卓吉高，潘 嘉，張長浩

（1.中國石化華東油氣分公司，江蘇南京 210036；2.中石化重慶頁巖氣有限公司，重慶 408400；3.泰州油恒油氣工程服務(wù)有限公司，江蘇泰州 225399）

ZigBee 通信協(xié)議是以IEEE802.15.4 標準為應(yīng)用基礎(chǔ)的低功耗型局域網(wǎng)協(xié)議文件，與傳統(tǒng)IEEE 協(xié)議相比，ZigBee 通信協(xié)議能夠同時處理物理層與MAC層中的數(shù)據(jù)信息傳輸指令，一方面擴展了原有網(wǎng)關(guān)的文件聯(lián)盟形式，另一方面也對網(wǎng)絡(luò)層API 節(jié)點進行了標準化處理[1]。從功能性角度來看，ZigBee 協(xié)議具有速率低、傳輸距離短的連接優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于近距離無線網(wǎng)絡(luò)傳輸環(huán)境中，由于各級協(xié)議標準文件的存在，同一ZigBee 通信協(xié)議的實現(xiàn)，往往需要數(shù)千個微小傳感器元件的共同配合[2]。

隨著天然氣勘探開發(fā)項目的不斷擴大、石油天然氣鉆采要求的不斷提高、現(xiàn)場生產(chǎn)技術(shù)要求的不斷更新，油氣井施工過程中的突發(fā)性要素量也在逐漸增多[3]。在此情況下，為確保相鄰油氣井之間的通信穩(wěn)定性，傳統(tǒng)無線感應(yīng)型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過USB傳輸?shù)姆绞?，提升通信?shù)據(jù)之間的連通性能力，然而由于通信任務(wù)量的不斷增大，這種系統(tǒng)應(yīng)用模式已經(jīng)不能實現(xiàn)對油氣井數(shù)據(jù)傳輸行為的準確分析，無法實現(xiàn)對機械結(jié)構(gòu)應(yīng)用能力的有效保護。為避免上述情況的發(fā)生，引入ZigBee 通信協(xié)議，設(shè)計一種新型的油氣井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，借助DSP 芯片等硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)，對油氣井數(shù)據(jù)的幀緩沖區(qū)進行管理，再聯(lián)合ZigBee 協(xié)議棧的總體架構(gòu)，實現(xiàn)對采集幀文件的接收與處理。

1 油氣井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

油氣井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由采集信號放大器電路、通信濾波器、DSP 芯片三部分共同組成，具體搭建方法如下。

1.1 采集信號放大器電路

采集信號放大器電路可提供油氣井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的傳輸電子，并可在多個電阻元件的作用下，實現(xiàn)對ZigBee 通信信息的收集與處理。一級信號放大結(jié)構(gòu)位于放大器電路上部，可調(diào)整L 級電阻設(shè)備中的傳輸電流，并可將這些電量信號轉(zhuǎn)換成全新的傳輸形式[4]。二級信號放大結(jié)構(gòu)位于放大器電路下部，能夠完整承接上級設(shè)備元件輸出的通信電子量，可借助C 級與L 級電子通路，將電量通信信息反饋至下級設(shè)備結(jié)構(gòu)體之中?？偟膩碚f，采集信號放大器電路具備較強的電信號感知能力，可在ZigBee 通信協(xié)議的作用下，實現(xiàn)對油氣井數(shù)據(jù)采集信息的有效存儲。采集信號放大器電路圖如圖1 所示。

圖1 采集信號放大器電路圖

1.2 通信濾波器

通信濾波器存在油氣井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入端節(jié)點與輸出端節(jié)點之間，可按照ZigBee 通信協(xié)議重新安排數(shù)據(jù)信息參量的傳輸行為[5]，再通過L1′、L2′、L3′三個接口組織，重新對數(shù)據(jù)信息文件進行編碼。通常情況下，L1′、L2′、L3′三個輸出接口分別與L1、L2、L3 三個輸入接口保持對應(yīng)性關(guān)系，隨著采集信號放大器連接狀態(tài)的開啟，處于調(diào)度狀態(tài)的油氣井通信數(shù)據(jù)會快速進入濾波器結(jié)構(gòu)體之中[6]。由于G 級端口組織的存在，未經(jīng)完全消耗的油氣井通信數(shù)據(jù)會快速進入系統(tǒng)接地線組織之中，且隨著操作數(shù)據(jù)信息傳輸指令，通信數(shù)據(jù)文件也可得到較好處理[7]，一方面避免了通信數(shù)據(jù)傳輸堆積行為的出現(xiàn)，另一方面也可滿足濾波器設(shè)備三相傳輸需求[8]。通信濾波器結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 通信濾波器結(jié)構(gòu)圖

