蔣能記* 韓力 張亞順 謝光華 王濤

（新疆油田公司陸梁油田作業(yè)區(qū)）

基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的油氣處理診斷預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔣能記* 韓力 張亞順 謝光華 王濤

（新疆油田公司陸梁油田作業(yè)區(qū)）

針對(duì)油田生產(chǎn)油氣處理環(huán)節(jié)，利用處理站DCS監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，結(jié)合油氣處理經(jīng)驗(yàn)與理論建立專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，建立油氣處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析診斷預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，以交互式預(yù)警方式展示，對(duì)參數(shù)、設(shè)備和流程進(jìn)行不同層次和不同方式的分析與報(bào)警，應(yīng)用推理方法和統(tǒng)計(jì)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)預(yù)警以及對(duì)油氣處理生產(chǎn)過(guò)程的全方位掌控。應(yīng)用證明，該系統(tǒng)對(duì)油田油氣處理站安全，油氣處理經(jīng)驗(yàn)共享，油氣處理工藝參數(shù)優(yōu)化，發(fā)揮了重要作用。提高了事故預(yù)防、處理的響應(yīng)速度，取得了較好的應(yīng)用效果。

油氣處理；知識(shí)庫(kù)；實(shí)時(shí)處理；預(yù)警系統(tǒng)；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

近年來(lái)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)及系統(tǒng)建設(shè)在石化、電力、鋼鐵等領(lǐng)域得到了快速發(fā)展，成為信息化建設(shè)的主要內(nèi)容之一［1～4］。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的獲取，為管理人員的生產(chǎn)監(jiān)視和技術(shù)分析帶來(lái)了便利，隨著應(yīng)用的不斷深入，以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為依托的衍生系統(tǒng)建設(shè)逐漸成為面向生產(chǎn)過(guò)程的信息化系統(tǒng)應(yīng)用的重點(diǎn)內(nèi)容。

油氣處理是原油開(kāi)采后進(jìn)入下游加工裝置的重要處理環(huán)節(jié)。油田油氣處理站通常建立DCS（Distributed Control System）系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控油氣處理過(guò)程，人工觀察監(jiān)測(cè)參數(shù)或儀表指示，經(jīng)驗(yàn)判斷運(yùn)行健康狀況。但是，不同人對(duì)同一現(xiàn)象判斷認(rèn)識(shí)的結(jié)果不完全相同，不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常。如何借助信息化技術(shù)提高管理效率是油氣處理過(guò)程信息系統(tǒng)建設(shè)的重要內(nèi)容［5～7］。

本文以油田油氣處理工藝為對(duì)象，結(jié)合油氣處理經(jīng)驗(yàn)理論，整合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，建立實(shí)時(shí)故障預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用狀態(tài)識(shí)別和推理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜流程、多參數(shù)故障診斷預(yù)警，注重系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性以及故障知識(shí)的動(dòng)態(tài)更新特性。根據(jù)診斷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和電力行業(yè)的應(yīng)用先例［8］，在實(shí)時(shí)故障預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用基礎(chǔ)之上，本文提出了油氣處理工藝的健康診斷理念和方法。

1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是架設(shè)在控制系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)橋梁，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和發(fā)布，為上層應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)［9，10］。與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)不同，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)采集速率可以達(dá)到毫秒級(jí)，強(qiáng)調(diào)時(shí)間和事務(wù)的處理，性能差異主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和歷史數(shù)據(jù)的壓縮率。油氣處理預(yù)警實(shí)效性要求高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率高、運(yùn)算量大，因此，選用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)CART（Compress And Real Time，壓縮和實(shí)時(shí)）作為預(yù)警系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)庫(kù)。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)CART是目前國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)CART主要包括用戶(hù)管理、磁盤(pán)（文件）管理、任務(wù)（進(jìn)程）管理、數(shù)據(jù)輸入輸出、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)壓縮解壓功能模塊。CART能夠接收主動(dòng)提供的數(shù)據(jù)，而不必等到下一個(gè)采集周期，高度實(shí)時(shí)地反映現(xiàn)場(chǎng)變化。在安全性方面，CART采用專(zhuān)門(mén)的嵌入式設(shè)備和采集程序（All Link），隔離Windows網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，杜絕病毒和非法攻擊；在實(shí)用性方面，CART配備了ERP數(shù)據(jù)接口、ODBC驅(qū)動(dòng)等外部數(shù)據(jù)授權(quán)訪問(wèn)模塊，以及其他實(shí)用工具（Real Kits），便于用戶(hù)獲取和分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)；在WEB數(shù)據(jù)發(fā)布和展示方面，引入用戶(hù)個(gè)性化定制和模糊查詢(xún)機(jī)制，改善用戶(hù)體驗(yàn)和提高系統(tǒng)維護(hù)效率。

