康　凱　大慶油田礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于油田數(shù)字化管理系統(tǒng)

康凱
大慶油田礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）融合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、無線通信技術(shù)及分布式信息處理技術(shù)，具有多學(xué)科高度交叉、技術(shù)高度集成的特點(diǎn)，它是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心和基礎(chǔ)。按照物理體系、軟件體系和通信體系綜合考慮，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為：數(shù)據(jù)采集感知層、網(wǎng)絡(luò)通訊傳輸層、系統(tǒng)集成應(yīng)用層3個(gè)層次。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所采集的各類數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行暮?，?jīng)過相應(yīng)軟件處理后存儲，并完成動(dòng)態(tài)信息自動(dòng)錄入、復(fù)雜數(shù)據(jù)的查詢、分析和挖掘功能，自動(dòng)生成數(shù)據(jù)報(bào)表?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的油田數(shù)字化管理系統(tǒng)，通過創(chuàng)新技術(shù)和管理理念，建立全油田統(tǒng)一的生產(chǎn)管理、綜合研究的數(shù)字化管理平臺，可以顯著提升生產(chǎn)工藝過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控水平。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；油田數(shù)字化；物聯(lián)網(wǎng)；節(jié)點(diǎn)

1　油田數(shù)字化管理系統(tǒng)

油田數(shù)字化管理系統(tǒng)是油田企業(yè)生產(chǎn)、科研、管理和決策的綜合基礎(chǔ)信息平臺，能夠提高企業(yè)工作效率，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

油田數(shù)字化管理系統(tǒng)在油田生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)智能化處理、快速整合，使油田信息資源得到最大限度地共享和有效利用，及時(shí)為油田決策者提供依據(jù)，促進(jìn)油田企業(yè)管理水平和運(yùn)行效率的提高。該系統(tǒng)能使油田企業(yè)業(yè)務(wù)流程規(guī)范化、信息資源共享最大化、制度管理科學(xué)化，從而促進(jìn)油田企業(yè)整體水平的提升，增強(qiáng)油田企業(yè)的競爭力。

2　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）融合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、無線通信技術(shù)及分布式信息處理技術(shù)，具有多學(xué)科高度交叉、技術(shù)高度集成的特點(diǎn)，它是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心和基礎(chǔ)。

從網(wǎng)絡(luò)功能上劃分，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通訊和管理中心三部分。從具體通訊節(jié)點(diǎn)上，又可分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)通訊節(jié)點(diǎn)。不同的節(jié)點(diǎn)通過事先定義好的協(xié)議，按照需要組成一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集后由數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)給數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)，經(jīng)優(yōu)化后通過數(shù)據(jù)通訊節(jié)點(diǎn)傳送給信息處理中心。不同節(jié)點(diǎn)之間通過相應(yīng)的規(guī)則，可以協(xié)作地進(jìn)行工作，包括實(shí)時(shí)監(jiān)測、獲取網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進(jìn)行相應(yīng)處理。

按照物理體系、軟件體系和通信體系綜合考慮，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為3個(gè)層次：

（1）數(shù)據(jù)采集感知層。通過各種傳感器裝置，現(xiàn)場實(shí)時(shí)采集壓力、液位、溫度、氣體濃度等生產(chǎn)相關(guān)參數(shù)，并且具有本地信息處理、節(jié)點(diǎn)間無線數(shù)據(jù)傳輸、與其它節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作的能力，并依據(jù)應(yīng)用需求，攜帶定位、能源補(bǔ)給或移動(dòng)等模塊。

（2）網(wǎng)絡(luò)通訊傳輸層。數(shù)據(jù)采集控制器將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送到無線管理裝置，通過GPRS、3G/4G、Wifi等方式，將數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和接收器節(jié)點(diǎn)之間采用特殊的多跳無線路由協(xié)議。協(xié)議設(shè)計(jì)及路由算法選擇時(shí)需特別考慮網(wǎng)絡(luò)的安全穩(wěn)定性能以及節(jié)點(diǎn)的能耗問題。

（3）系統(tǒng)集成應(yīng)用層。監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件把數(shù)據(jù)解析出來，按照應(yīng)用的需要顯示在屏幕上。監(jiān)控中心完成的主要功能是結(jié)合相關(guān)配套軟件，實(shí)現(xiàn)油田日常生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸、存儲、分析等一系列操作的可視化管理。設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集服務(wù)器、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備、應(yīng)用服務(wù)器等。應(yīng)用層還可實(shí)現(xiàn)將采集信息處理后，通過油田專用局域網(wǎng)發(fā)布，油田各級單位的相關(guān)人員可以在授權(quán)范圍內(nèi)獲取。

3　節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成模塊包括傳感單元、處理單元、通信單元以及電源部分。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要充分考慮到節(jié)點(diǎn)的功能，如距離、復(fù)雜度、功耗和成本等。利用節(jié)點(diǎn)的自組織和中繼等特性，根據(jù)現(xiàn)場需要，組成不同類型的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)具備可擴(kuò)展性。構(gòu)建的雙向無線通訊網(wǎng)絡(luò)，可在野外作為設(shè)備的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)出現(xiàn)設(shè)備工作不正常、需要施工作業(yè)、設(shè)備停電等情況時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點(diǎn)可以通過組建的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警，自動(dòng)識別設(shè)備故障情況，自動(dòng)短信通知指定技術(shù)人員，還可以在控制中心對設(shè)備實(shí)施遠(yuǎn)程關(guān)停和啟動(dòng)等操作。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所采集的各類數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂浦行暮?，?jīng)過相應(yīng)軟件處理后存儲，并完成動(dòng)態(tài)信息自動(dòng)錄入、復(fù)雜數(shù)據(jù)的查詢、分析和挖掘功能，自動(dòng)生成數(shù)據(jù)報(bào)表。

4　結(jié)語

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的油田數(shù)字化管理系統(tǒng)，通過創(chuàng)新技術(shù)和管理理念，建立全油田統(tǒng)一的生產(chǎn)管理、綜合研究的數(shù)字化管理平臺，可以顯著提升生產(chǎn)工藝過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控水平、提升生產(chǎn)過程管理的智能化水平，優(yōu)化生產(chǎn)流程，提升數(shù)字化油田生產(chǎn)運(yùn)行質(zhì)量，達(dá)到強(qiáng)化安全、過程監(jiān)控、節(jié)約資源、提高效益、促進(jìn)油田改革的進(jìn)一步深化，進(jìn)一步提高油田經(jīng)營管理水平的目標(biāo)。該技術(shù)在油田數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)測、分析優(yōu)化等眾多領(lǐng)域有非常廣闊的應(yīng)用前景。

（欄目主持關(guān)梅君）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.7.024

2015-03-16