1.3 DSP芯片

DSP 芯片負責(zé)及時協(xié)調(diào)ZigBee 通信協(xié)議的連接能力，從而使油氣井數(shù)據(jù)的傳輸能力可在短時間內(nèi)趨于穩(wěn)定[9]。EITEMT 主板、R 組、C 組、S 組、L 組同時存在于DSP 芯片之中。其中，EITEMT 主板能夠準確接收采集系統(tǒng)中傳輸?shù)挠蜌饩ㄐ艛?shù)據(jù)信息，并可借助R 組、C 組、S 組、L 組四類元件設(shè)備，完善ZigBee通信環(huán)境[10]。隨著待采集油氣井通信數(shù)據(jù)量的增大，R 組、C 組、S 組、L 組四類元件所承擔(dān)的傳輸壓力也在不斷遞增，在此情況下，DSP 芯片會面臨高強度的數(shù)據(jù)處理需求，但由于EITEMT 主板的存在，這種指令需求的發(fā)展水平能夠得到較好控制，并最終為油氣井通信數(shù)據(jù)提供更為廣闊的采集處理空間。

2 油氣井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

在ZigBee 通信協(xié)議的支持下，按照協(xié)議棧架構(gòu)搭建、幀緩沖區(qū)管理、采集幀接收處理的操作流程，實現(xiàn)采集系統(tǒng)軟件執(zhí)行環(huán)境的搭建，結(jié)合各級硬件設(shè)備，完成基于ZigBee 通信協(xié)議油氣井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計。

2.1 ZigBee協(xié)議棧的總體架構(gòu)

ZigBee 協(xié)議棧的總體架構(gòu)按照通信任務(wù)優(yōu)先級由高到低的順序進行排列，且隨著油氣井通信數(shù)據(jù)的不斷傳輸，協(xié)議參量也會保持層層遞進的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，直至將系統(tǒng)內(nèi)暫存的油氣井通信數(shù)據(jù)完全消耗至原始存在狀態(tài)[11]。ZigBee 應(yīng)用程序位于協(xié)議棧體系的最上端，具備最弱的通信任務(wù)優(yōu)先級水平，在執(zhí)行采集指令的過程中，只能依靠其他節(jié)點對油氣井數(shù)據(jù)信息所屬類別進行分辨[12]。應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層組織中的通信任務(wù)優(yōu)先級水平依次遞增，即該結(jié)構(gòu)元件所接收到的油氣井通信數(shù)據(jù)量也在隨之增大。兩個抽象層結(jié)構(gòu)可以同時對油氣井通信數(shù)據(jù)的傳輸行為起到促進作用，屬于協(xié)議棧體系中獨立的通信傳輸結(jié)構(gòu)，ZigBee 協(xié)議?？傮w結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 ZigBee協(xié)議?？傮w架構(gòu)示意圖

2.2 油氣井數(shù)據(jù)的幀緩沖區(qū)管理

在ZigBee 協(xié)議?？傮w架構(gòu)的支持下，油氣井數(shù)據(jù)幀緩沖區(qū)管理行為等同于對數(shù)據(jù)信息傳輸量的二次加工，由于通信濾波器、DSP 芯片等多個結(jié)構(gòu)性元件的存在，油氣井通信數(shù)據(jù)可在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主機中大量存儲，且不會隨獨立采集指令的執(zhí)行而出現(xiàn)全部輸出的情況[13]。簡單來說，幀緩沖區(qū)可等同于小型的通信數(shù)據(jù)疏導(dǎo)機構(gòu)，在采集系統(tǒng)內(nèi)部，ZigBee 通信協(xié)議所具備的傳輸能力越強，系統(tǒng)主機在單位時間內(nèi)所采集到的數(shù)據(jù)信息總量也就越大[14]，而隨著這些物理信息量的不斷堆積，系統(tǒng)運行環(huán)境中極易出現(xiàn)明顯的數(shù)據(jù)擁塞行為，而在幀緩沖區(qū)管理行為的作用下，這些信息參量得到了較好地疏通，不僅能夠在一定程度上促進系統(tǒng)采集能力的增強，也可較好地保障ZigBee 通信協(xié)議的實際應(yīng)用能力。油氣井數(shù)據(jù)幀緩沖區(qū)管理流程圖如圖4 所示。

