張彪，杜景濤，許海銀

（1.青島中油巖土工程有限公司；2.中石油管道聯(lián)合有限公司西部蘭州輸氣分公司）

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字油田三維管線智能巡檢系統(tǒng)

張彪1，杜景濤2，許海銀2

（1.青島中油巖土工程有限公司；2.中石油管道聯(lián)合有限公司西部蘭州輸氣分公司）

在分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究發(fā)展現(xiàn)狀和傳統(tǒng)油田數(shù)字化管線管理差異的基礎(chǔ)上，提出采用數(shù)據(jù)中心思想及ESB服務(wù)總線的開(kāi)發(fā)模式，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立數(shù)字油田三維管線智能管理系統(tǒng)的技術(shù)路線與構(gòu)建流程;最終闡明了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油田三維管線巡檢管理系統(tǒng)上的應(yīng)用價(jià)值和發(fā)展趨勢(shì)。

三維管線；ESB；數(shù)據(jù)中心；巡檢管理

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用及油田信息化管理概念的提出，油田三維管線智能管理系統(tǒng)的構(gòu)建變得十分重要。傳統(tǒng)的管理方法采用圖紙資料結(jié)合人工處理方式，巡檢日志主要以紙筆記錄為主，調(diào)度管理主要靠移動(dòng)通訊傳達(dá)，工作流程十分繁瑣，效率低下，不能適應(yīng)現(xiàn)代化辦公的需要。隨著油田信息化建設(shè)速度加快，圖紙資料難以得到及時(shí)更新，工作及人員調(diào)度亦不能夠及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，為管理帶來(lái)諸多不便。

因此，建立一個(gè)功能完備，操作簡(jiǎn)便的三維管線智能管理系統(tǒng)成為迫切的需求。針對(duì)目前油田管網(wǎng)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，本文提出利用物聯(lián)網(wǎng)中的RFID技術(shù)、GPS技術(shù)和大區(qū)域WiFi技術(shù)，建立三維

管線智能管理系統(tǒng)。通過(guò)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)各種管線相關(guān)資料的科學(xué)有效管理和查詢，以及人員有效調(diào)度等功能；實(shí)現(xiàn)三維管線巡檢的信息化和數(shù)字化功能。

2 技術(shù)路線

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)為載體，采取約定的協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)終端實(shí)現(xiàn)物與物的連接。物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)包括RFID、信息服務(wù)系統(tǒng)、激光掃描技術(shù)、WiFi技術(shù)、GNSS, 通過(guò)這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)各種終端設(shè)備的智能識(shí)別、定位、監(jiān)控以及管理。在油田管線監(jiān)控管理中，RFID、WiFi、GNSS等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)τ吞锕芫W(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)、監(jiān)控和跟蹤，異常情況下可以及時(shí)關(guān)閉泄漏點(diǎn)附近閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)切斷泄漏點(diǎn)從而防止燃爆事故發(fā)生，同時(shí)將燃?xì)庑孤┣闆r第一時(shí)間向控制中心報(bào)警提示，通知搶險(xiǎn)人員對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行及時(shí)搶修，防止事故擴(kuò)大。

2.2 數(shù)據(jù)中心技術(shù)

數(shù)據(jù)中心技術(shù)主要承擔(dān)了三維管線所有數(shù)據(jù)資源的配置、管理與維護(hù)，通過(guò)元數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類與定制，不僅可以解決多源、異構(gòu)、異質(zhì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理問(wèn)題，而且可以充分利用各種信息資源，實(shí)現(xiàn)其可持續(xù)利用，減少浪費(fèi)。倉(cāng)庫(kù)式管理，無(wú)需格式轉(zhuǎn)換就可以直接管理各種來(lái)源的系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，如基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、運(yùn)營(yíng)管理數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不僅包括基礎(chǔ)地形圖、遙感影像、三維模型等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，而且包括綜合管廊、地下管線、基礎(chǔ)設(shè)施等數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是指在三維管線管理過(guò)程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)信息。運(yùn)營(yíng)管理數(shù)據(jù)包括環(huán)境監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控、有線通信、無(wú)線通信、人員定位、應(yīng)急資源等多種數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括壓力計(jì)、流量計(jì)等傳感監(jiān)測(cè)設(shè)備獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2.3 ESB總線

ESB服務(wù)總線是數(shù)字油田的分布式業(yè)務(wù)系統(tǒng)的連接與通信中樞，支持分布系統(tǒng)的集成與整合，實(shí)現(xiàn)多源綜合管線數(shù)據(jù)信息的集成以及對(duì)外分發(fā)與共享。

