易 軍,周 偉,張元濤

(重慶科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,重慶 401331)

面向智能化油田的物聯(lián)網(wǎng)特色實驗室建設(shè)

易 軍,周 偉,張元濤

(重慶科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院,重慶 401331)

針對高校的物聯(lián)網(wǎng)實驗室主要是智慧城市類實驗室,選題單一、缺乏特色的問題,以建設(shè)面向智能化油田的物聯(lián)網(wǎng)特色實驗室為例,將智慧工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的綜合性、智能性特點集中體現(xiàn)出來,為高校建立特色實驗室提供了新的思路。建設(shè)面向智能化油田的物聯(lián)網(wǎng)特色實驗室,有助于培養(yǎng)既有石油行業(yè)專業(yè)知識,又具有工程師基本素質(zhì)的應(yīng)用型專門人才和特色人才。

物聯(lián)網(wǎng);實驗室建設(shè);智能化油田;數(shù)字化油田

目前,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域未來競爭的制高點和產(chǎn)業(yè)升級的核心驅(qū)動力。以數(shù)字化油田為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在我國大慶、勝利、大港等各大油田大力推廣應(yīng)用[1-2],該技術(shù)大幅度提高了油氣采收率和產(chǎn)量,大大擴(kuò)展了石油工業(yè)的發(fā)展空間[3-5]。在建設(shè)數(shù)字化油田過程中,需要大量能夠綜合應(yīng)用信息知識的人才;而油田在從數(shù)字化向智能化發(fā)展的過程中,還有許多前沿科學(xué)問題亟待解決[6-7],迫切需要建立面向智能化油田的物聯(lián)網(wǎng)實驗室。

1 物聯(lián)網(wǎng)特色實驗室建設(shè)的困境

為了滿足物聯(lián)網(wǎng)熱潮帶來的人才需求,目前許多大學(xué)都開設(shè)了物聯(lián)網(wǎng)工程本科專業(yè)[8]。作為支撐實驗教學(xué)環(huán)節(jié)的實驗室,除了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻識別等基礎(chǔ)性實驗外,如何整合物聯(lián)網(wǎng)各種不同的技術(shù),開設(shè)綜合性較強的實驗,已成為高校在實驗室建設(shè)中面臨的共同難題[9-10]。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場合,大致可將其分為智慧城市和智慧工業(yè)兩大類。目前高校的物聯(lián)網(wǎng)特色實驗室主要是智慧城市類,如智能家居、環(huán)境監(jiān)測等方面。該類實驗室技術(shù)集成度低,并非物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的主要應(yīng)用領(lǐng)域[11-12]。高校的智慧工業(yè)類物聯(lián)網(wǎng)實驗室非常少,此類特色實驗室的嚴(yán)重缺失,影響了高校培養(yǎng)物聯(lián)網(wǎng)工程人才的質(zhì)量,限制了為地方經(jīng)濟(jì)和國家新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)服務(wù)能力的提升,束縛了高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的特色發(fā)展。因此,建設(shè)智慧工業(yè)類的物聯(lián)網(wǎng)工程特色實驗室目前顯得非常迫切和必要,已經(jīng)成為專業(yè)建設(shè)的當(dāng)務(wù)之急。

2 建設(shè)面向智能化油田的物聯(lián)網(wǎng)特色實驗室的意義

數(shù)字化油田系統(tǒng)是以系統(tǒng)集成、信息共享、分布式網(wǎng)絡(luò)、安全穩(wěn)定的數(shù)據(jù)為宗旨,以信息技術(shù)為支撐,以油田信息為數(shù)據(jù)源,以互聯(lián)網(wǎng)為傳輸媒介,以管理決策和信息共享為目標(biāo)的現(xiàn)代化油田信息管理系統(tǒng)。以數(shù)字化油田和智能化油田為智慧工業(yè)的代表,建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)特色實驗室,不但可以緊密聯(lián)系地方信息產(chǎn)業(yè),服務(wù)于石油天然氣、石化等行業(yè),還面向物聯(lián)網(wǎng)工程領(lǐng)域,培養(yǎng)具有工程師基本素質(zhì)和行業(yè)背景的高級應(yīng)用型本科人才。該類實驗室的建成,將大大拓展本專業(yè)畢業(yè)生的就業(yè)目標(biāo),為智慧城市和智慧工業(yè)培養(yǎng)應(yīng)用型物聯(lián)網(wǎng)工程師,為社會輸送物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)人才,促進(jìn)石油等工業(yè)的信息工程技術(shù),特別是物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,為地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。

3 智能化油田物聯(lián)網(wǎng)實驗室建設(shè)方案

根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo),在前期深入調(diào)研論證的基礎(chǔ)上,通過油井工況智能感知與控制綜合實驗室等4個模塊的建設(shè)(如圖1所示),形成具有特色的物聯(lián)網(wǎng)工程實驗室。