圖4 油氣井數(shù)據(jù)幀緩沖區(qū)管理流程圖

2.3 采集幀接收處理

采集幀接收處理是油氣井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計的末尾操作環(huán)節(jié)，在ZigBee 通信協(xié)議的作用下，該項執(zhí)行命令的作用結(jié)果能夠影響系統(tǒng)主機對于油氣井通信數(shù)據(jù)的實際采集效率，從而幫助各級單位體系對施工現(xiàn)場的進度狀況進行較好地判斷[15]。在不考慮其他干擾下，采集幀接收處理結(jié)果同時受到油氣井通信數(shù)據(jù)傳輸系數(shù)與通信時長兩項物理量的影響[16]。一般情況下，油氣井通信數(shù)據(jù)傳輸系數(shù)并不能單獨存在，在同一采集系統(tǒng)中，該項系數(shù)的存在結(jié)果量至少為兩個(W1、W2)。通信時長可表示為f，由于ZigBee 通信協(xié)議屬于一種單向的信息傳輸標準，因此該項物理量也不存在無限增大或縮小的可能。聯(lián)立上述物理量，可將采集幀接收處理結(jié)果表示為：

式中，χ代表間接性通信行為量，pˉ代表單位時間內(nèi)的油氣井通信數(shù)據(jù)傳輸均值。至此，完成相關(guān)軟硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)體系的搭建，在ZigBee 通信協(xié)議的作用下，實現(xiàn)油氣井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

3 系統(tǒng)測試

為驗證基于ZigBee 通信協(xié)議油氣井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用有效性，設(shè)計如下對比實驗。將待檢測油氣井置于各連接管道中部，分別將實驗組、對照組應(yīng)用主機置于中心油氣井兩端，其中，實驗組主機配置基于ZigBee 通信協(xié)議的油氣井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對照組主機配置傳統(tǒng)無線感應(yīng)型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

RPS 指標能夠反映隨著通信任務(wù)的執(zhí)行，油氣井通信數(shù)據(jù)采集指令的運行速率變化情況，大多數(shù)情況下，前者的數(shù)值水平越高，后者的運行速率就越快，RPS 指標記錄具體實驗結(jié)果如表1 所示。

表1 RPS指標記錄結(jié)果

在表1 中，實驗組RPS 指標在實驗時間達到20 min 后，呈現(xiàn)出明顯不同于前20 min 的急速上升狀態(tài)，但這種上升變化的持續(xù)時間相對較短，當實驗時間達到40 min 時，這種上升狀態(tài)得到有效控制，但總體上升變化趨勢并未改變。兩組對照組RPS 指標在前35 min 的實驗時間內(nèi)，一直保持小幅平穩(wěn)上升的變化狀態(tài)，而從第40 min 開始，則進入了快速下降階段，其極大值水平也遠不及實驗組。

QDI 指標反映了油氣井設(shè)備在通信傳輸過程中的損傷可能性，在ZigBee 通信協(xié)議應(yīng)用能力不發(fā)生改變的情況下，QDI 指標數(shù)值越大，油氣井設(shè)備在通信傳輸過程中的損傷可能性也就越大。表2 記錄了實驗組、對照組QDI 指標數(shù)值的實際變化情況。

分析表2 可知，實驗組QDI 指標在整個實驗過程中始終保持不斷下降的數(shù)值變化趨勢，但從第35 min開始，其下降幅度明顯得到有效控制。兩組對照組QDI 指標在前30 min 的實驗時間內(nèi)，一直維持連續(xù)上升的變化趨勢，而從第35 min 開始，則逐漸趨于相對穩(wěn)定的數(shù)值變化狀態(tài)。從極限值角度來看，實驗組最大值32.6%與兩組對照組最大值62.3%、58.4%相比，下降了29.7%和25.8%。

表2 QDI指標記錄結(jié)果

綜上所述，RPS 指標出現(xiàn)了明顯上升的變化趨勢，而QDI 指標卻開始不斷下降，不但能夠加快油氣井通信數(shù)據(jù)采集指令的運行速率，也可避免在通信傳輸過程中，相關(guān)設(shè)備元件出現(xiàn)非必要性損傷。

4 結(jié)束語

隨著ZigBee 通信協(xié)議的應(yīng)用，油氣井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)聯(lián)合采用信號放大器電路、通信濾波器等多個硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)，在管理油氣井數(shù)據(jù)幀緩沖區(qū)的同時，完成對采集幀的接收與處理。從實用性角度來看，RPS 指標增大與QDI 指標減小同時出現(xiàn)，能夠加快油氣井通信數(shù)據(jù)采集指令的運行速率，同時避免損傷關(guān)鍵設(shè)備元件，這在一定程度上延長了油氣井元件的實際使用壽命。

油氣井數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計還在不斷完善中，未來可以就減少油氣井數(shù)據(jù)采集時間，且保證數(shù)據(jù)采集的精度上進行更加深入的研究，為實際的油氣井數(shù)據(jù)采集工作提供借鑒。