油气生产物联网管理子系统的设计与实现

引 言

物联网（Internet of Things）起源于传媒领域，是信息科学技术产业的第三次革命，是通过传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网相连接进行信息交换与通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控与管理的一种网络 [1]。物联网是互联网的延伸，互联网的终端是计算机（PC、服务器），通过计算机运行程序进行数据处理，通过网络进行数据传输，除计算机外，不涉及其他任何终端（硬件）。而物联网的本质还是互联网，但终端不仅是计算机（PC、服务器），还有通过传感设备连接的其他物体，如环境监控设备、虚拟现实设备、油气采集设备等。因此，可通俗地认为， 物联网就是把物体通过传感设备连入互联网的网络，其目的是实现物与物、物与人、所有物体与网络的连接，方便识别、管理与监控。

目前，国际先进石油公司已基本实现生产数据的自动采集与处理，并在此基础上发展形成了生产自动监控、生产自动预警以及生产智能决策的物联网管理系统。国内领先的油气田公司也进行了成功的探索与试点，通过油井的生产自动监控减少运行维护成本，提高油气田生产决策的及时性和准确性 [2]，已经证实了油气生产物联网的技术成熟性与经济可行性，成为石油石化行业发展的新趋势。建成并应用的部分油气生产物联网系统在软件平台、开发环境、系统组态方式上都有很大差异，还未形成统一的系统。中国石油“十二五” 信息技术总体规划中， 将物联网系统建设作为集团公司2012 年三大标志性工程之一，提出了建设规范、统一的油气生产物联网系统，为公司生产经营平稳较快增长提供有力支撑，从而能够节约油气生产的建设投资，提高劳动生产率。油气生产物联网系统包括数据采集与监控、数据传输、生产管理 [3] 三个子系统，本文仅介绍生产管理子系统。

1 系统功能设计

根据油气生产物联网管理子系统的需求分析，系统需要满足油气生产监控、日常报表生成、生产管理、设备管理、数据管理、系统管理等，在此基础上，子系统功能设计了系统主页、生产过程监测、生产分析、功图分析、报表管理、物联设备管理、视频监测、数据管理、系统管理 9 个模块。

油气生产物联网管理子系统的功能设计 [4] 如图 1 所示。

图 1 子系统功能模块设计

系统主页 ：主要展示总井数、监测井数、开井数、告警井数、预警井数、累计产油量 / 气量、日 / 月产油量 / 气量、产油量趋势、产气量趋势、产水量趋势、产液量趋势、收藏夹、物联设备数据、油气水井告警预警等。

生产过程监测 ：汇总各组织层级（油气田分公司、采油采气厂、作业区）下所有生产单元的生产监测信息 ；针对具体的生产单元，综合展示单井、站库、管线的实时生产数据、告警 / 预警信息、单井产量趋势、生产时率、参数变化趋势、视频图像等 ；提供快速跳转至相应生产单元的报表、物联设备管理及视频监测模块等页面链接。

生产分析 ：分析所在组织层级的生产情况，以支持各级生产人员分析决策。其中，组织层级包括油气田分公司、采油采气厂、作业区与站库（班组）；分析产量趋势、供注入量波动趋势、生产时率、产量对比分析、多井对比分析等。生产分析模块主要包括油田级生产分析页、厂级生产分析页、作业区级生产分析页、站库级生产分析页。其中油田级生产分析页包括产量趋势分析与生产时率分析 ；厂级生产分析页包括产量趋势分析、生产时率分析及供注入量波动分析 ；作业区级生产分析页包括产量趋势分析、生产时率分析、供注入量波动分析及多井对比分析 ；站库级生产分析页包括产量趋势分析、生产时率分析、供注入量波动分析及多井对比分析，实现单井多项运行参数对比分析，通过分析参数之间的关系，发现异常生产情况。

