基于修井作業數字化現場視頻監控系統的應用

黃微?張雨平?陶俊亦

摘要：針對修井作業現場人工巡檢效率低、工人勞動強度大、存在不安全隱患等問題，通過分析修井現場視頻監控系統功能要求提出了一種基于修井數字化作業現場的視頻在線監控系統，實現對不同區域修井現場的集中數據采集、遠程監控、視頻圖像存儲、視頻會議等功能。介紹了視頻監控系統的硬件組成并開發了監控系統界面。經現場應用和調試表明，該修井作業視頻監控系統可以實時監控修井現場，降低了工人勞動強度，大大提高了監控效率，取得了滿意的應用效果。

關鍵詞：修井；修井作業數字化現場；在線監控；系統開發

一、前言

隨著人工智能、大數據、物聯網技術進入快速發展階段，按照川慶公司數字化轉型整體規劃，需加快推進修井作業現場數字化轉型。目前，與鉆井數字化現場[1]相比，修井作業現場數字化程度相對較低，修井作業機設備老舊，尚未建立數據采集、視頻監控系統，工程技術等相關部門無法及時準確掌握現場施工動態，依靠電話溝通、人工巡檢。為此，本文通過分析修井現場的監控系統功能要求，設計了修井現場視頻監控系統并開發了配套監控界面，完成了硬件系統選型和軟件系統[2]開發，經現場調試和應用，驗證了方案的合理性和可行性，實現了視頻監控與修井作業數字化現場的有機融合，與安全生產相關內容從業務流、數據流融為一體。

二、監控系統開發功能要求

目前，修井監控由大量在崗工人完成，通過工人到修井一線現場查看施工進度、施工情況、安全隱患，利用肉眼查看并記錄工程數據，根據記錄的工程數據判斷現場情況。這樣的監控方式監控數據誤差大、精度低，并且需要大量在崗工人完成。為此，本文提出了修井作業視頻監控系統，該系統不僅可以代替工人完成數據采集，還可以實現視頻監控與實時數據動態采集，包括以下4項內容：第一，工程數據實時監測。修井作業視頻監控系統要求實時獲取修井現場的工程動態參數，取代人工去現場查看數據。第二，視頻監控。修井作業視頻監控系統應具備遠程監控功能，避免工人在現場進行巡檢，大大降低工人勞動強度，提高作業效率。第三，遠程指揮。為解決基地與現場溝通不及時與溝通頻率低等問題，修井作業視頻監控系統應具備遠程指揮功能，避免工人在現場進行隨意操作、等停時間長的問題，提高作業效率。第四，視頻監控系統與修井作業數字化現場的融合。打通修井現場與修井作業數字化現場的通道，實現視頻監控系統在修井作業數字化現場中的展示。

三、視頻監控系統整體方案設計

根據修井現場視頻監控系統功能要求，可以得出修井作業視頻監控系統需要使用傳感器和視頻監控設施實時監控修井現場數據及設備。在井控裝置中，某些壓力表會因為量程高、低或壓力損壞發現不及時造成數據不準確，需要設置壓力傳感器采集壓力信號。此外，儲備罐的液面波動會造成人工測量不準確，需要設置液位傳感器采集液面數據。搭建的老井修井現場遠程監控系統整體方案設計如圖1所示。

由圖1可知，修井作業視頻監控系統由設備端、數據采集與傳輸、后臺展示三個部分組成。

設備端由防爆攝像頭、數據檢測傳感器、防爆電池組等組成。防爆攝像頭用于現場環境、設備設施監控。數據檢測傳感器用于檢測修井現場設備運行狀態的各項參數、大容量可充電鋰電池為整個監控單元提供電力能源。數據傳輸由無線網橋、采集器等組成，井場網絡基于信息與通信技術中心和油田工程研究院在2018年發布的《基于A12的鉆完井決策支持中心井場信息化組網設備標準及運維方案》，組建基于有線和無線網橋[3]的混合局域網，用于專業數據、音視頻、辦公數據傳輸，數據匯集后通過衛星小站傳輸至油田基地中心站點后接入辦公網，所有網絡接入都需要經過授權才允許接入，屬地管理歸修井工程師。后臺展示設備端的視頻、數據采集的數據、發起視頻對話，并自動生成實時曲線、實時數據、實時視頻、歷史曲線、歷史數據、歷史視頻。

