無線采集模塊在EPS 作業(yè)數(shù)據(jù)采集方面應(yīng)用研究

王 偉 李 斌 張雪梅 劉 陽 董祺禹 張貴磊

（1.天津市海洋石油環(huán)境和儲層低傷害鉆完井液企業(yè)重點實驗室，天津 300450；2.中海油田服務(wù)股份有限公司，河北三河 065201）

0.引言

隨著中海油服海上EPS 作業(yè)量的不斷增多，其業(yè)務(wù)功能日益豐富，作業(yè)流程逐步成熟，對現(xiàn)場作業(yè)參數(shù)的檢測需求也變得越來越有必要，相應(yīng)電子產(chǎn)品的性能要求也隨之提高。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不但能收集需要的數(shù)據(jù)，而且能對各種環(huán)境、各種條件下的通信進行有效的處理，使其能夠獲得最好的通訊結(jié)果。同時，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障管理的研究主要分為3 個階段：故障檢測、故障診斷和故障恢復。為了保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕卣篃o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能多樣性，在最小化網(wǎng)絡(luò)能耗的前提下，本文所涉及的工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)為工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的無線采集技術(shù)提供了一種靈活的布線方式，并已在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)的故障診斷方法存在的問題。因此，在 EPS 的數(shù)據(jù)采集中，應(yīng)用無線通信技術(shù)對其進行監(jiān)控和控制是極為必要的。

1.無線采集模塊概述

1.1 采集原理

無線數(shù)據(jù)采集又稱數(shù)據(jù)獲取，是一個由無線模塊、感應(yīng)器、從系統(tǒng)外部獲取數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)中的一個應(yīng)用程序，其工作原理來源于模擬和數(shù)字被測試裝置（如無線模塊）和其他待檢測設(shè)備中，自發(fā)地收集非電量、電能，然后由信號處理模塊完成簡單的計算、數(shù)據(jù)分析，再把這部分傳輸給數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)。本文主要闡述了以EPS（Environment Protection Solution）作業(yè)數(shù)據(jù)采集為主，采用無線模塊、感應(yīng)器等設(shè)備硬件和計算機應(yīng)用軟件相結(jié)合，對各類物理現(xiàn)象進行檢測的數(shù)據(jù)采集方式。該系統(tǒng)采用了數(shù)字信號處理技術(shù)，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的實時處理，以及對數(shù)據(jù)的有效提取，所獲得的資料多數(shù)為暫態(tài)或一特定時期的特征值[1]。

1.2 作業(yè)數(shù)據(jù)采集測量方案論證

作業(yè)數(shù)據(jù)采集是利用儀器設(shè)備和計算機技術(shù)對測量對象進行的各種信息采集、記錄和處理。數(shù)據(jù)是在生產(chǎn)過程中形成的，而生產(chǎn)是一項復雜的系統(tǒng)工程，其涉及工業(yè)生產(chǎn)過程中的方方面面，如生產(chǎn)管理、產(chǎn)品質(zhì)量管理等。因此對各種生產(chǎn)經(jīng)營活動實施全面信息掌握和分析有著重要的意義。這不僅要求測量儀器設(shè)備采用正確的工作方法進行數(shù)據(jù)采集，還需要對采集到的數(shù)據(jù)進行各種必要的處理和解釋。而數(shù)據(jù)采集技術(shù)測量方案論證則是指利用一定的技術(shù)手段，對采集到的數(shù)據(jù)進行整理分析，并對這些數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)、全面的分析，從而對生產(chǎn)過程進行最優(yōu)的調(diào)整。