圖1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)CART系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

油氣處理實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用B/S架構(gòu)，WEB展示，系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)圖2。系統(tǒng)以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)CART為核心，通過(guò)OPC（OLE for Process Control，用于過(guò)程控制的OLE——Object Linking and Embedding對(duì)象連接與嵌入）接口采集處理站DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)。油氣管理經(jīng)驗(yàn)理論結(jié)合建立的專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)（規(guī)則），與生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)（事實(shí)）共同組成預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用基于產(chǎn)生式系統(tǒng)的正向推理診斷引擎和統(tǒng)計(jì)分析功能，由專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)庫(kù)記錄預(yù)警結(jié)果。

圖2 油氣處理實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)功能架構(gòu)

油氣處理過(guò)程預(yù)警，覆蓋處理站原油、注水、鍋爐加熱等系統(tǒng)流程，從參數(shù)、設(shè)備、系統(tǒng)（處理單元）3個(gè)層面監(jiān)測(cè)判斷，若有異常，系統(tǒng)自動(dòng)給出相應(yīng)的建議處理信息。根據(jù)生產(chǎn)需要，參數(shù)可獨(dú)立診斷，設(shè)備所屬的參數(shù)聯(lián)合判斷形成設(shè)備診斷，如鍋爐的軟化水液位和燃料氣流量等參數(shù)均在合理范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，認(rèn)為鍋爐運(yùn)行正常；參數(shù)、設(shè)備綜合判斷形成較復(fù)雜的系統(tǒng)診斷，如凈化油罐，滿(mǎn)足一個(gè)進(jìn)油、一個(gè)付油，其他靜置時(shí)，則認(rèn)為凈化油罐區(qū)的操作正常。

按照處理對(duì)象涉及的數(shù)據(jù)點(diǎn)及邏輯關(guān)系不同，預(yù)警方式分為3種：第一種是單參數(shù)預(yù)警，即對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行直接判斷，特點(diǎn)是計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，覆蓋范圍廣，觸發(fā)頻率高；第二種是關(guān)鍵設(shè)備預(yù)警，即對(duì)關(guān)鍵設(shè)備，匯總該設(shè)備的多項(xiàng)參數(shù)，形成綜合警示畫(huà)面，特點(diǎn)是針對(duì)性強(qiáng)，觸發(fā)頻率適中；第三種是關(guān)鍵流程預(yù)警，即對(duì)原油系統(tǒng)等關(guān)鍵流程進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)跟蹤，根據(jù)多個(gè)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果和相互之間的邏輯關(guān)系生成警示信息，特點(diǎn)是計(jì)算過(guò)程復(fù)雜。

有效地減免誤報(bào)和避免漏報(bào)是預(yù)警系統(tǒng)是否實(shí)用的重要標(biāo)志之一。油氣處理實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、知識(shí)庫(kù)關(guān)聯(lián)等方面進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，用以提高預(yù)警結(jié)果的準(zhǔn)確率。

數(shù)據(jù)采集：計(jì)算數(shù)據(jù)鏈路可信度作為數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的參考依據(jù)，減少誤報(bào)；提高采樣頻率，捕獲瞬間異常數(shù)據(jù)，減少漏報(bào)。

數(shù)據(jù)處理：判斷流程和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否平穩(wěn)，識(shí)別儀表異常，減少誤報(bào)；結(jié)合狀態(tài)識(shí)別，剔除異常噪點(diǎn)，減少誤報(bào)。