四、硬件系統設計與軟件編程

（一）視頻監控主要硬件

視頻監控的硬件系統主要由傳感器、攝像頭、無線網橋、采集器[4]等組成，攝像頭可與現場連線實時采集現場的運行情況，并將采集的信息通過無線模塊發送到數據處理終端。傳感器主要包括壓力、溫度、液位，通過傳感器可以監測到修井現場的施工參數，并發送到信號處理器進行處理分析，設備型號見表1。

全天候防爆高清紅外一體化攝像儀：采用200萬像素高清攝像頭，主要用于設備設施、現場環境的視頻監控。

攝像機防爆電池組：由3顆32650磷酸鐵鋰組成的9.6V6.5AH的電池組，具有高容量、出色的循環壽命、優秀的高低溫性能、電壓輸出穩定、自放電小、雙重安全保護、高抗振和抗沖擊能力。當嵌入式智能運行管理模塊檢測到無市電的情況下可為設備提供30分鐘工作時間，支持電池容量擴展。

無線網橋：安裝于井場內較高位置，負責將井場內所有的數據采集、傳輸、轉換為以太網數據模式，再接入井場的無線Wi-Fi系統。同時，使用攝像機防爆無線模塊實現井場內無線Wi-Fi的全覆蓋，成功解決了數據線纜鋪設中的一系列難點，包括線纜種類多而雜、線纜本身容易受損、需要專業技術人員進行接口對接、水平線纜管理的復雜性等，從而實現井場內部的數據傳輸與共享。

采集器：將現場攝像機防爆無線模塊獲取的數據進行本地展示、本地存儲和上傳，內配置視頻數據存儲單元，視頻數據存滿后循環覆蓋，支持存儲擴展，保障長修井、老井、周期井的全井視頻本地存儲。

攝像機防爆無線模塊：直接與攝像頭相連，使用TCP/IP協議獲取并傳輸視頻數據至中心端的數據采集器。

雷達液位計：采用諾盈佳業高頻雷達液位計NYRD806來測量循環罐的液位，其工作原理是通過發送和接收電磁波信號實現測量。雷達傳感器的天線以波束的形式發射電磁波信號，在被測物料表面產生反射后由天線接收回波信號。在發射和反射波束中的每個點都使用超聲采樣的方式進行數據采集，經過智能處理器的處理，計算出介質與探頭之間的距離，以供顯示、報警和操作等用途。

壓力傳感器：測液體或氣體的壓力直接作用于傳感器的膜片上，使膜片產生與介質壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻值發生變化。通過電子線路檢測電阻值的變化，并將其轉換為一個標準測量信號（通常是4～20mA信號），用于監測并輸出對應于壓力數值，達到實時監測被測液體或氣體的壓力值的目的。

懸重：壓力傳感器會由于懸重變化產生不同的壓力值，壓力值與懸重重量比值呈線性關系?？筛鶕嘟M懸重與壓力的比值，得到近似線性常數K。改造后的操作過程中，根據壓力傳感器的讀數以及常數K，即可計算出對應的懸重，以此實現對懸重數據的實時采集。

溫度傳感器：作用在于將溫度值轉化為一個標準化的輸出信號傳送出去，通過將被測主回路的交流電流轉換為一個穩定的恒流環標準信號，將該信號連續傳輸到接收裝置，實現對液體溫度的監測。其原理涉及以下流程：采用熱電偶、熱電阻作為測溫元件，由測溫元件產生溫度相關的信號送至溫度傳感器模塊，在溫度傳感器模塊內經過一系列電路處理步驟，包括穩壓濾波、運算放大、非線性校正、V/I轉換、恒流及反向保護等，最終將溫度信號轉換為與溫度呈線性關系的4～20mA電流信號。