以三維管線智能管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心為基礎(chǔ)，ESB服務(wù)總線可提供符合W3C標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)接口，如地理信息服務(wù)、管線業(yè)務(wù)信息服務(wù)、服務(wù)管理、運(yùn)維管理等，為建設(shè)不同的管理子系統(tǒng)提供豐富的服務(wù)資源和實(shí)現(xiàn)手段，如SCADA系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、可視化巡檢系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)等。ESB服務(wù)總線不僅使數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)得到更好的利用，而且為搭建各種管線業(yè)務(wù)管理軟件系統(tǒng)提供了通信層基礎(chǔ)（見(jiàn)圖1）。

圖1 ESB服務(wù)總線定位

圖2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架原理

ESB服務(wù)總線是搭建統(tǒng)一信息管理平臺(tái)的服務(wù)管理中心，可提供數(shù)據(jù)服務(wù)、功能服務(wù)、服務(wù)管理、運(yùn)維管理等功能，各種服務(wù)能夠通過(guò)ESB服務(wù)總線進(jìn)行注冊(cè)和管理，服務(wù)可集中托管，也可分布式部署，各管線業(yè)務(wù)管理軟件系統(tǒng)可通過(guò)ESB服務(wù)總線調(diào)用其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)。

3 統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)通訊管理

考慮到數(shù)字油田內(nèi)部的人員定位、巡檢管理、無(wú)線對(duì)講等系統(tǒng)的技術(shù)及數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩鄻有?，為避免多重、多種網(wǎng)絡(luò)對(duì)系統(tǒng)實(shí)施、維護(hù)、應(yīng)用帶來(lái)的不便，在人員定位、巡檢管理、無(wú)線對(duì)講系統(tǒng)的技術(shù)和設(shè)備的選擇上，采用統(tǒng)一基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)。

1）人員定位：定位基站集成WiFi通訊模塊，定位基站統(tǒng)一將數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)中心。

2）巡檢管理：巡檢手持PDA支持WiFi連接，與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行通訊。

3）無(wú)線對(duì)講：無(wú)線對(duì)講系統(tǒng)采用WiFi無(wú)線對(duì)講機(jī)，對(duì)講終端可通過(guò)WiFi連接實(shí)現(xiàn)對(duì)講終端與對(duì)講終端、對(duì)講終端與控制中心的通訊。

4）人員定位、巡檢管理、無(wú)線對(duì)講均通過(guò)WiFi進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)三網(wǎng)合一。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架原理如圖2所示。

4 系統(tǒng)應(yīng)用管理

4.1 無(wú)線對(duì)講

以WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋為基礎(chǔ)建設(shè)的無(wú)線對(duì)講系統(tǒng)，外勤作業(yè)人員通過(guò)手持無(wú)線對(duì)講終端，可實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員之間、作業(yè)人員與控制中心人員之間的及時(shí)、便捷的語(yǔ)音通訊。

4.1.1 系統(tǒng)部署

在機(jī)房部署廣播對(duì)講主機(jī)，作為對(duì)講系統(tǒng)的核心服務(wù)器，廣播對(duì)講主機(jī)通過(guò)網(wǎng)線接入局域網(wǎng)內(nèi)。在機(jī)房部署語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)，語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)通過(guò)網(wǎng)線接入局域網(wǎng)。

在指揮中心部署雙手柄調(diào)度臺(tái)，并在調(diào)度臺(tái)上運(yùn)行廣播對(duì)講管理軟件，調(diào)度臺(tái)通過(guò)網(wǎng)線接入局域網(wǎng)，向主機(jī)注冊(cè)，指揮中心可通過(guò)調(diào)度臺(tái)對(duì)終端進(jìn)行單呼、群呼和組呼等操作。巡檢外勤工作人員可配備終端手機(jī)，通過(guò)覆蓋的WiFi接入局域網(wǎng)中，向主機(jī)注冊(cè)，注冊(cè)后可接受系統(tǒng)的調(diào)度管理，實(shí)現(xiàn)呼叫功能。

4.1.2 主要功能

無(wú)線對(duì)講系統(tǒng)提供豐富的對(duì)廣播終端進(jìn)行管理功能。主要實(shí)現(xiàn)終端IP部署、廣播預(yù)設(shè)、終端狀態(tài)監(jiān)管、電話廣播、全雙工對(duì)講、權(quán)限控制等功能。確保作業(yè)

人員與控制人員之間實(shí)時(shí)通訊。

4.2 人員定位

作為GNSS的補(bǔ)充，解決室內(nèi)巡檢人員定位的問(wèn)題，采用先進(jìn)的UWB無(wú)線通訊技術(shù)，通過(guò)在油田站室內(nèi)部署定位基站，為巡檢人員佩戴定位標(biāo)簽的方式，對(duì)巡檢人員進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，定位信息通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢人員的實(shí)時(shí)、可視化管理。