測控系統(tǒng)的工作以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，其流程大致可分為3個階段：數(shù)據(jù)輸入/輸出、數(shù)據(jù)傳遞和數(shù)據(jù)處理。一般來說，數(shù)據(jù)的輸入/輸出方式取決于硬件系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳遞依賴于數(shù)據(jù)的輸入/輸出和數(shù)據(jù)處理的需要，而數(shù)據(jù)處理的過程則取決于測控任務(wù)的內(nèi)容。不同的測量方法各有優(yōu)缺點，需要對各種方法和技術(shù)的適用條件和范圍進行進一步的探索。因此，無線數(shù)據(jù)采集作為當前有線連接傳統(tǒng)技術(shù)的替代手段，能與EPS 業(yè)務(wù)形成較好的數(shù)據(jù)監(jiān)測控制技術(shù)，在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、電力業(yè)務(wù)等方面得到較為廣泛的應(yīng)用[2]。面對新技術(shù)的快速迭代，有線網(wǎng)絡(luò)公司也將積極加快研發(fā)和應(yīng)用，不斷開展新業(yè)務(wù)新技術(shù)，探索物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與數(shù)據(jù)分析技術(shù)的有效融合，為公司開發(fā)提供強有力的技術(shù)支持。

1.3 數(shù)據(jù)采集方案分析

在現(xiàn)代信息通訊領(lǐng)域，無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)是一個非常重要的課題。在許多方面，如無人能及的偏遠地區(qū)、強腐蝕性、無法利用有線接入等場合，采用有線資料采集與傳送，顯然已經(jīng)不能滿足資料的收集與傳送需求。隨著物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的不斷深入，人們對其進行了深入的研究。

該系統(tǒng)的硬件組成主要包括3 個模塊：STM32F407ZG，ESP 模塊和PC。在此設(shè)計中，ESP 模塊是SPI（SPI），其主要作用是對設(shè)備的設(shè)定進行監(jiān)視和調(diào)整，并且可以獲取與記錄檢測設(shè)備相關(guān)的信息，如設(shè)備編號、位置或設(shè)備信息等。數(shù)據(jù)源模塊充當SPI（SPI 主動裝置）；ESP 與主機之間的以太網(wǎng)連接是由WLA（Wireless Access）實現(xiàn)的。在任何有網(wǎng)絡(luò)的情況下，通過與該系統(tǒng)的公用IP 進行遠程監(jiān)視，為用戶提供了很好的便利，具有很強的實用價值。

2.無線數(shù)據(jù)采集的必要性

在當今的互聯(lián)網(wǎng)時代，數(shù)據(jù)收集的重要性日益突出，需要多個部門、多個環(huán)節(jié)嚴格把關(guān)，同時，針對數(shù)據(jù)的安全性、存儲能力、處理能力等方面都有較大的技術(shù)需求。但是，在實際應(yīng)用中，仍舊存在著數(shù)據(jù)量大、內(nèi)存空間大、計算復雜等問題，為了能夠有效解決這一問題，連接電力設(shè)備維護的“溝通橋梁”。無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的引入是迫在眉睫的。相比于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，其最大的優(yōu)點就是無需線路連接，安裝和調(diào)試都很靈活，成本也很低。在某些特定或苛刻的情況下，采用無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)是最佳選擇，能夠有效減輕受環(huán)境因素影響造成的數(shù)據(jù)誤差。特別是在硬件和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展下，大量的數(shù)據(jù)可以被儲存起來，可以對各模塊的信號進行快速的處理，并能在較大的范圍和較短的時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的收集。在此基礎(chǔ)上，采用先進的技術(shù)架構(gòu)，可以在一定程度上，根據(jù)不同的需要添加或更改模塊，并通過相應(yīng)的程序?qū)ζ溥M行擴展和修正，從而在最短的時間內(nèi)，建立起一套可以解決特定問題的體系。

3.基于EPS 作業(yè)數(shù)據(jù)采集的無線采集應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集（DAQ）是模擬和數(shù)字被測量的元件，例如傳感器和其他待測試的裝置，自動地獲取無電或電量的信號，然后發(fā)送給計算機進行分析、處理。通過串口、并口、USB 等多種方式將數(shù)據(jù)傳送至電腦。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將測量軟件和硬件產(chǎn)品與計算機或其他專門的測試平臺相結(jié)合，實現(xiàn)用戶定制的靈活的測量系統(tǒng)。本文主要以數(shù)據(jù)采集設(shè)備為基礎(chǔ)，建立了一個測試平臺，利用VE 軟件實現(xiàn)了對電子信號的實時處理。此外，在數(shù)據(jù)處理方面，目前多數(shù)系統(tǒng)都是采用直接MCU 來完成傳感器數(shù)據(jù)的處理，而本系統(tǒng)采用ZigBee 節(jié)點來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，就可以盡可能降低了數(shù)據(jù)中的干擾，使無線通信距離得到一定的提高[3]。

