［摘 要］文章主要探討現(xiàn)有油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)為什么和如何向智能化方向演進(jìn)的問題。根據(jù)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)、資源、安全和業(yè)務(wù)領(lǐng)域自感知、自適應(yīng)、自決策的智能化需求，文章提出一種具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于邊緣智能技術(shù)，具有分布式、平臺化和可擴展的特征。另外，文章在探討該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)元功能和基礎(chǔ)自治功能集的同時，提出基于實踐的部署建議。

［關(guān)鍵詞］油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)；油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)；智能化；自治能力

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2024.22.036

［中圖分類號］TP311；TE319 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］A ［文章編號］1673-0194（2024）22-0-04

1" " "現(xiàn)有油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)架構(gòu)

中國石油天然氣集團(tuán)有限公司（以下稱中石油）在《油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)規(guī)范》中明確定義了油氣生產(chǎn)監(jiān)控與管理系統(tǒng)，包括采集監(jiān)控子系統(tǒng)、生產(chǎn)管理子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)（見圖1左邊部分）。其中，采集監(jiān)控子系統(tǒng)（即本文所述的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)）由三層網(wǎng)元組成，分別為廠級數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)、采集與監(jiān)控遠(yuǎn)程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）、終端節(jié)點（見圖1右邊部分）。RTU與終端節(jié)點之間通信的網(wǎng)絡(luò)為現(xiàn)場網(wǎng)，通信協(xié)議主要為Modbus RTU；RTU與SCADA之間通信的網(wǎng)絡(luò)為回傳網(wǎng)，傳輸協(xié)議主要為Modbus TCP?；貍骶W(wǎng)由于數(shù)據(jù)匯聚回傳的要求，一般為高帶寬、高可靠性的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，如光纖和無線網(wǎng)橋組成的以太網(wǎng)、運營商建設(shè)的4G專網(wǎng)及高通量衛(wèi)星通信網(wǎng)等。現(xiàn)場網(wǎng)由于復(fù)雜的地形環(huán)境，以及大量電池供電設(shè)備的使用，往往需要構(gòu)建低功耗、遠(yuǎn)距離無線傳感網(wǎng)絡(luò)，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）。WSN主流的無線傳輸技術(shù)包括ZigBee、LoRa+、Wireless HART等，組網(wǎng)包括星形、網(wǎng)狀、樹狀等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本文需要著重探討的是現(xiàn)有油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)為什么需要向智能化方向演進(jìn)，以及在現(xiàn)有系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上如何演進(jìn)。

2" " "現(xiàn)有油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)面臨的問題與挑戰(zhàn)

隨著工業(yè)應(yīng)用場景越來越豐富，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、無人化為特征的信息化浪潮正深刻改變工業(yè)生產(chǎn)格局，算力和數(shù)據(jù)已經(jīng)成為新的工業(yè)控制體系架構(gòu)下信息流轉(zhuǎn)的核心，現(xiàn)行的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)已經(jīng)難以滿足需求。如何將計算資源與物理資源緊密協(xié)同，如何采用端邊云協(xié)同實現(xiàn)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)彈性、自適應(yīng)、自主調(diào)控，是現(xiàn)有油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)面臨的重要挑戰(zhàn)。具體而言，油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)、資源、安全和業(yè)務(wù)領(lǐng)域均存在自感知、自適應(yīng)、自決策的智能化需求。以西北地區(qū)的油田為例，其油氣資源主要分布在荒漠地區(qū)，油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)面臨遠(yuǎn)離城區(qū)、井站分布極度分散或極度密集、地形復(fù)雜和環(huán)境惡劣等諸多不利因素，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

第一，油氣田遠(yuǎn)離城區(qū)，遠(yuǎn)程監(jiān)控條件下現(xiàn)場無人值守。若發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障，數(shù)據(jù)就會丟失，監(jiān)控就會出現(xiàn)盲點。因此，要求現(xiàn)場設(shè)備能預(yù)判風(fēng)險，具備自決策能力，從而進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)，在斷網(wǎng)情況下依然能保障生產(chǎn)安全。

第二，油氣井分布不均勻，稀疏時相隔數(shù)公里，密集時間距僅十多米。物聯(lián)網(wǎng)的傳輸負(fù)載不均衡，網(wǎng)絡(luò)易出現(xiàn)局部擁塞問題。因此，要求現(xiàn)場設(shè)備能自感知網(wǎng)絡(luò)負(fù)載動態(tài)變化，通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸量，有效減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

第三，西北地區(qū)地貌復(fù)雜、晝夜溫差大、沙塵暴較多等嚴(yán)重影響了現(xiàn)場無線傳輸?shù)目煽啃?。因此，要求現(xiàn)場設(shè)備能自感知環(huán)境變化對網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響，自適應(yīng)調(diào)整信道參數(shù)，保障生產(chǎn)數(shù)據(jù)的完整性。