（二）數據采集中心端功能模塊及特性

1.數據采集中心端特征

（1）高穩定性：8年現場經驗積累，品質、質量有保障。

（2）小型化、輕量化、智能化：體積、重量減少70%，全面推進智能化。

（3）靈活組網：全無線覆蓋、無線橋接、4G路由、快速部署。

（4）根據需求，自主研發：高開放度，模塊可選，標準協議開放對接。

（5）工業級無風扇：封閉式機箱、鰭片被動散熱、防塵、防潮、防震動、防爆。

（6）工業協議轉換：全業務協議采集、轉換傳輸。

（7）新特性：斷點續傳、可選后備電源、智能運行。

2.中心端物理性能指標

硬件架構模塊化設計，內部模塊間通信和控制器采用主板總線轉發模式。各模塊間數據通信通過交換模塊和數據總線完成，控制模塊通過電氣總線完成各模塊的電源管理、狀態采集、環境參數（溫濕度、電壓電流、資源占用等）采集。硬件適應能力見表2。

3.存儲模塊

數據采集中心端內置大容量數據存儲單元，現場采集的數據可全部本地存儲。

中心端配置256GB實時數據存儲單元（單井現場實時數據120天存儲周期容量約為20～35GB ），完全滿足井場存儲需求。

中心端配置4TB的機械硬盤：單井現場2路720P視頻30天存儲周期容量約為1.5TB，完全滿足井場視頻數據存儲需求。視頻數據存滿后循環覆蓋，支持存儲擴展，保障長修井、周期井的全井視頻存儲。

在遠程傳輸網絡中斷時，中心端對未上傳數據進行標記。網絡恢復時，進行數據的斷點續傳。

4.網絡模塊

數據采集中心端集成工業級網絡通信模塊，滿足井場實時數據、視頻數據傳輸帶寬優先級控制需求。對內支持現場Wi-Fi組網、橋接（可選），可滿足不同場景組網需求并快速部署。對外出口支持運營商網絡4G以及衛星、光纖寬帶（可選）。

中心端集成2.4G、5.8G雙頻基站，組建無線局域網，實現音視頻、專業數據、辦公數據的網絡傳輸。中心端還為流動作業設備終端提供接入熱點功能。

中心端匯聚數據后，通過4G網絡模塊將數據傳輸到油田基地中心站辦公網絡。

5.數據監控

井下作業采集器設有一臺操作站。操作站從數據采集器中心端讀取現場實時數據，并提供友好的人機交互界面。井下作業采集器操作站可提供歷史數據查詢。

6.視頻監控

井下作業采集器操作站集成了視頻監控模塊，支持多路主流網絡攝像機無線接入，可實現對井場、井口實時視頻監控。具有井場本地顯示、存儲及無線上傳等功能，視頻數據可壓縮上傳，遠程回放。

視頻監控模塊特性：

（1）基于監控視頻內容組成的運動目標和背景分開提取，并且充分利用幀間差異建立新型的存儲格式。

（2）存儲效果比現有主流壓縮方式降低40%～50%，最高可降低60%～80%。

（3）支持CIF、DI、720P、1080P多種視頻碼流。

（4）最大可支持8路1080P視頻輸入。

（5）支持無線接入前端攝像機。

（6）H.264及H.265視頻數據編碼。

（三）軟件系統

為了滿足實時數據在井場端的顯示，在應用硬件設備采集數據的同時，也開發了一套適用于老井修井現場的軟件系統。軟件系統包含兩個模塊：RTU嵌套軟件、數據采集器嵌套軟件。

RTU嵌套軟件是一種實時操作系統（RTOS），其特點在于包含一段有效代碼，用于循環掃描輸入和監控通信端口，以連接到后端監控中心的通信系統驅動和現場設備的I/O系統設備驅動。此外，RTU嵌套軟件還內置了SCADA應用軟件，用于執行一系列任務，包括輸入數據掃描、現場過程監控以及數據存儲等操作，還能夠響應從通信網絡傳輸過來的SCADA監控中心的命令。用戶可以在RTU上進行應用設定，涵蓋一些簡單的參數設置、啟用或禁用特定的I/O口，也可以提供完整的編程環境以滿足用戶的需求。RTU還支持文件系統，允許文件下載，包括用戶程序和設定文件，有助于后期的系統診斷。