4.2.1 系統(tǒng)部屬

定位基站部署在站室內(nèi)，每個(gè)基站間隔200m，考慮到防火墻會(huì)對(duì)無(wú)線脈沖造成衰減，導(dǎo)致定位精度降低，在防火墻處應(yīng)適當(dāng)多部署1臺(tái)定位微基站。定位基站實(shí)時(shí)測(cè)算與定位標(biāo)簽的距離，并通過(guò)WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，后臺(tái)服務(wù)解算引擎對(duì)距離信息進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，從而獲得人員的實(shí)時(shí)位置信息。

4.2.2 主要功能

基于對(duì)定位基站和定位標(biāo)簽的管理，結(jié)合油田對(duì)人員定位的業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)提供符合巡檢場(chǎng)景的多種應(yīng)用功能。

1）基礎(chǔ)信息管理

提供對(duì)定位基站信息的配置功能，能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)部署情況對(duì)定位基站進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，從而滿足不同的定位和數(shù)據(jù)傳輸需求?？筛鶕?jù)定位標(biāo)簽ID新建定位標(biāo)簽，同時(shí)，系統(tǒng)提供對(duì)標(biāo)簽再編輯、刪除的管理功能。只有在系統(tǒng)中進(jìn)行注冊(cè)的標(biāo)簽，才能對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別和位置信息的接收。

2）人員實(shí)時(shí)定位

能夠?qū)崟r(shí)查看巡檢人員在站室內(nèi)的位置，并在電子地圖上進(jìn)行可視化展示。

3）歷史軌跡查詢

支持對(duì)站室內(nèi)工作人員任意指定時(shí)間段的軌跡進(jìn)行查詢。

4）人員遇險(xiǎn)報(bào)警

遇到危險(xiǎn)情況時(shí)，人員可以通過(guò)標(biāo)簽SOS報(bào)警，后臺(tái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)報(bào)警信息，并及時(shí)精確定位遇險(xiǎn)位置。

5）災(zāi)后救援

當(dāng)站室內(nèi)發(fā)生火災(zāi)、氣體泄漏等事故，并導(dǎo)致與巡查工作人員失聯(lián)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)失聯(lián)人員的運(yùn)行軌跡和最后停留時(shí)間，分析失聯(lián)人員可能存在的位置，指導(dǎo)救援工作，提高救援效率。

4.3 巡檢管理

結(jié)合GNSS、無(wú)線對(duì)講、人員定位系統(tǒng)，巡檢人員通過(guò)手持PDA實(shí)現(xiàn)巡檢管理，在站室內(nèi)通過(guò)掃碼功能將手持PDA與定位標(biāo)簽進(jìn)行綁定，通過(guò)實(shí)時(shí)匹配定位標(biāo)簽的位置信息實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢人員的位置定位和軌跡管理，從而達(dá)到對(duì)巡檢人員監(jiān)督，保障巡檢質(zhì)量的目的。巡檢管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢人員、計(jì)劃、事件、績(jī)效的精細(xì)化管理，提高巡檢工作的管理水平。

巡檢管理系統(tǒng)包括平臺(tái)管理端和巡檢人員手持應(yīng)用端兩部分，通過(guò)平臺(tái)和手持端的聯(lián)合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)油田管線巡檢的精細(xì)化管理。

4.3.1 巡檢服務(wù)端管理

1）巡檢員監(jiān)控

通過(guò)人員定位系統(tǒng)中的人員位置信息，可實(shí)現(xiàn)在二維GIS地圖上對(duì)巡檢人員位置、某段時(shí)間的巡檢軌跡、是否偏離巡檢任務(wù)、路線等情況監(jiān)控，同時(shí)具有巡檢人員巡線回放功能，有效地監(jiān)督巡檢人員工作。

2）巡檢計(jì)劃制定

系統(tǒng)按照指定規(guī)則和法定節(jié)假日自動(dòng)生成每天的巡檢任務(wù)，巡檢任務(wù)類型包括按路線巡檢任務(wù)、區(qū)域巡檢任務(wù)、重要設(shè)備巡檢任務(wù)等。明確了巡檢任務(wù)類型、任務(wù)內(nèi)容、開(kāi)始及完成時(shí)間等信息，并提供動(dòng)態(tài)調(diào)整工具，保證巡檢過(guò)程的完整性，保證巡檢計(jì)劃的執(zhí)行力度及內(nèi)容的準(zhǔn)確性。

3）巡檢上報(bào)事件查看

可以實(shí)時(shí)查看巡檢事件的動(dòng)態(tài)，巡檢事件的完成情況，巡檢事件中可查看巡檢人員、巡檢時(shí)間、巡線長(zhǎng)度、以及發(fā)現(xiàn)的故障或隱患信息的描述。

