gòu)以及星型網(wǎng)絡(luò)，分配通信所需要的網(wǎng)絡(luò)資源，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)性能，包括設(shè)備路由狀態(tài)、路徑狀況和信道狀況。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)安全管理者負(fù)責(zé)路由設(shè)備與現(xiàn)場設(shè)備的密鑰管理、安全認(rèn)證等安全程序。

3.1 WIA-PA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)采用Mesh和星型結(jié)合的兩層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第一層是由WIA-PA網(wǎng)絡(luò)路由管理設(shè)備、終端處理設(shè)備、手持終端互動設(shè)備構(gòu)成的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。第二層是由WIA-PA網(wǎng)絡(luò)Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成的骨干網(wǎng)絡(luò)，由網(wǎng)關(guān)和路由設(shè)備構(gòu)成。

使用WIA-PA網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)WIA-PA網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)映射互聯(lián)。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)備構(gòu)建由終端和路由設(shè)備星型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，可以監(jiān)測子網(wǎng)通信情況。終端設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，通過路由設(shè)備將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

3.2 WIA-PA網(wǎng)絡(luò)威脅分析

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)是開放性網(wǎng)絡(luò)，可能受到非法入侵、毀壞數(shù)據(jù)、惡意攻擊等威脅。因此必須采取安全防護(hù)措施，保證WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的安全操作和網(wǎng)絡(luò)通信安全，保證生產(chǎn)正常進(jìn)行。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)面臨的主要威脅有來自外部的惡意攻擊和無線網(wǎng)絡(luò)本身缺陷。惡意攻擊是人為的破壞，以破壞網(wǎng)絡(luò)信息、獲取對方信息為目標(biāo)，主要手段有修改、刪除、偽造、欺騙、病毒等。無線網(wǎng)絡(luò)本身的缺陷有電源能量的限制、有限的存儲、運(yùn)行空間和計(jì)算能力的限制、通信的不可靠性、節(jié)點(diǎn)的物理安全無法保證、節(jié)點(diǎn)位置的隨機(jī)性等。

3.3 WIA-PA網(wǎng)絡(luò)安全措施防護(hù)

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)安全體系應(yīng)該遵循以下的安全措施和安全服務(wù)原則：易于部署和使用； 安全服務(wù)項(xiàng)目和安全措施可選；盡可能減少與人有關(guān)的操作；在安全性允許的情況下，盡可能減少安全信息的傳輸；利用基于硬件的加密技術(shù)；使用已有的加密和認(rèn)證技術(shù)。

3.4 WIA-PA網(wǎng)絡(luò)安全目標(biāo)

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)安全目標(biāo)主要是解決網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部資源和數(shù)據(jù)通信的安全，WIA-PA網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)該包括：邊界保護(hù)、訪問控制、系統(tǒng)的可用性、數(shù)據(jù)的完整性、設(shè)備認(rèn)證、機(jī)密性、不可抵賴性、密鑰管理、可審計(jì)性。

3.5 WIA-PA安全分層分級

明確WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的定位、服務(wù)類型和對象的基礎(chǔ)上，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)面臨的安全威脅和使用的層次、安全等級，針對性實(shí)施安全方案和措施。

(1)MAC層安全：MAC層負(fù)責(zé)處理傳輸流出MAC幀和接收流入MAC幀。通過設(shè)置合適的密鑰及幀計(jì)數(shù)器，控制MAC安全處理操作。MAC層的安全相關(guān)屬性、校驗(yàn)?zāi)Ｊ降劝踩x保持與IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)一致。

(2)數(shù)據(jù)鏈路層安全：數(shù)據(jù)鏈路層是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)數(shù)據(jù)安全傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層使用數(shù)據(jù)加密和消息完整性校驗(yàn)碼保護(hù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)安全。數(shù)據(jù)加密實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的保密性；數(shù)據(jù)鏈路層有效載荷經(jīng)過校驗(yàn)算法生成數(shù)據(jù)密鑰，用來驗(yàn)證數(shù)據(jù)信息完整性的MIC是使用數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)。

(3)應(yīng)用層安全：應(yīng)用層負(fù)責(zé)發(fā)送流出包、安全接收流入包。通過安全管理向應(yīng)用層發(fā)送的原語來控制密鑰管理。安全應(yīng)用管理是根據(jù)安全策略，先對數(shù)據(jù)進(jìn)行安全處理，然后把安全數(shù)據(jù)發(fā)送到應(yīng)用實(shí)體，實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層的安全措施管理。

4 WIA-PA網(wǎng)絡(luò)安全管理體系

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)安全管理體系分為兩層，其中網(wǎng)關(guān)和路由設(shè)備構(gòu)成Mesh結(jié)構(gòu)層級，同時(shí)路由設(shè)備和終端設(shè)備/手持設(shè)備構(gòu)成星型結(jié)構(gòu)層級。網(wǎng)絡(luò)安全管理體系的重點(diǎn)集中于通信傳輸安全保密和相關(guān)應(yīng)用安全管理體系。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)安全管理體系應(yīng)該考慮低能耗設(shè)備的資源受限，自選安全策略使用的范圍，確定用于保護(hù)設(shè)備間通信的加密密鑰數(shù)量規(guī)模層級。