數據采集器嵌套軟件是一套基于Windows系統進行二次開發的組態軟件。組態軟件利用系統提供的工具，能夠通過直觀的配置工作構建所需的軟件系統。因為其易于學習和使用的特點，備受工程開發人員的喜愛，正在逐漸取代傳統的計算機編程語言。隨著科技的不斷進步，現代工業生產技術和工藝過程越來越復雜，生產設備和裝置的規模不斷擴大，企業對生產自動化的需求也日益增長。在這種背景下，分布式監督控制和數據采集系統得到了廣泛應用，以滿足現代工業的要求，監控組態軟件[5]的應用也日益廣泛。

1.強大的畫面顯示組態功能

組態軟件充分發揮了Windows系統具備的強大圖形功能和美觀界面的特點，為用戶提供了可以隨意編輯的豐富繪圖工具和圖形庫，使開發人員可以擺脫繁瑣的界面設計工作，得以更專注于其他任務。組態軟件還提供了多種豐富的動畫連接方式，如隱含、閃爍、移動等，使界面更具生動性和直觀性，具有更好的用戶體驗。

2.良好的開放性

開放性是指組態軟件具備與多種通信協議互聯以及支持多種硬件設備的能力，這一特性被認為是評價組態軟件質量的重要標準之一。組態軟件能與底層的數據采集設備實現數據交換，還能實現上位機和下位機之間的雙向通信，這種雙向支持使得組態軟件在整個系統中起到了橋梁的作用，提高了系統的靈活性和可擴展性。

3.豐富的功能模塊

能夠提供豐富的控制功能庫，使原本復雜的系統更加易于操作，其中的功能模塊能夠滿足用戶的實時監控、產生報表，顯示歷史曲線、實時曲線，提供報警等功能需求。該系統適用范圍廣泛，根據不同的應用場景，既可用于單機集中式控制、DCS分布式控制，還可以作為帶有遠程通信能力的遠程測控系統。

4.強大的數據庫

配備的實時數據庫可存儲各種數據，如模擬量、離散量、字符型等，實現與外部設備的數據交換。

5.可編程的命令語言

使用戶可根據自己的需要編寫程序增強圖形界面。

6.周密的系統安全防范

對不同的操作者，賦予不同的操作權限，保證整個系統的安全、可靠運行。

7.縮短設計周期

仿真功能使系統并行設計，從而縮短開發周期。

五、結語

為了驗證修井現場視頻監控系統方案設計的合理性，根據修井作業視頻監控系統整體技術方案進行布置。在某地區的修井現場進行了硬件安裝和控制系統調試。經過實踐驗證，現場視頻監控和實時數據采集系統在準確性、穩定性以及即時性方面表現出了卓越的品質，能夠滿足老井修井現場的實時監測需求，確保遠程監測端能夠即時接收并展示現場作業狀態，為專家的遠程決策提供了強有力的支持和保障。

參考文獻

[1]王雷.基于數據中心的數字化鉆井施工模式的構建[J].中國管理信息化，2022（07）：107-109.

[2]袁銀和，姚景天，郭銳.組態軟件技術及應用的論述[J].農家參謀，2018（19）：240.

[3]錢浩東，陳思錦，宋鑫.基于復雜電磁環境下的鉆完井作業現場無線組網模式研究[J].信息系統工程，2020，（12）：135-136.

[4]陶俊亦，錢浩東，黃微，等.川渝地區井下作業專用采集器設計[J].信息技術與信息化，2022（01）：165-168.

[5]孔慶軍.監控組態軟件的功能分析及其在機艙自動化中的應用[J].船電技術，2004，（04）：33-35.

責任編輯：張津平