知識(shí)庫(kù)關(guān)聯(lián)：通過(guò)正向推理，獲得事實(shí)對(duì)應(yīng)的規(guī)則；通過(guò)修正、添加等方式，即時(shí)更新知識(shí)庫(kù)，提高報(bào)警事件解析的準(zhǔn)確性；定期匯總報(bào)警信息，修正補(bǔ)充知識(shí)庫(kù)，提高報(bào)警準(zhǔn)確性。

2.1 診斷方法選擇

目前，診斷領(lǐng)域的人工智能方法主要集中在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專(zhuān)家系統(tǒng)兩大分支［11，12］。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性模式分類(lèi)性能和很強(qiáng)的自組織、自學(xué)習(xí)能力，其缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)權(quán)重解釋困難，推理過(guò)程無(wú)法控制和干預(yù)，面臨油氣處理工程實(shí)踐中故障樣本量不大的問(wèn)題，應(yīng)用有一定困難。

基于知識(shí)庫(kù)的專(zhuān)家系統(tǒng)具有表達(dá)直觀、形式統(tǒng)一、模塊性強(qiáng)、推理機(jī)制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)知識(shí)庫(kù)的容量很大時(shí)，難以對(duì)知識(shí)的一致性、冗余性、矛盾性和完備性進(jìn)行檢驗(yàn)、維護(hù)和管理，知識(shí)的獲取比較困難，自學(xué)習(xí)能力比較缺乏等。

油氣處理實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)選擇建立故障知識(shí)庫(kù)，采用正向推理［13］完成知識(shí)匹配，見(jiàn)圖3。為了提高實(shí)用性，油氣處理實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)改進(jìn)了傳統(tǒng)的正向推理，通過(guò)在事實(shí)和規(guī)則之間建立盡可能多的映射關(guān)系，提高沖突解決的效率。當(dāng)知識(shí)庫(kù)中沒(méi)有規(guī)則或規(guī)則不明確時(shí)，允許用戶(hù)執(zhí)行人工干預(yù)（學(xué)習(xí)功能），增加知識(shí)獲取途徑，提高系統(tǒng)自學(xué)習(xí)能力和實(shí)際使用價(jià)值。

圖3 油氣處理實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)推理過(guò)程示意

2.2 預(yù)警信息WEB展示

油氣處理實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)CART的WEB瀏覽進(jìn)行功能定制和系統(tǒng)升級(jí)，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面。

一是，采用單一和組合的統(tǒng)計(jì)方式展示預(yù)警結(jié)果。對(duì)單一事件，任意時(shí)間跨度內(nèi)，通過(guò)顏色翻轉(zhuǎn)表示參數(shù)發(fā)生事故的統(tǒng)計(jì)分布，直觀了解參數(shù)發(fā)生事故的頻率和分布；對(duì)多事件，生產(chǎn)區(qū)按管理需要?jiǎng)澐謪^(qū)域，每個(gè)區(qū)域單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生事故的數(shù)量與顏色關(guān)聯(lián)，如紅色表示事故高發(fā)，綠色表示狀態(tài)良好，可直觀了解各區(qū)域的事故狀況。

二是，加強(qiáng)信息查詢(xún)、匯總和更新功能，如按周、旬、月等方式，輸出事故匯總報(bào)告，全面掌握事故發(fā)生情況，更新和補(bǔ)充知識(shí)庫(kù)；WEB瀏覽系統(tǒng)向用戶(hù)提供頁(yè)面文字信息和位號(hào)信息的檢索功能，幫助用戶(hù)實(shí)現(xiàn)模糊檢索和快速定位。

三是，對(duì)系統(tǒng)的管理模式進(jìn)行革新，將部分管理功能通過(guò)WEB提供給最終用戶(hù)，實(shí)行個(gè)性化定制，最終用戶(hù)可以按自己的需要繪制流程圖畫(huà)面，部署預(yù)警位號(hào)和關(guān)聯(lián)事故信息，組織數(shù)據(jù)查看方式。

上述功能和用戶(hù)體驗(yàn)設(shè)計(jì)，增加WEB展示系統(tǒng)的親和度，使油氣處理實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)易于使用和維護(hù)。

