油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的功能研究

［摘 要］在物聯(lián)網(wǎng)與油氣生產(chǎn)深度結(jié)合的背景下，油氣生產(chǎn)過程中形成的大量實時數(shù)據(jù)及其已有的海量信息在數(shù)字油田建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用。油田企業(yè)借助實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠顯著提升油田生產(chǎn)管理水平，加快油氣生產(chǎn)管理信息化、智能化的進程。文章從實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)以及實時數(shù)據(jù)的特征入手，重點從該系統(tǒng)對實時數(shù)據(jù)的采集與存儲、加工與轉(zhuǎn)換、業(yè)務(wù)應(yīng)用3個部分詳細(xì)闡述系統(tǒng)的具體功能。

［關(guān)鍵詞］油氣生產(chǎn)；物聯(lián)網(wǎng)；實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2023.08.042

［中圖分類號］F273；TP315 ［文獻標(biāo)識碼］A ［文章編號］1673-0194（2023）08-0128-03

0" " "前 言

隨著油氣生產(chǎn)進入“降本、提質(zhì)、增效”的全面物聯(lián)網(wǎng)時代，油氣生產(chǎn)管理過程中產(chǎn)生了每秒TB級的海量實時數(shù)據(jù)，這些實時數(shù)據(jù)在未經(jīng)進一步處理的情況下難以滿足業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。油氣采集現(xiàn)場的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備眾多，數(shù)據(jù)的實時更新、緩沖、存儲和應(yīng)用就成為油氣生產(chǎn)管理信息化的新要求。基于此，實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)就成為油氣生產(chǎn)與物聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)中樞和信息核心平臺。其以不斷更新的實時數(shù)據(jù)，幫助油氣生產(chǎn)管理人員更好地制定后續(xù)生產(chǎn)策略或調(diào)整當(dāng)前的生產(chǎn)計劃。除此之外，油田企業(yè)通過對存放于實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行接口化分析，以及油氣生產(chǎn)過程中的各業(yè)務(wù)子系統(tǒng)集成，可以提高實時數(shù)據(jù)的利用水平，借助數(shù)據(jù)變化趨勢實現(xiàn)井狀態(tài)判斷、物聯(lián)設(shè)備壽命判斷、設(shè)備告警預(yù)警等［1］。油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)服務(wù)于油氣田的主要業(yè)務(wù)需求，將工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為能夠輔助決策的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，同時實現(xiàn)各油氣田之間的數(shù)字化管理和數(shù)據(jù)快速傳輸，并能夠及時響應(yīng)使用者的查詢需求，對從數(shù)據(jù)層面支撐油氣田物聯(lián)網(wǎng)的運轉(zhuǎn)起到重要的作用。下文從實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)與實時數(shù)據(jù)的特征出發(fā)，具體分析油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的功能。

1" " "油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)

實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是一種應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域海量實時數(shù)據(jù)采集與過濾的集成式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)管理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所返回的海量實時數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)將現(xiàn)場各類物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（定位終端、攝像頭、溫濕度傳感器、氣壓傳感器等）返回的實時數(shù)據(jù)，如井場數(shù)據(jù)中各類電泵井、氣井的運行參數(shù)，油壓、套壓、井溫等關(guān)鍵信息，以及場站數(shù)據(jù)的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)（液位參數(shù)、有毒氣體參數(shù)等），都統(tǒng)一匯總起來，同時提供分析、計算等功能，利用數(shù)據(jù)分析功能對油氣生產(chǎn)提供支持，輔助設(shè)備維護人員和企業(yè)管理層了解現(xiàn)場生產(chǎn)狀況，統(tǒng)籌安排生產(chǎn)計劃，提高油氣生產(chǎn)事務(wù)性工作的處理效率［2］。