圖1 智能化油田物聯(lián)網(wǎng)工程實驗室的構(gòu)成

3.1 油井?dāng)?shù)據(jù)采集與控制綜合實驗室

油井?dāng)?shù)據(jù)采集與控制綜合實驗室通過傳感、視頻等通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù),對油氣水井、計量間、油氣站庫、儲運管道等生產(chǎn)對象進(jìn)行全面的感知,實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信息在生產(chǎn)指揮中心及生產(chǎn)控制中心的集中管理和控制。通過智能遠(yuǎn)程終端控制系統(tǒng)(remote terminal unit,RTU)進(jìn)行生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和傳送,實現(xiàn)無人值守監(jiān)控和對油氣水井、計量間、油氣庫站、儲運管道的安防監(jiān)控。

該實驗室采用先進(jìn)的集散控制系統(tǒng),綜合運用計算機(jī)技術(shù)、工業(yè)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同步通信技術(shù)等,實現(xiàn)了關(guān)鍵部位的生產(chǎn)參數(shù)自動采集與超限報警、重點區(qū)域的可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控及自動化控制,并與其他子系統(tǒng)形成安全、穩(wěn)定的信息共享平臺,實現(xiàn)生產(chǎn)全過程自動控制和信息資源的同步共享。

該實驗室承擔(dān)物聯(lián)網(wǎng)工程、計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、自動化、測控技術(shù)與儀器等專業(yè)的“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”、“單片機(jī)原理及應(yīng)用”、“嵌入式體系結(jié)構(gòu)與接口技術(shù)”、“自動化儀表與裝置”、“自動檢測技術(shù)”、“計算機(jī)測控系統(tǒng)”、“數(shù)字信號處理”、“計算機(jī)控制技術(shù)”等專業(yè)課程的實驗,是課程設(shè)計、綜合訓(xùn)練和實習(xí)的基地;承擔(dān)嵌入式、電子設(shè)計、儀器儀表類的賽課計劃、學(xué)科競賽和大學(xué)生創(chuàng)新項目,培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊意識和創(chuàng)新精神;承擔(dān)儀表維修工的培訓(xùn)與考核工作,使學(xué)生在畢業(yè)時除了獲得畢業(yè)證書之外,還能獲得行業(yè)資格證書。

3.2 井場綜合組網(wǎng)與傳輸綜合實驗室

井場綜合組網(wǎng)與傳輸綜合實驗室主要進(jìn)行光傳輸、有線、無線和衛(wèi)星通信一體化的實驗研究,適合油田的典型生產(chǎn)環(huán)境,可實時采集井場各類數(shù)據(jù),高可靠、不中斷地傳送,將物聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)管理系統(tǒng)、生產(chǎn)指揮調(diào)度系統(tǒng)、辦公系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通?？紤]到學(xué)校已有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ),實驗室將重點放在井場接入層和站場匯聚層的建設(shè)上,而各采油礦匯聚層和采油廠傳輸層,可以利用已有的網(wǎng)絡(luò)實驗室設(shè)備替代。在井場接入層建設(shè)中,除了先進(jìn)的有線網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備外,考慮到油田所在地往往具有地理位置的特殊性,并且受到客觀條件的限制,生產(chǎn)現(xiàn)場與監(jiān)測中心之間的通信主要為井場無線傳感器接入方案。

該實驗室承擔(dān)“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”、“計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)”、“網(wǎng)絡(luò)協(xié)議”、“TCP/IP網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計”、“綜合布線”、“網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成”、“無線局域網(wǎng)”、“移動通信”課程的實驗和網(wǎng)絡(luò)方向綜合實訓(xùn),以及畢業(yè)設(shè)計、賽課計劃和創(chuàng)新實驗等環(huán)節(jié)的教學(xué)任務(wù)。

3.3 油井生產(chǎn)信息管理與處理實驗室

油井生產(chǎn)信息管理與處理實驗室采用高效、安全的B/S四層架構(gòu)體系,將信息管理系統(tǒng)模塊化,建立生產(chǎn)監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)分析、設(shè)備管理、遠(yuǎn)程控制、告警服務(wù)、GIS監(jiān)控與服務(wù)等模塊,實現(xiàn)油田生產(chǎn)管理自動化和智能化。

實驗室按照數(shù)據(jù)存儲層、業(yè)務(wù)引擎層、業(yè)務(wù)邏輯層、表現(xiàn)層四層架構(gòu)模式進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。系統(tǒng)采用基于SOA(service-oriented architecture)的架構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計,以服務(wù)的形式完成與外部系統(tǒng)相關(guān)業(yè)務(wù)功能的集成,包括對已有代碼進(jìn)行重用來快速部署新功能,提高對業(yè)務(wù)需求的反應(yīng)速度,降低開發(fā)和維護(hù)成本。在核心網(wǎng)絡(luò)機(jī)房建立數(shù)據(jù)中心,采用云計算技術(shù),建立云存儲數(shù)據(jù)中心,提高系統(tǒng)的訪問性能和系統(tǒng)的安全性,并在網(wǎng)絡(luò)中部署相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集服務(wù)、后臺運算處理服務(wù)、報表開發(fā)應(yīng)用等。