2.3 典型預(yù)警過(guò)程分析

以某油氣處理系統(tǒng)凈化油罐液位為例（見(jiàn)圖4），預(yù)警過(guò)程在凈化油罐液位上同時(shí)加載越限（閾值）報(bào)警、變化趨勢(shì)報(bào)警和偏差報(bào)警三重算法。

圖4 凈化油罐液位預(yù)警示意

凈化油罐允許最高液位為10m，運(yùn)行期間低液位一般為1.5m（越限報(bào)警），平均進(jìn)油液位上升速度為0.2～0.4m/h（變化趨勢(shì)報(bào)警、越限報(bào)警），空罐進(jìn)滿(mǎn)約需25h。實(shí)際運(yùn)行中，進(jìn)油液位上升速度若在0.2m/h和0.4m/h之間頻繁波動(dòng)（偏差報(bào)警），分析可能由來(lái)液管路和輸液泵異常造成，現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行排查處理；液位上升速度若大于0.4m/h（變化趨勢(shì)報(bào)警、越限報(bào)警），如0.6m/h，預(yù)測(cè)12.5h滿(mǎn)罐，預(yù)警，分析可能由來(lái)液量過(guò)大、沉降罐出水不暢等原因造成，現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行排查處理；液位上升速度若小于0.2m/h（變化趨勢(shì)報(bào)警、越限報(bào)警），如0.1m/h，預(yù)警，分析可能由來(lái)液量過(guò)小、裝置管線破損等原因造成，現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行排查處理。

3 應(yīng)用效果分析

某油田油氣處理站，依據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和故障知識(shí)庫(kù)，建立油氣處理實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)，全方位監(jiān)控油氣處理過(guò)程。系統(tǒng)預(yù)警覆蓋了油氣處理站的原油、注水、鍋爐房、淺層氣、伴生氣、污水、儀表風(fēng)、消防、清水，共9個(gè)系統(tǒng)，各種液位、溫度、壓力/壓差、流量、累計(jì)量、設(shè)備運(yùn)行信號(hào)、可燃?xì)鈭?bào)警、硫化氫報(bào)警、電機(jī)頻率等參數(shù)，共計(jì)574個(gè)，數(shù)據(jù)采樣頻率為5s。運(yùn)行結(jié)果顯示，投用油氣處理實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)后，不同班次、不同人員在業(yè)務(wù)能力參差不齊的情況下，可達(dá)到相近的分析水平，偶發(fā)事故較同期大幅減少，事故處理的時(shí)效性大幅提高。同時(shí)，預(yù)警系統(tǒng)為仿真分析和模擬培訓(xùn)創(chuàng)造了條件，系統(tǒng)運(yùn)行取得了良好的收益。

在油氣處理診斷預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，該油田建立了油氣處理關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵流程健康診斷模塊，該功能模塊對(duì)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行加權(quán)，定期掃描生成關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵流程的綜合指標(biāo)曲線，為評(píng)估油氣處理系統(tǒng)的健康狀況提供了參考依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

建立油田油氣處理實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)，可以掌控油氣處理生產(chǎn)過(guò)程，由傳統(tǒng)的事后分析變?yōu)轭A(yù)警調(diào)節(jié)，優(yōu)化管理方法。本文研究的預(yù)警系統(tǒng)，在油田的實(shí)際生產(chǎn)管理中，取得了較好的應(yīng)用效果，提高了事故預(yù)防、處理響應(yīng)速度的同時(shí)，為企業(yè)積累了大量的事故預(yù)防、處理知識(shí)，達(dá)到了知識(shí)管理和可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

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TE866，TE978

A

1004-2970（2011）04-0049-04

蔣能記等. 基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的油氣處理診斷預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì). 石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2011，22（4）：49～51，55

* 蔣能記，男，高級(jí)工程師。2007年畢業(yè)于西南石油大學(xué)儀器儀表專(zhuān)業(yè)，獲碩士學(xué)位。現(xiàn)在新疆油田公司陸梁油田作業(yè)區(qū)從事信息自動(dòng)化技術(shù)研究工作，擔(dān)任信息站副站長(zhǎng)。地址：新疆克拉瑪依市阿山路40號(hào)，834000。E-mail：jiangnj@petrochina.com.cn

2011-03-07

郜婕