具有自治能力的油氣生產采控系統初探

［摘 要］文章主要探討現有油氣生產采控系統為什么和如何向智能化方向演進的問題。根據油氣生產物聯網在網絡、資源、安全和業務領域自感知、自適應、自決策的智能化需求，文章提出一種具有自治能力的油氣生產采控系統。該系統基于邊緣智能技術，具有分布式、平臺化和可擴展的特征。另外，文章在探討該系統網絡架構、網元功能和基礎自治功能集的同時，提出基于實踐的部署建議。

［關鍵詞］油氣生產物聯網；油氣生產采控系統；智能化；自治能力

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2024.22.036

［中圖分類號］TP311；TE319 ［文獻標識碼］A ［文章編號］1673-0194（2024）22-0-04

1" " "現有油氣生產采控系統架構

中國石油天然氣集團有限公司（以下稱中石油）在《油氣生產物聯網系統建設規范》中明確定義了油氣生產監控與管理系統，包括采集監控子系統、生產管理子系統和數據傳輸子系統（見圖1左邊部分）。其中，采集監控子系統（即本文所述的油氣生產采控系統）由三層網元組成，分別為廠級數據采集與監控（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統、采集與監控遠程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）、終端節點（見圖1右邊部分）。RTU與終端節點之間通信的網絡為現場網，通信協議主要為Modbus RTU；RTU與SCADA之間通信的網絡為回傳網，傳輸協議主要為Modbus TCP。回傳網由于數據匯聚回傳的要求，一般為高帶寬、高可靠性的工業網絡，如光纖和無線網橋組成的以太網、運營商建設的4G專網及高通量衛星通信網等。現場網由于復雜的地形環境，以及大量電池供電設備的使用，往往需要構建低功耗、遠距離無線傳感網絡，即無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）。WSN主流的無線傳輸技術包括ZigBee、LoRa+、Wireless HART等，組網包括星形、網狀、樹狀等多種拓撲結構。

本文需要著重探討的是現有油氣生產采控系統為什么需要向智能化方向演進，以及在現有系統架構基礎上如何演進。

2" " "現有油氣生產采控系統面臨的問題與挑戰

隨著工業應用場景越來越豐富，以數字化、網絡化、智能化、無人化為特征的信息化浪潮正深刻改變工業生產格局，算力和數據已經成為新的工業控制體系架構下信息流轉的核心，現行的油氣生產采控系統已經難以滿足需求。如何將計算資源與物理資源緊密協同，如何采用端邊云協同實現控制系統的網絡彈性、自適應、自主調控，是現有油氣生產采控系統面臨的重要挑戰。具體而言，油氣生產采控系統在網絡、資源、安全和業務領域均存在自感知、自適應、自決策的智能化需求。以西北地區的油田為例，其油氣資源主要分布在荒漠地區，油氣生產物聯網建設面臨遠離城區、井站分布極度分散或極度密集、地形復雜和環境惡劣等諸多不利因素，具體體現在以下幾個方面。

第一，油氣田遠離城區，遠程監控條件下現場無人值守。若發生網絡故障，數據就會丟失，監控就會出現盲點。因此，要求現場設備能預判風險，具備自決策能力，從而進行應急響應，在斷網情況下依然能保障生產安全。

第二，油氣井分布不均勻，稀疏時相隔數公里，密集時間距僅十多米。物聯網的傳輸負載不均衡，網絡易出現局部擁塞問題。因此，要求現場設備能自感知網絡負載動態變化，通過自適應調節數據傳輸量，有效減輕網絡負載。

第三，西北地區地貌復雜、晝夜溫差大、沙塵暴較多等嚴重影響了現場無線傳輸的可靠性。因此，要求現場設備能自感知環境變化對網絡可靠性的影響，自適應調整信道參數，保障生產數據的完整性。

第四，油氣生產廣泛使用低功耗傳感器，如溫變、壓變、位移載荷等。而延長儀表電池壽命，對降本增效有重大經濟效益和社會效益。因此，要求現場設備能自感知節點電量，自適應調整數據采集和發送業務模型，有效延長電池壽命。

除了上述問題，現有的油氣生產采控系統還面臨著越來越多的安全挑戰。除了來自網絡的入侵威脅，更多的攻擊可能針對采控系統本身，如偽裝傳感節點提供錯誤的數據，或篡改消息導致錯誤指令在WSN中傳播。因此，油氣生產采控系統需要進一步演進，保障內生安全，即通過入侵檢測有效識別攻擊行為后快速進行風險評估、決策生成、響應執行，讓系統在有限時間內自動恢復到正常運行狀態［1］。

另外，越來越多的油田業務需要通過邊緣智能來實現。比如，曹慶年等人［2］給出一種智能間抽控制的具體實現方案：示功圖面積的變化過程可以體現油井單位沖次內產油速度和采油速度之間的關系，根據示功圖面積變化動態調整抽油機啟停運行狀態，甚至調節相應沖次，在無人工干預的情況下顯著提高油氣生產效率。

新疆油田數據公司針對井口邊緣采集與應用作了有效探索和總結［3］，設計了一種井口邊緣控制器設備，通過二次編程實現更多的智能業務。但其并沒有為整個油氣生產采控系統提出一個完整的智能化系統框架和解決方案。