該實驗室承擔(dān)“云計算與物聯(lián)網(wǎng)”、“面向?qū)ο笤O(shè)計方法”、“數(shù)據(jù)庫原理與應(yīng)用”、“NET高級編程”、“計算方法”、“MATLAB程序設(shè)計”等課程的實驗教學(xué),同時將承擔(dān)相關(guān)科研任務(wù),為原油的開采與生產(chǎn)過程提供統(tǒng)一的模型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),并通過SCADA系統(tǒng)可靠地實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集存儲與上報和生產(chǎn)流程的自動控制。數(shù)據(jù)采集主要使用設(shè)施模型和流體數(shù)據(jù)模型,形成流量報告模型,用于日常生產(chǎn)數(shù)據(jù)的上報、歷史數(shù)據(jù)的查詢以及生產(chǎn)流程的監(jiān)控與優(yōu)化,實現(xiàn)設(shè)備運行預(yù)測、產(chǎn)量預(yù)測分析與預(yù)警。

3.4 油田生產(chǎn)業(yè)務(wù)協(xié)同實驗室

油田作業(yè)區(qū)通常分散在野外。當(dāng)油田發(fā)生生產(chǎn)事故或受到安全威脅時,需要基于無線集群的應(yīng)急指揮調(diào)度中心作出快速的應(yīng)急響應(yīng),還需要提供應(yīng)急指揮車和單兵系統(tǒng),使應(yīng)急救援適應(yīng)油田野外惡劣的環(huán)境;當(dāng)遭遇無線和有線通信故障的時候,要能夠通過衛(wèi)星通信來保證指揮調(diào)度正常進(jìn)行;在很多情況下,還需要實現(xiàn)超遠(yuǎn)距離無線通信覆蓋以滿足油田通信需求。

油田生產(chǎn)業(yè)務(wù)協(xié)同實驗室建成后將實現(xiàn)即時通信、生產(chǎn)調(diào)度、應(yīng)急指揮、人員車輛定位、視頻監(jiān)控、視頻會議的一體化,使突發(fā)事件可控可管、多方聯(lián)動協(xié)作,保證生產(chǎn)運行。

油田生產(chǎn)業(yè)務(wù)協(xié)同實驗室將承擔(dān)“TCP/IP網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計”、“無線局域網(wǎng)”、“移動通信”、“物聯(lián)網(wǎng)安全”、“數(shù)字圖像處理”、“RFID技術(shù)”等課程的實驗教學(xué)以及課程設(shè)計、綜合訓(xùn)練和賽課計劃、學(xué)科競賽、大學(xué)生創(chuàng)新項目等。

4 結(jié)束語

由于人才培養(yǎng)與社會實際需求脫節(jié),造成很多本科生畢業(yè)之后還需要接受相當(dāng)長時間的崗位培訓(xùn),增加了企業(yè)負(fù)擔(dān)。智能化油田物聯(lián)網(wǎng)特色實驗室有利于促進(jìn)專業(yè)建設(shè)、教材建設(shè)和實踐教學(xué)平臺的建設(shè),有利于深化實踐教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法的改革。通過特色實驗室的建設(shè),學(xué)生將在實驗室對石油行業(yè)先進(jìn)的數(shù)字化及智能化的油田系統(tǒng)、裝備進(jìn)行模擬和實戰(zhàn),通過系統(tǒng)的專業(yè)化培養(yǎng)和訓(xùn)練,成為既有石油行業(yè)背景知識,又有工程師基本素質(zhì)的應(yīng)用型專門人才。

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Construction for features laboratory of Internet of things oriented intelligent oilfield

Yi Jun,Zhou Wei,Zhang Yuantao
(College of Electronic&Information Engineering,Chongqing University of Science and Technology,Chongqing 401331,China)

In many colleges and universities,many laboratories of Internet of things are constructing.These laboratories about the smart city have no features and lack of connotation.Taking the digital oilfield as an example of this smart industry,this paper centralizes to reflect integrated and intelligent features.The digital oilfield provides a guideline to establish a specialty laboratory for colleges and universities.To construct specialty laboratories oriented intelligent oilfield can help university provide talents who have not only industrial background knowledge of the oil industry,but also engineering ability of Internet of things.

Internet of things;laboratory construction;intelligent oilfield;digital oilfield

G642

B

1002-4956(2014)5-0249-03

2013-09-06

重慶市高等教育教學(xué)改革研究重點項目(132018);重慶科技學(xué)院本科教育教改項目(201206)

易軍(1973—),男,重慶,博士,副教授,研究方向為智能控制.

E-mail:laoyifrcq＠163.com