第四，油氣生產(chǎn)廣泛使用低功耗傳感器，如溫變、壓變、位移載荷等。而延長儀表電池壽命，對降本增效有重大經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。因此，要求現(xiàn)場設(shè)備能自感知節(jié)點電量，自適應(yīng)調(diào)整數(shù)據(jù)采集和發(fā)送業(yè)務(wù)模型，有效延長電池壽命。

除了上述問題，現(xiàn)有的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)還面臨著越來越多的安全挑戰(zhàn)。除了來自網(wǎng)絡(luò)的入侵威脅，更多的攻擊可能針對采控系統(tǒng)本身，如偽裝傳感節(jié)點提供錯誤的數(shù)據(jù)，或篡改消息導(dǎo)致錯誤指令在WSN中傳播。因此，油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)需要進(jìn)一步演進(jìn)，保障內(nèi)生安全，即通過入侵檢測有效識別攻擊行為后快速進(jìn)行風(fēng)險評估、決策生成、響應(yīng)執(zhí)行，讓系統(tǒng)在有限時間內(nèi)自動恢復(fù)到正常運行狀態(tài)［1］。

另外，越來越多的油田業(yè)務(wù)需要通過邊緣智能來實現(xiàn)。比如，曹慶年等人［2］給出一種智能間抽控制的具體實現(xiàn)方案：示功圖面積的變化過程可以體現(xiàn)油井單位沖次內(nèi)產(chǎn)油速度和采油速度之間的關(guān)系，根據(jù)示功圖面積變化動態(tài)調(diào)整抽油機啟停運行狀態(tài)，甚至調(diào)節(jié)相應(yīng)沖次，在無人工干預(yù)的情況下顯著提高油氣生產(chǎn)效率。

新疆油田數(shù)據(jù)公司針對井口邊緣采集與應(yīng)用作了有效探索和總結(jié)［3］，設(shè)計了一種井口邊緣控制器設(shè)備，通過二次編程實現(xiàn)更多的智能業(yè)務(wù)。但其并沒有為整個油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)提出一個完整的智能化系統(tǒng)框架和解決方案。

3" " "具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)架構(gòu)及功能

由上述內(nèi)容可知，油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)若通過各網(wǎng)元節(jié)點協(xié)同，基于預(yù)設(shè)的策略實現(xiàn)感知、評估、決策、調(diào)整的閉環(huán)，在復(fù)雜開放環(huán)境中保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院桶踩裕ＷC油氣生產(chǎn)安全，并能在邊緣側(cè)實現(xiàn)豐富的智能業(yè)務(wù)，就可以認(rèn)為其是一種具有初步智能的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)。進(jìn)一步來看，該系統(tǒng)若具有分布式、平臺化和可擴展的特征，使預(yù)設(shè)的策略能被動態(tài)優(yōu)化、更新或擴展，并由主控節(jié)點分發(fā)到各從節(jié)點執(zhí)行，則可被認(rèn)為是一種具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)。本章將從系統(tǒng)架構(gòu)、網(wǎng)元功能和基礎(chǔ)自治功能集等方面探討具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)。

3.1" "系統(tǒng)架構(gòu)

一種具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)由采控平臺、采控網(wǎng)關(guān)和若干個采控節(jié)點組成（見圖2），網(wǎng)元分別對應(yīng)現(xiàn)有采控系統(tǒng)中的SCADA、RTU和終端節(jié)點。采控平臺和采控網(wǎng)關(guān)之間由回傳網(wǎng)通信，采控網(wǎng)關(guān)和采控節(jié)點之間由WSN通信。采控網(wǎng)關(guān)和采控節(jié)點通過采集、傳輸、分析、決策、控制等流程協(xié)同構(gòu)成本地的自治執(zhí)行系統(tǒng)，采控平臺通過數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)，實現(xiàn)自治策略生成、更新和分發(fā)。

自治策略由規(guī)則和模型組成。系統(tǒng)所需的規(guī)則由專家系統(tǒng)確定，模型由機器學(xué)習(xí)系統(tǒng)訓(xùn)練得到。采控網(wǎng)關(guān)上運行的規(guī)則和模型可以由采控平臺動態(tài)下發(fā)和更新，采控節(jié)點上運行的規(guī)則和模型由采控網(wǎng)關(guān)動態(tài)下發(fā)和更新。因此，一般要求回傳網(wǎng)為高可靠的寬帶網(wǎng)絡(luò)，WSN為高可靠、遠(yuǎn)距離、低功耗、大容量，傳輸實時性一般要求準(zhǔn)實時。

3.2" "網(wǎng)元功能

系統(tǒng)各網(wǎng)元通過構(gòu)建自治功能架構(gòu)實現(xiàn)對應(yīng)的自治功能，通過相互協(xié)同實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)整體自治功能。