3" " "具有自治能力的油氣生產采控系統架構及功能

由上述內容可知，油氣生產采控系統若通過各網元節點協同，基于預設的策略實現感知、評估、決策、調整的閉環，在復雜開放環境中保證數據傳輸的完整性和安全性，保證油氣生產安全，并能在邊緣側實現豐富的智能業務，就可以認為其是一種具有初步智能的油氣生產采控系統。進一步來看，該系統若具有分布式、平臺化和可擴展的特征，使預設的策略能被動態優化、更新或擴展，并由主控節點分發到各從節點執行，則可被認為是一種具有自治能力的油氣生產采控系統。本章將從系統架構、網元功能和基礎自治功能集等方面探討具有自治能力的油氣生產采控系統。

3.1" "系統架構

一種具有自治能力的油氣生產采控系統由采控平臺、采控網關和若干個采控節點組成（見圖2），網元分別對應現有采控系統中的SCADA、RTU和終端節點。采控平臺和采控網關之間由回傳網通信，采控網關和采控節點之間由WSN通信。采控網關和采控節點通過采集、傳輸、分析、決策、控制等流程協同構成本地的自治執行系統，采控平臺通過數據分析和機器學習，實現自治策略生成、更新和分發。

自治策略由規則和模型組成。系統所需的規則由專家系統確定，模型由機器學習系統訓練得到。采控網關上運行的規則和模型可以由采控平臺動態下發和更新，采控節點上運行的規則和模型由采控網關動態下發和更新。因此，一般要求回傳網為高可靠的寬帶網絡，WSN為高可靠、遠距離、低功耗、大容量，傳輸實時性一般要求準實時。

3.2" "網元功能

系統各網元通過構建自治功能架構實現對應的自治功能，通過相互協同實現物聯網整體自治功能。

采控網關的自治功能架構如圖3左側所示。采控網關從所有采控節點中收集數據并進行預處理，根據預設的規則和模型進行全局分析與決策，針對特定的決策下發控制指令給采控節點，如緊急停井。在數據清洗、分析和決策過程中產生的數據均按業務需要上報到采控平臺和SCADA。采控節點的自治功能架構如圖3右側所示。采控節點提取、分析本地數據并進行決策，以此自適應最優控制數據采集和傳輸過程。在數據提取過程中產生的數據，按業務需要上報給采控網關。

采控網關和采控節點存在資源和角色的差異。采控網關作為部分采控節點的數據匯聚節點，能夠存儲和分析多井的生產數據，利用硬件平臺的資源優勢，實現更全面的智能業務。而采控節點基于單井的某一類生產數據，自治功能更多面向受限資源的自感知和自適應調整，如根據電池電量的狀態調整采集的頻率，根據無線環境的變化調整信道傳輸參數，根據網絡擁塞情況預處理數據。

3.3" "基礎自治功能集

油氣生產采控系統的自治功能一般體現在各網元的底層框架、協議和基礎組件中。典型的基礎自治功能集如表1所示。基礎自治功能集的擴展通過兩種途徑實現：一是網元加載運行新的業務腳本，二是網元擴展新的規則和模型。

4" " "具有自治能力的油氣生產采控系統部署建議

具有自治能力的油氣生產采控系統是對現有油氣生產采控系統智能化的一次完整升級，涉及終端節點與RTU的功能改造，以及采控平臺與SCADA之間融合或獨立的問題。為保護已有投資，針對現有系統宜采用增量部署逐步替代的方法，具體建議如下。①針對產能建設或新區塊建設，直接部署一套具有自治能力的油氣生產采控系統。②針對正在運行的系統，用新的采控網關逐步替換舊的RTU，實現主控節點的升級。新的采控網關北向對接原SCADA，南向對接原終端節點，以保證現有功能不受影響。新的采控網關通過擴展WSN，接入新的采控節點。同時，增設采控平臺，實現部分自治功能閉環。新的采控節點逐步替換舊的傳感設備，最終實現全網升級。③采控平臺根據需要，可以和SCADA融合或保持相對獨立。

楊磊等人［4］給出了具有自治能力的油氣生產采控系統的一種實現和應用案例。該案例在新疆油田采油二廠的部署和運營中取得了良好的經濟效益和社會效益，為油氣生產采控系統的智能化演進提供了寶貴的經驗［5］。

5" " "結束語

具有自治能力的油氣生產采控系統是分布式、平臺型和可擴展的智能物聯網系統，具有技術上的先進性，能滿足網絡、資源、安全和業務等領域自感知、自適應、自決策的智能化需求。另外，系統架構符合信息和通信技術（Information Communication Technology，ICT）、運營技術（Operational Technology，OT）融合和工業邊緣智能的演進方向，具有理論上的先進性和良好的通用性，可以應用于多個物聯網監測領域，如環境監測、光伏能源監測、橋梁結構監測等。未來，隨著新疆油田案例的推廣和應用，具有自治能力的油氣生產采控系統可推動油氣生產企業真正實現智能化生產、智能化決策和智能化運維，從而提高經濟效益和社會效益。

主要參考文獻

［1］ZHOU Chunjie，HU Bowen，SHI Yang，et al.A unified architectural approach for cyberattack-resilient industrial control systems［J］.Proceedings of the IEEE，2021（4）：517-541.

［2］曹慶年，張杰，孟開元.基于示功圖的抽油機智能間抽系統研究［J］.遼寧化工，2021（3）：340-342，345.

［3］李兵元，丁煜暉，殷潔，等.智能油氣田中的井口邊緣采集與應用探索［J］.信息系統工程，2022（7）：88-91.

［4］楊磊，楊凱，伊力哈木，等.一種油氣井智能化采控系統的實現與應用［J］.信息系統工程，2024（3）：28-31.

［5］張范文.水下油氣生產系統三維可視化交互系統設計與實現［D］.青島：青島科技大學，2023.