實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)整體以ASP.NET為核心技術(shù)架構(gòu)，集成MySQL、Oracle等關(guān)系數(shù)據(jù)庫，同時支持Webspace下的數(shù)據(jù)可視化操作，并支持WeBAPI接口下多樣化的圖表、報表樣式生成，其邏輯架構(gòu)包含數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲與管理、數(shù)據(jù)接口服務(wù)、數(shù)據(jù)應(yīng)用4個部分。在數(shù)據(jù)采集端，由生產(chǎn)中控分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）自動從設(shè)備中采集實時數(shù)據(jù)，傳入實時數(shù)據(jù)庫，其他類型的系統(tǒng)數(shù)據(jù)也由系統(tǒng)接口進入關(guān)系數(shù)據(jù)庫，同時由設(shè)備管理員手動采集化驗數(shù)據(jù)、強檢數(shù)據(jù)、巡檢數(shù)據(jù)、其他報表數(shù)據(jù)等實時數(shù)據(jù)并導(dǎo)入關(guān)系數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)經(jīng)由實時數(shù)據(jù)庫與關(guān)系數(shù)據(jù)庫進入數(shù)據(jù)存儲管理單元，按照生產(chǎn)數(shù)據(jù)、安全數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)等不同類別進行標(biāo)簽化存儲，存儲的數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換后再經(jīng)由數(shù)據(jù)接口服務(wù)，進入可視化動態(tài)展示、遠程診斷分析階段和其他數(shù)據(jù)系統(tǒng)，或是應(yīng)用于遠程動態(tài)模擬等，提供輔助決策的深度分析數(shù)據(jù)。在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理和傳輸標(biāo)準(zhǔn)下，通過實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，管理人員不僅可以監(jiān)測油氣生產(chǎn)從現(xiàn)場鉆采到工藝處理的全過程，還能記錄大量的歷史生產(chǎn)信息和設(shè)備情況，并利用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)打破業(yè)務(wù)壁壘，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的流通與共享，為企業(yè)管理者提供快速反應(yīng)、精準(zhǔn)對接、可拓展、可追溯的全過程生產(chǎn)管理信息。

2" " "實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)特征

實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中存儲著海量的油氣生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)，這些實時數(shù)據(jù)一方面并不依靠固定的關(guān)系組織模型進行數(shù)據(jù)組織，另一方面又需要數(shù)據(jù)共享、維護與管理。實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)一般包括以下4種特征：一是由于傳感設(shè)備的功能性明顯，因此各傳感器回傳的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式較為簡單，多為浮點型（Float）、字符型、布爾型（Boolean）等格式，各數(shù)據(jù)之間以單行單列的形式排列，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性不強；二是由于實時采集的設(shè)備源較多，生產(chǎn)監(jiān)控要求采集系統(tǒng)保持較高的數(shù)據(jù)返回頻率，因此實時數(shù)據(jù)具有時效性，一些數(shù)據(jù)在經(jīng)過特定的時間段之后就會成為歷史數(shù)據(jù)，被轉(zhuǎn)儲進入歷史數(shù)據(jù)庫，判斷數(shù)據(jù)時效性的依據(jù)是采集時間，在數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系中，以評估值（Status）的形式對實時值（Value）與產(chǎn)生數(shù)據(jù)的時間戳（Timestamp）進行評估；三是海量數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)的時效性，海量的實時數(shù)據(jù)會進入歷史數(shù)據(jù)庫，以輔助應(yīng)用層的生產(chǎn)決策，因此無論是實時生成的新數(shù)據(jù)還是歷史數(shù)據(jù)，均有著較大的數(shù)據(jù)量［3］；四是實時數(shù)據(jù)的事務(wù)性特征，即實時數(shù)據(jù)的處理要求必須遵循業(yè)務(wù)流程，實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)必須具備完善的時間處理機制，根據(jù)既定的時間控制數(shù)據(jù)算法，正確執(zhí)行指令。

3" " "油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的功能

3.1" "采集與存儲實時數(shù)據(jù)