3.2 在線監(jiān)控

隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)成為一種新型的安防技術(shù)。但是，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法成本高，而且受到所選擇的視頻設(shè)備與廠商差異性的影響，造成了視頻系統(tǒng)不能相互連接、不能共享等問題。針對當前存在的多種監(jiān)控設(shè)備，制約了視頻資源的共享，為此，本文著重研究了如何建立一個基于Client/Chrome 的集成視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并將其用于多個廠商的視頻設(shè)備的統(tǒng)一管理與利用。為了能夠與多個廠商的設(shè)備相兼容，從不同的設(shè)備中讀取不同的視頻設(shè)備，并解決虛擬設(shè)備的多設(shè)備、協(xié)議的擴展性等缺陷，設(shè)計了一套虛擬設(shè)備界面[4]。

3.3 自動監(jiān)控設(shè)備

EPS 功能自動檢測裝置廣泛用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示等方面，并可以在不同的操作系統(tǒng)平臺上使用，滿足各種工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)需要，并對各種工藝數(shù)據(jù)進行實時的采集、監(jiān)測，系統(tǒng)全面地分析數(shù)據(jù)，以便做出最佳的工藝調(diào)整。根據(jù)不同的生產(chǎn)場地需要，對產(chǎn)品的外形、臺面進行匹配，從而達到自動操作的目的，滿足不同行業(yè)的客戶需要。

3.4 在線自動監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)的應(yīng)用為實現(xiàn)無人化、高效、高靈敏度的實時監(jiān)測提供了有力的保障。隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)已經(jīng)成為一種新型的安防技術(shù)。視頻監(jiān)控作為監(jiān)控系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要包括前端攝像機、傳輸電纜、監(jiān)控平臺等。但是，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法成本高，而且受到主觀因素的影響，使得自動化監(jiān)測越來越受到重視和發(fā)展。在監(jiān)測系統(tǒng)中，除了主要傳送影像訊號之外，還可以針對不同的需求，例如，對重要部位的語音訊號進行分析，由控制中心進行監(jiān)控，并能傳送語音及控制訊號。

3.5 信息采集點

EPS 信息采集站作為一個網(wǎng)格化的產(chǎn)物，主要分為兩大類：再分析數(shù)據(jù)和預報數(shù)據(jù)。由于其在數(shù)據(jù)上所占的比重較大，可以有較好的追蹤趨勢，并對未來的數(shù)據(jù)進行預測，因此也被各大企業(yè)廣泛使用。但是，當前的市場數(shù)據(jù)規(guī)模龐大，結(jié)構(gòu)復雜，難以進行準確的預測，因此，采用市場仿真、間接預測等方法難以實現(xiàn)。在這種情況下，本文采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，利用大數(shù)據(jù)的優(yōu)點，從大量數(shù)據(jù)中抽取出有價值的數(shù)據(jù)。在收集到的資料基礎(chǔ)上，結(jié)合實踐經(jīng)驗，對未來的市場進行了預測，并將其綜合起來，運用平均或加權(quán)的方法對其進行數(shù)學分析，得出其預測效果。

4.數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀及其未來發(fā)展趨勢

4.1 隨著大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)的廣泛應(yīng)用，對大數(shù)據(jù)收集的需求不斷增加