功图分析 ：进行产量趋势分析、供注入量分析、生产时率分析、产量对比分析、多井对比分析、功图对比分析 ；分析所在组织层级的生产情况，以支持各级生产人员分析决策。

物联设备管理 ：维护物联设备的档案台账，实现物联设备状态监测、档案管理、故障统计分析 ；分析设备的故障分布情况，提供物联设备运行状态拓扑图监测 ；提供物联设备预警 / 告警提示功能。

报表管理 ：通过报表模块查看生产单元的生产数据报表、设备故障报表、系统运行报表以及定制化报表。

视频监测 ：集中展示生产单元的视频图片，生产单元的告警、预警信息，根据用户需求实时记录井场视频。

数据管理 ：提供生产日数据管理，包括单井日数据录入与审核功能 ；提供基础数据管理、数据标签管理功能 ；提供数据接口管理功能，展示与其他统建系统及油田自建系统的数据交互情况，并且能够添加生产单元。

系统管理 ：实现用户权限管理、采集参数配置、生产监测配置、物联网设备配置以及日志的查询与运维管理等功能 ； 系统管理主要供系统管理人员使用。

油气生产物联网生产管理子系统的用户使用浏览器通过用户名、密码及验证码登录系统，登录进入系统的用户根据自身权限进行操作，系统操作均有相应的提示信息出现，方便用户使用。

2 系统数据架构及数据处理

油气生产物联网生产管理子系统的数据根据监测与控制对象自底向上分为 ：井场（井）、中型站场、大型站场、作业区、采（气）油厂、其他应用系统的数据。根据中国石油各层级的不同需求，总体数据架构根据组织层级、部署模式， 自底向上分为数据源、数据汇集层、数据缓冲层、油田公司数据存储层、总部数据存储层。通过数据管理平台实现数据权限管理、元数据管理，并为采集与控制系统、生产管理系统、生产管理系统（总部综合应用）提供数据服务。总体数据架构如图 2 所示。

数据模型设计分为主题域、概念模型（数据对象）、逻辑模型、物理模型四个层次，通过层层细化，可更清晰地理解中国石油拥有的数据。

数据主题域涵盖支撑中国石油油气生产物联网业务领域的统一数据分类，它将同类或关联关系较为紧密的数据对象进行划分，从而形成数据集合 ；概念模型细化各主题域中数据对象（实体），通过数据对象及其关系描述中国石油企业运营及管理过程中涉及的主要业务概念与相关规则，规范化 数据对象的定义 ；逻辑模型用于有力地指导物理模型的实施 ； 通过逻辑模型的指导建立系统物理数据模型。

油气生产物联网管理子系统数据处理流程如图 3 所示。在不同生产管理层级间进行内部数据处理时，将数据处理分为七个处理环节 ：与现有 SCADA 系统集成、采集设备到组态软件和数据汇集层功图关系数据库、组态软件到数据缓冲层实时 / 历史数据库、数据缓冲层实时 / 历史数据库到油气田公司数据存储层实时 / 历史数据库、油气田公司数据存储层实时 / 历史数据库到油气田公司数据存储层关系数据库、数据汇集层功图关系数据库到油气田公司数据存储层关系数据库、油气田公司数据存储层关系数据库到总部数据存储层汇总关系数据库。

3 系统实现

油气生产物联网管理子系统采用实时数据库技术、关系数据库技术、物联网三层模型架构，使用 Java 编程语言完成系统开发，实现了完整的系统日志与系统管理控制，便于控制系统运行，监视系统状态，进行有效的故障处理，降低后期运维成本。

系统采用用户名与密码方式登录，登录后显示系统主页如图 4 所示，各功能模块相互连接、相互组合，用户使用时一目了然，非常方便。

图 4 系统主页

4 结 语

物联网技术是科技发展的一项新成果，在油气生产领域使用物联网技术有助于提升生产效率、降低运营成本、优化组织结构、优化管理流程。在实际应用中，应不断完善系统功能，加强与油田现场的合作，建立完善的油气生产物联网系统运维管理制度，及时对油田运维管理人员进行培训，提升运维管理人员的计算机信息管理能力，使油气生产物联网管理子系统发挥更大的作用。