實時數(shù)據(jù)的采集是油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)功能。其組建思路是由采集到轉(zhuǎn)儲，以雙向隔離的安全性確保單向傳輸穩(wěn)定，通信設(shè)備一般使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，即用于過程控制的OLE（OLE for Process Control，OPC）。實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集的過程中主要依靠數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)對各類傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進行監(jiān)控和數(shù)據(jù)反饋。SCADA系統(tǒng)組件主要包括若干個遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）和大量的智能物聯(lián)設(shè)備，負(fù)責(zé)連接傳感器，對返回數(shù)據(jù)進行匯總，并設(shè)置SCADA服務(wù)器一臺，負(fù)責(zé)定期監(jiān)測不同RTU的工作狀態(tài)，發(fā)送監(jiān)控指令。實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)也是負(fù)責(zé)對SCADA的監(jiān)測結(jié)果進行可視化展示并反饋給操作人員的人機交互工作站［4］。為了保證實時數(shù)據(jù)采集的安全性，一般采用代理式網(wǎng)閘或穿越式網(wǎng)閘對數(shù)據(jù)采集鏈路的數(shù)據(jù)作隔離緩沖，前者先于內(nèi)網(wǎng)中采集數(shù)據(jù)，然后將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為OPC數(shù)據(jù)源，再在外網(wǎng)中轉(zhuǎn)發(fā)，利用內(nèi)外網(wǎng)的隔離機制保護實時數(shù)據(jù)安全；后者則單獨設(shè)置內(nèi)外網(wǎng)之間的緩沖區(qū)，所有數(shù)據(jù)僅通過緩沖區(qū)和單獨開放的數(shù)據(jù)通道從內(nèi)網(wǎng)穿越至外網(wǎng)，形成內(nèi)外網(wǎng)之間類似交換機式的數(shù)據(jù)擺渡。在確保數(shù)據(jù)傳輸鏈路安全的情況下，現(xiàn)場數(shù)據(jù)由井場的傳感器設(shè)備傳輸至RTU并被采集，實時數(shù)據(jù)從RTU上傳至井控SCADA的數(shù)據(jù)進入功圖數(shù)據(jù)庫，借助分析軟件，可以展示井場油氣生產(chǎn)過程的實時工作狀態(tài)，實現(xiàn)作業(yè)區(qū)的遠程監(jiān)控。由于遠程監(jiān)控要針對各類突發(fā)狀況作應(yīng)急處理，所以一般情況下對實時數(shù)據(jù)的交換間隔是3秒/次，且作業(yè)區(qū)需要形成SCADA的實時數(shù)據(jù)庫鏡像，與SCADA之間異步通信。在實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，一般遵循一套統(tǒng)一的實時數(shù)據(jù)命名規(guī)則，以保證各公司、廠區(qū)和作業(yè)區(qū)之間的穩(wěn)定數(shù)據(jù)交換。實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)一般支持20位以上的標(biāo)簽名長度，包括數(shù)據(jù)類別、公司名稱、編碼類型等，并逐層分級，常見的層級如“數(shù)據(jù)類比—公司名稱—廠標(biāo)簽—作業(yè)區(qū)標(biāo)簽—站庫標(biāo)簽—數(shù)據(jù)標(biāo)簽—類型編碼”等［5］。

3.2" "加工與轉(zhuǎn)換實時數(shù)據(jù)

在“采集—傳輸—轉(zhuǎn)儲”的思路下，實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實際上就成為整個油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)交換和加工中心，其數(shù)據(jù)加工的關(guān)鍵作用在于將油氣生產(chǎn)中的原始數(shù)據(jù)通過抽取（extract）、轉(zhuǎn)換（transform）、加載（load）至目的端（Extract-Transform-Load，ETL）的數(shù)據(jù)進行處理轉(zhuǎn)換，生成可供使用的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。ETL數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的主要邏輯如圖1所示，即系統(tǒng)從設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，存入包括歷史數(shù)據(jù)的實時數(shù)據(jù)庫，在定時查詢的請求下對符合請求的數(shù)據(jù)進行ETL實時轉(zhuǎn)換，形成的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)被進一步處理，進入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，用于開關(guān)井、參數(shù)告警、估算單井產(chǎn)量、生產(chǎn)時率、參數(shù)變化等。

3.3" "助力實時數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)應(yīng)用

有了大量的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)庫作為平臺支撐后，這些數(shù)據(jù)的應(yīng)用與管理就成為油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)智能化的重要功能。各類數(shù)據(jù)服務(wù)，如告警預(yù)警、趨勢分析、歷史數(shù)據(jù)檢索、報表圖表分析等，都是上層管理信息化的重要決策依據(jù)，數(shù)據(jù)的云端共享與應(yīng)用接口的集成，能夠使生產(chǎn)管理的決策過程更加科學(xué)。