4.1 安全管理架構(gòu)

由于WIA-PA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特殊性，特設(shè)計(jì)安全架構(gòu)，其中安全管理者將現(xiàn)場設(shè)備的管理權(quán)限授予網(wǎng)關(guān)和路由設(shè)備，令其擔(dān)當(dāng)安全管理代理的角色。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)安全管理采用集中和分布管理相結(jié)合的方式。系統(tǒng)安全管理由網(wǎng)絡(luò)安全管理者、用戶安全管理者完成。現(xiàn)場設(shè)備的管理權(quán)限交給現(xiàn)場使用者管理，路由設(shè)備交給網(wǎng)絡(luò)安全管理者和用戶安全管理者管理。

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)安全通信的實(shí)時(shí)性與設(shè)備資源的有限性，WIA-PA網(wǎng)絡(luò)需要分層分級實(shí)施不同的安全策略和措施。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的安全管理者、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、路由設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備上的安全管理模塊組成了安全管理架構(gòu)。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)安全防火墻對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施邊界保護(hù)，保證網(wǎng)絡(luò)正常工作。

(1)數(shù)據(jù)完整性安全管理：WIA-PA網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性校驗(yàn)安全管理，發(fā)送方采用密鑰對包進(jìn)行校驗(yàn)算法運(yùn)算，獲得校驗(yàn)碼，驗(yàn)證校驗(yàn)碼的正確性，判斷數(shù)據(jù)是否被篡改，保證數(shù)據(jù)完整安全。

(2)數(shù)據(jù)保密性安全管理：WIA-PA網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行保密性安全管理，發(fā)送方采用相關(guān)對稱加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密運(yùn)算，發(fā)送到接收方。接收方收到的密文利用相同的對稱加密算法進(jìn)行解密運(yùn)算，獲得解密后的安全數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的保密安全。

(3)認(rèn)證安全管理：利用設(shè)備的安全信息對設(shè)備認(rèn)證安全管理。設(shè)備安全信息由加入密鑰與設(shè)備地址一起生成，是不可逆的安全認(rèn)證，保證設(shè)備認(rèn)證安全。

4.2 網(wǎng)絡(luò)安全傳輸

4.2.1 現(xiàn)場設(shè)備到主控計(jì)算機(jī)的安全傳輸過程：

現(xiàn)場設(shè)備DMAP的安全管理模塊根據(jù)MIB中的SecMode和SecLevel，可選擇將應(yīng)用層ASL載荷加密和MIC校驗(yàn)后傳遞到網(wǎng)絡(luò)層；安全管理模塊再根據(jù)MIB中的SecMode和ecLevel，可以選擇對數(shù)據(jù)鏈路層DLSL載荷進(jìn)行加密和MIC校驗(yàn)，再將包發(fā)送給路由設(shè)備；路由設(shè)備收到包后，首先驗(yàn)證該數(shù)據(jù)包的完整性，并在數(shù)據(jù)鏈路層對DLSL載荷進(jìn)行解密操作后，使用下一跳設(shè)備的數(shù)據(jù)鏈路子層密鑰對DLSL載荷進(jìn)行加密和校驗(yàn)操作，通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)設(shè)備；當(dāng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備接收到加密數(shù)據(jù)包時(shí)，安全管理模塊在數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層進(jìn)行相應(yīng)的完整性校驗(yàn)管理和解密操作管理，然后發(fā)送給中心主站計(jì)算機(jī)。

4.2.2 中心主站計(jì)算機(jī)到現(xiàn)場設(shè)備的安全傳輸過程：

該過程是現(xiàn)場設(shè)備到主控計(jì)算機(jī)安全傳輸過程的逆過程。

5 結(jié)束語

油田開采過程數(shù)據(jù)是數(shù)字油田的基礎(chǔ)與核心，基于無線通信的技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)氖侄危浒踩灾苯記Q定了未來石油生產(chǎn)的安全[11]。因此，基于我國自主研發(fā)的WIA-PA技術(shù)來構(gòu)建油井?dāng)?shù)據(jù)采集和傳輸?shù)耐ǖ缹O大提高數(shù)字油田的可控性，避免國外技術(shù)某些隱藏的“后門”造成關(guān)鍵數(shù)據(jù)外泄。WIA-PA技術(shù)是一項(xiàng)面向大量傳感器信息采集和傳輸?shù)闹悄芙M網(wǎng)和高可靠、高安全無線通信技術(shù)，填補(bǔ)了我國在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域自主技術(shù)的空白。WIA-PA技術(shù)融合了‘網(wǎng)狀網(wǎng)’和‘星型網(wǎng)’優(yōu)勢，具有復(fù)合結(jié)構(gòu)的先進(jìn)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的管理效率提高80%以上。WIA-PA技術(shù)具有射頻環(huán)境認(rèn)知能力的多級自適應(yīng)跳頻機(jī)制，是國際上工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)獨(dú)有的智能跳頻技術(shù)。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)在同頻干擾環(huán)境下的通信可靠性達(dá)到99%。在智能油田建設(shè)中應(yīng)用工業(yè)無線WIA-PA技術(shù)可以打造堅(jiān)實(shí)可靠的數(shù)字基石[12]。