數(shù)據(jù)收集是實現(xiàn)大數(shù)據(jù)在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用和產(chǎn)生價值的先決條件。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，海量的數(shù)據(jù)信息被廣泛地運用于數(shù)據(jù)平臺和專家的專業(yè)分析之中。為保證數(shù)據(jù)傳輸安全、存儲安全、審核安全，必須采用嚴格的身份認證機制，滿足數(shù)據(jù)安全和國家需求的加密機制，合理的數(shù)據(jù)隔離和完善的容災(zāi)備份機制。隨著大數(shù)據(jù)安全技術(shù)的不斷完善，傳統(tǒng)的安全監(jiān)控技術(shù)還存在不足，傳統(tǒng)的隱私保護技術(shù)失效。大數(shù)據(jù)管理技術(shù)已經(jīng)在金融、電信、能源等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上建立了一套數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，從數(shù)據(jù)安全、隱私保護、質(zhì)量管理、數(shù)據(jù)分析等多個角度出發(fā)，對數(shù)據(jù)收集的需求會逐漸被激活，從而推動數(shù)據(jù)收集軟件和服務(wù)的市場規(guī)模不斷擴大。

4.2 大數(shù)據(jù)收集更重視對異質(zhì)數(shù)據(jù)源的兼容

數(shù)據(jù)的數(shù)量呈指數(shù)級的增加，存儲、計算、部署等方式也在發(fā)生著同步的改變，數(shù)據(jù)的運算速度不斷加快，但數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)據(jù)的傳遞速度卻一直不能同步。各個產(chǎn)業(yè)的商業(yè)體系也日益復雜化。由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的復雜性，使得數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、存取方式、形式各異的數(shù)據(jù)來源越來越多，使得數(shù)據(jù)的采集具有更高的異構(gòu)兼容性。同時，隨著資料來源的增多，數(shù)據(jù)的處理方式也越來越復雜，數(shù)據(jù)的處理也越來越困難。為此，在工信部《“十四五”大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中，明確提出了要打造一條穩(wěn)定、高效的產(chǎn)業(yè)鏈，在數(shù)據(jù)產(chǎn)生和采集方面，重點加強對數(shù)據(jù)源的兼容性、大規(guī)模數(shù)據(jù)集收集和處理的能力。在此背景下，加強對數(shù)據(jù)資源的開發(fā)與利用，不僅為技術(shù)、產(chǎn)業(yè)、安全、法律等帶來了新的機遇，同時也帶來了新的挑戰(zhàn)。

4.3 大數(shù)據(jù)收集的安全性和隱私權(quán)要求不斷提高

近幾年，國內(nèi)對大數(shù)據(jù)安全和隱私權(quán)的需求不斷增長，一方面反映了數(shù)據(jù)時代新的國家安全危機；另一方面也反映了國家對公民數(shù)據(jù)安全的關(guān)注，隨著大量的個體數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)交易的迅速發(fā)展，公民數(shù)據(jù)的安全受到了極大的威脅，《數(shù)據(jù)安全法》就是對此做出的反應(yīng)。同時，在智能防護中，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)保護技術(shù)難以有效地解決大數(shù)據(jù)的智能化分類、智能識別、智能學習、智能定位等問題。因此，基于對大數(shù)據(jù)安全的硬性需求，中國信息通信研究院從技術(shù)角度出發(fā)，構(gòu)建了大數(shù)據(jù)平臺安全、數(shù)據(jù)安全、隱私3 個層次的大數(shù)據(jù)安全技術(shù)體系。這也就意味著在保障個人信息安全的過程中，如何正確處理好信息流通和保障個人信息安全的關(guān)系，并且在大數(shù)據(jù)發(fā)展和個人信息保護中找到一個平衡點，已成為當前技術(shù)的重要突破口。

5.結(jié)語

無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的迅速發(fā)展給地球物理勘探帶來了許多新的思路和方法，為今后進一步開展奠定堅實的理論基礎(chǔ)和廣闊的創(chuàng)新空間。同時，在 EPS 作業(yè)中，相關(guān)的新技術(shù)、新方法也在不斷地被開發(fā)和運用，并顯示出了很大的發(fā)展趨勢。而且，隨著無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的革新，采集儀器的精確度不斷提高，面波探測技術(shù)也將成為電力設(shè)備維護的重要手段，為工程探測提供重要的電力介質(zhì)信息，助推國內(nèi)無線數(shù)據(jù)采集技術(shù)的應(yīng)用范圍，提高信號的處理效率，為后續(xù)的電力施工提供重要的數(shù)據(jù)支撐。