實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在業(yè)務(wù)層應(yīng)用方面的一個重要功能是數(shù)據(jù)統(tǒng)計服務(wù)。在實時數(shù)據(jù)存儲和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可視化的功能之間，系統(tǒng)可以借助ETL轉(zhuǎn)換，匯總應(yīng)用層頻繁調(diào)取的指標(biāo)，進行數(shù)據(jù)的高粒度抽取，從而提高業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度和查詢效率。實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計服務(wù)支持跨不同類型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)抽取，在系統(tǒng)中可以預(yù)先設(shè)置數(shù)據(jù)統(tǒng)計任務(wù)，自定義統(tǒng)計周期，再定期觸發(fā)，支持高權(quán)限用戶的數(shù)據(jù)回補，基于以秒為單位、數(shù)千點以上的大量數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高精度的統(tǒng)計分析，可以提供指定條件時間段的分析，指定時刻、時間段內(nèi)的統(tǒng)計聚合（如最大值、平均值等），指定時間段內(nèi)滿足條件的聚合篩選［6］。用戶還可以調(diào)整數(shù)據(jù)子服務(wù)，如針對單井實時告警的參數(shù)配置，用戶可以在瀏覽器中輸入油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的統(tǒng)一資源定位器（Uniform Resource Locator，URL）頁面，點擊實時數(shù)據(jù)檢測模塊，進入告警模塊，便能進行波動分析，調(diào)整單井告警的參數(shù)配置。

借助海量的物聯(lián)網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)也能預(yù)測未來的生產(chǎn)情況、油氣產(chǎn)量，從而指導(dǎo)生產(chǎn)規(guī)劃。油氣田的產(chǎn)量預(yù)測一般精確到作業(yè)區(qū)或單井，在不同實時數(shù)據(jù)存儲庫的基礎(chǔ)上設(shè)計算法模型，常見的算法組合有KNN、多元線性回歸等。以單井小層的氣井為例，油氣生產(chǎn)長期積累的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)能夠形成有效的動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，包括某段時期的產(chǎn)氣量、產(chǎn)水量、采氣速度、剩余采儲量等，再結(jié)合射孔頂深底深、泥質(zhì)含量、孔隙度、含氣飽和度等靜態(tài)數(shù)據(jù)，在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可以校驗原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，建立基于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)索引，根據(jù)不同數(shù)據(jù)的相關(guān)性設(shè)計模型，以長期數(shù)據(jù)的走勢和權(quán)重，挑選出與油氣產(chǎn)量相關(guān)性較強的動態(tài)屬性，代入模型進行預(yù)測。目前，這類方法對油田產(chǎn)量變化的預(yù)測仍處于發(fā)展階段，隨著后續(xù)實時數(shù)據(jù)監(jiān)測精度的進一步提升，以及產(chǎn)量預(yù)估模型的進一步優(yōu)化，實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在產(chǎn)量預(yù)測方面的效用將越來越顯著。

除上述兩種業(yè)務(wù)層應(yīng)用以外，實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)還可以在減少油氣生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境污染、改進油氣開發(fā)工藝、延長物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與傳感器的工作壽命等方面發(fā)揮作用，輔助油氣生產(chǎn)的管理者做好各類問題的預(yù)案，從而達到降低成本、提質(zhì)增效的目的。

4" " "結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與油氣生產(chǎn)的結(jié)合日趨緊密，油田生產(chǎn)現(xiàn)場產(chǎn)生的海量實時數(shù)據(jù)也不斷顯示出重要的應(yīng)用價值。經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、傳輸加密和算法挖掘，實時數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)能夠?qū)⒃紨?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可供應(yīng)用的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，在業(yè)務(wù)層面發(fā)揮告警預(yù)警、設(shè)備保養(yǎng)、數(shù)據(jù)質(zhì)量、井開關(guān)、工況告警等各類拓展功能，為油田企業(yè)的油氣生產(chǎn)提供可靠、全面的數(shù)據(jù)依據(jù)和智能化保障。未來，數(shù)據(jù)的高效挖掘、生產(chǎn)過程的可視化管理以及云計算技術(shù)下的資源整合優(yōu)化將成為“數(shù)字油田”建設(shè)思路的主要方向，實時數(shù)據(jù)管理也將與大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)相融合，推動油氣生產(chǎn)管理向智能化方向不斷邁進。

主要參考文獻

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