華北油田信息化智能監測技術研究與應用

李新峰 史志鵬 許冬 王磊

隨著油田自動化、數字化的快速發展，對于油田建設相配套的網絡和通信技術要求越來越高，特別是山間、野外現場集中的油水井數據采集，存在著通訊信號不穩定等問題，對此，不僅要考慮傳輸速率，還要考慮到穩定性、成本和時延等問題。ZigBee技術是一種新的無線通信技術，使用CSMA-CA技術解決數據沖突問題，使用16-bit CRC來確保數據的正確性從而達到高效可靠；其中Zig Bee2007協議的SoC芯片CC2530每片價格不到20元，采用1節5號電池可以持續供電三個月時間，低成本、低功耗；同時具有組網靈活的優勢，可以嵌入各個設備，具有自我修復能力；采用了AES-128加密技術，對傳輸數據進行加密，保障了安全性且具有高可靠性、低成本、低功耗、短時延、組網靈活等優勢，主要適用于遠程控制領域，可嵌入各種設備。

一、華北油田信息化現狀

華北油田某些地區地勢較高，山多人少，存在著信號不穩定的問題，以某采油廠為例，共有2000多口井，現階段主要由兩種主要通訊方式，ZigBee終端+McWill 和ZigBee終端+GPRS傳輸組合，兩種通訊方式不僅應用在單井還應用于井組。單井自動化系統數據流向為傳感器采集單井數據后，ZigBee終端傳感器直接通過油田專網Mcwill或GPRS（移動公司開設的無線專網）將數據傳送到遠端服務器，實現數據的傳輸、存儲和實時監控。使用該通訊方式下，對于一個井組（10口井），需要使用10套Zig Bee終端傳感器（一體化示功儀）和10套GPRS模塊和手機卡。具體傳輸流程如圖1：

二、華北油田ZigBee路由協議現狀

華北油田Zig Bee采用的是Cluster-Tree算法，利用特殊的網絡地址的分配來尋找路徑，數據傳輸到每一個新加入網絡的節點，數據包傳送到某一個節點，假如不是目標地址的話，會到父節點或者子節點尋找目標地址，直到找到目標地址，具體的算法流程圖2如下：

根據流程圖可以看出，該算法路由節點沒有路由發現過程，即當節點收到數據包分組時，如果數據包的目的地址不是本身，就會把數據包發送給子節點或者父節點處理，當由父節點或子節點來轉發數據包時，因為所經過的路徑都比較遠，所以數據包無法確定是否經過最短路徑來傳送，導致數據包經過多跳的數據傳輸，從而提高了效率。

綜上所述，存在以下問題：

首先，GPRS信號不穩定，因為上述Zig Bee終端傳感器（一體示功儀）必須安裝在光桿上端，位置固定不變，如果該處恰逢無信號，會導致無線傳輸的數據連續性差，不能有效傳輸。

其次，針對井組的井場，多套Zig Bee終端傳感器（一體示功儀），多套GPRS模塊和手機卡相比較成本較高。

最后，成功傳輸到遠程服務器的數據包，有一定幾率的失效性，每兩個小時采集一張功圖，會存在三天或四天丟失一張功圖；有一定幾率的時延性，發送采集命令，在一定時間后，才會上來功圖。

三、ZigBee組網與GPRS模塊的創新通信技術

針對于井組，可以在每口井上安裝Zig Bee傳感器終端，每個終端進行傳感器地址的設置，通過無線傳輸到Zig Bee協調器上，由協調器上通過GPRS模塊將數據傳送到遠端服務器上，相應算產軟件上，10口井綁定一個手機卡，通過傳感器中RTU地址進行區分處理，分類存儲和功圖算產。井組現場中，假如井口位置GPRS模塊信號不穩定時，可以將協調器擺放到信號相對穩定的地方進行GPRS的數據傳輸。這種組合通信方式，需要10套Zig Bee傳感器、1個Zig Bee協調器和1套GPRS模塊，相較之前的通訊方式，節約了成本。

四、結合Cluster-Tree和AODVjr算法結合優化

AODVjr路由算法的主要特點在于能根據源節點到目的節點最短路徑來選擇路由，從而減少了重復廣播次數，其缺點就是多次廣播分組而消耗過多的能量；ClusterTree存在的主要缺點是數據包到的節點如果不是目的節點，會通過該節點的子節點或者父節點進行傳遞數據，從而導致路徑變遠，但是沒有經過廣播分組，所以消耗的能量相對于AODVjr要少。

結合Cluster-Tree和AODVjr算法，將網絡中的節點分成兩種類型：

第一種節點剩余能量充足，且有足夠儲存空間去完成AODVjr算法。

第二種節點能量不充足，且沒有足夠的儲存空間，無法完成AODVjr算法。

節點能量不足，無法完成AODVjr算法，所以直接進行Cluster-Tree算法，具體上述流程圖介紹過。這里主要介紹第一種節點。

當沒有到目的節點的路由，則按照AODVjr路由算法尋找通往目的節點的最優路徑，而找到目的節點后直接將數據包沿著該最短路線直接發送，無需再將數據傳送至子節點或者父節點。

作者單位：華北石油通信有限公司