采控網(wǎng)關(guān)的自治功能架構(gòu)如圖3左側(cè)所示。采控網(wǎng)關(guān)從所有采控節(jié)點中收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則和模型進(jìn)行全局分析與決策，針對特定的決策下發(fā)控制指令給采控節(jié)點，如緊急停井。在數(shù)據(jù)清洗、分析和決策過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均按業(yè)務(wù)需要上報到采控平臺和SCADA。采控節(jié)點的自治功能架構(gòu)如圖3右側(cè)所示。采控節(jié)點提取、分析本地數(shù)據(jù)并進(jìn)行決策，以此自適應(yīng)最優(yōu)控制數(shù)據(jù)采集和傳輸過程。在數(shù)據(jù)提取過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，按業(yè)務(wù)需要上報給采控網(wǎng)關(guān)。

采控網(wǎng)關(guān)和采控節(jié)點存在資源和角色的差異。采控網(wǎng)關(guān)作為部分采控節(jié)點的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點，能夠存儲和分析多井的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，利用硬件平臺的資源優(yōu)勢，實現(xiàn)更全面的智能業(yè)務(wù)。而采控節(jié)點基于單井的某一類生產(chǎn)數(shù)據(jù)，自治功能更多面向受限資源的自感知和自適應(yīng)調(diào)整，如根據(jù)電池電量的狀態(tài)調(diào)整采集的頻率，根據(jù)無線環(huán)境的變化調(diào)整信道傳輸參數(shù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁塞情況預(yù)處理數(shù)據(jù)。

3.3" "基礎(chǔ)自治功能集

油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)的自治功能一般體現(xiàn)在各網(wǎng)元的底層框架、協(xié)議和基礎(chǔ)組件中。典型的基礎(chǔ)自治功能集如表1所示?；A(chǔ)自治功能集的擴展通過兩種途徑實現(xiàn)：一是網(wǎng)元加載運行新的業(yè)務(wù)腳本，二是網(wǎng)元擴展新的規(guī)則和模型。

4" " "具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)部署建議

具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)是對現(xiàn)有油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)智能化的一次完整升級，涉及終端節(jié)點與RTU的功能改造，以及采控平臺與SCADA之間融合或獨立的問題。為保護(hù)已有投資，針對現(xiàn)有系統(tǒng)宜采用增量部署逐步替代的方法，具體建議如下。①針對產(chǎn)能建設(shè)或新區(qū)塊建設(shè)，直接部署一套具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)。②針對正在運行的系統(tǒng)，用新的采控網(wǎng)關(guān)逐步替換舊的RTU，實現(xiàn)主控節(jié)點的升級。新的采控網(wǎng)關(guān)北向?qū)釉璖CADA，南向?qū)釉K端節(jié)點，以保證現(xiàn)有功能不受影響。新的采控網(wǎng)關(guān)通過擴展WSN，接入新的采控節(jié)點。同時，增設(shè)采控平臺，實現(xiàn)部分自治功能閉環(huán)。新的采控節(jié)點逐步替換舊的傳感設(shè)備，最終實現(xiàn)全網(wǎng)升級。③采控平臺根據(jù)需要，可以和SCADA融合或保持相對獨立。

楊磊等人［4］給出了具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)的一種實現(xiàn)和應(yīng)用案例。該案例在新疆油田采油二廠的部署和運營中取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，為油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)的智能化演進(jìn)提供了寶貴的經(jīng)驗［5］。

5" " "結(jié)束語

具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)是分布式、平臺型和可擴展的智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，具有技術(shù)上的先進(jìn)性，能滿足網(wǎng)絡(luò)、資源、安全和業(yè)務(wù)等領(lǐng)域自感知、自適應(yīng)、自決策的智能化需求。另外，系統(tǒng)架構(gòu)符合信息和通信技術(shù)（Information Communication Technology，ICT）、運營技術(shù)（Operational Technology，OT）融合和工業(yè)邊緣智能的演進(jìn)方向，具有理論上的先進(jìn)性和良好的通用性，可以應(yīng)用于多個物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測領(lǐng)域，如環(huán)境監(jiān)測、光伏能源監(jiān)測、橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測等。未來，隨著新疆油田案例的推廣和應(yīng)用，具有自治能力的油氣生產(chǎn)采控系統(tǒng)可推動油氣生產(chǎn)企業(yè)真正實現(xiàn)智能化生產(chǎn)、智能化決策和智能化運維，從而提高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

主要參考文獻(xiàn)

［1］ZHOU Chunjie，HU Bowen，SHI Yang，et al.A unified architectural approach for cyberattack-resilient industrial control systems［J］.Proceedings of the IEEE，2021（4）：517-541.

［2］曹慶年，張杰，孟開元.基于示功圖的抽油機智能間抽系統(tǒng)研究［J］.遼寧化工，2021（3）：340-342，345.

［3］李兵元，丁煜暉，殷潔，等.智能油氣田中的井口邊緣采集與應(yīng)用探索［J］.信息系統(tǒng)工程，2022（7）：88-91.

［4］楊磊，楊凱，伊力哈木，等.一種油氣井智能化采控系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用［J］.信息系統(tǒng)工程，2024（3）：28-31.

［5］張范文.水下油氣生產(chǎn)系統(tǒng)三維可視化交互系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.青島：青島科技大學(xué)，2023.