4）指揮調(diào)度

能實(shí)時(shí)接收手持終端的上報(bào)事件，并查看隨事件上報(bào)的圖片、空間位置等輔助快速定位。監(jiān)控人員可通過(guò)直接點(diǎn)擊電子地圖上的巡檢人員，或通過(guò)無(wú)線對(duì)講、發(fā)短信的方式給巡檢人員發(fā)送任務(wù)通知，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員的指揮調(diào)度。同時(shí)能夠按照事件的不同，把事件轉(zhuǎn)發(fā)給不同的部門(mén)進(jìn)行處理。

5）自動(dòng)生成巡檢日志

能夠記錄巡檢人員上報(bào)的事件以及事件處理的整個(gè)情況，自動(dòng)生成工作日志。

6）工作評(píng)價(jià)

可以對(duì)某個(gè)或者全體巡檢人員進(jìn)行任意時(shí)間段內(nèi)的工作統(tǒng)計(jì)，可以明確了解巡檢人員上報(bào)的事件個(gè)數(shù)，了解到維修養(yǎng)護(hù)人員維修養(yǎng)護(hù)管網(wǎng)路徑的長(zhǎng)短、累計(jì)下班和掉線時(shí)間等，為工作評(píng)價(jià)提供可靠準(zhǔn)確的依據(jù)。

4.3.2 巡檢終端

1）任務(wù)管理

手持智能終端設(shè)備可連接后臺(tái)服務(wù)器，進(jìn)行巡檢任務(wù)實(shí)時(shí)更新，下載最新的巡檢任務(wù)，并實(shí)時(shí)提醒。下載后的巡檢任務(wù)將以列表及圖形兩種形式進(jìn)行展現(xiàn)，輔助巡檢工作人員了解巡檢任務(wù)詳細(xì)信息。

2）掃碼識(shí)別

可對(duì)重要區(qū)域和重要設(shè)備的電子標(biāo)簽/二維碼進(jìn)行掃碼識(shí)別，通過(guò)與數(shù)據(jù)中心進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)匹配，巡檢人員可查詢當(dāng)前區(qū)域/設(shè)備的正常狀態(tài)特征信息及檢查注意事項(xiàng)，輔助巡檢人員能夠正確對(duì)重要區(qū)域/設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷。

3）事件上報(bào)

當(dāng)巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備故障或隱患信息時(shí)，能夠通過(guò)防爆手機(jī)進(jìn)行故障或隱患信息的快速上報(bào)，支持文字描述、故障/隱患類型選擇、圖片拍照多種信息描述方式。系統(tǒng)根據(jù)人員定位信息，自動(dòng)匹配上報(bào)事件的人員、地點(diǎn)和時(shí)間等信息。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字油田三維管線智能巡檢管理系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)巡檢方式的不足。通過(guò)RFID標(biāo)識(shí)、對(duì)講系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)與巡檢系統(tǒng)的結(jié)合，監(jiān)控指揮調(diào)度中心的工作人員能夠在第一時(shí)間了解巡檢人員的位置情況、管線的運(yùn)行狀態(tài)及健康狀況，在第一時(shí)間通過(guò)對(duì)講系統(tǒng)通知維搶人員進(jìn)行搶修，解決了巡檢人員室內(nèi)不能定位，以及手機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)弱不能及時(shí)傳輸巡檢信息及新員工對(duì)管線信息不熟悉導(dǎo)致巡檢不到位的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)巡檢、智能化管理。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，基于傳感器、RFID、無(wú)線對(duì)講、無(wú)線與Wif i通訊，根據(jù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人員、管線的智能化管理。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字油田建設(shè)是目前油田數(shù)字化構(gòu)建的新趨勢(shì)，該項(xiàng)技術(shù)將通訊技術(shù)、定位技術(shù)及GIS技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合，適合于各種油田管線及相關(guān)設(shè)施信息化管理需求，可提高數(shù)字油田的自動(dòng)化和信息化水平，在管線巡檢及數(shù)字油田構(gòu)建等應(yīng)用業(yè)務(wù)方面能夠?qū)崿F(xiàn)一定的提升作用。

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Intelligent Patrol Inspection System of Digital Oilf i eld Based on IOT Technology

ZHANG Biao1, DU Jing-tao2, XU Hai-yin2

（1.Qingdao China Petrol Geotechnical Engineering Co.,Ltd.; 2.Lanzhou Gas Transmission Company, PetroChina Pipeline Joint Co., Ltd.）

Based on the analysis of the status quo of the research and development of the Internet of Things technology and the management of the traditional oilf i eld digital pipeline, this paper puts forward the development of the data center and the development mode of the ESB service bus, and uses the Internet of Things technology to establish the technology of the three-dimensional pipeline intelligent management system Route and build process. Finally, the application value and development trend of the Internet of Things technology in the three -dimensional pipeline inspection and management system of oilf i eld are expounded.

three-dimensional pipeline; ESB; data center; inspection management