数字化油田方案

数字化油田解决

方案二。一五年

第一部分数字化油田解决方案——抽油机故障诊断专家系统第一章系统概述第一章系统概述需求分析油田生产的主要目标是提高原油产量。提高抽油机的工作效率，保障抽油机安全运行是提高产量的主要措施。多数油田生产企业采用人工巡检的方式来对抽油机进行维护。这种方式虽然有一定效果，但是，由于人员有限和技术手段的落后，使得企业无法及时掌握每一台抽油机的运行状况，从而不能及时对抽油机出现的故障进行排除。随着计算机技术和通信技术的快速发展，以及油田自动化发展的需要，辽河油田公司采用抽油机监控管理系统，通过抽油机现场采集终端实时传送的现场生产数据，实现数据的实时监控，及示功图的显示。但该监控系统只能实现对抽油机运行参数的监控，及示功图的显示，不能实现对抽油机运行状况的综合分析，为了更好的对抽油机的整体运行做出判断，并对所监测到的抽油机的各项运行参数进行综合分析，本方案设计了一套故障诊断专家系统进行分析。专家系统背景知识按专家系统的特性及处理问题的类型进行分类，专家系统分为10类：解释型、诊断型、预测型、设计型、规划型、控制型、监测型、维修型、教育型和调试型。本系统采用的是故障诊断专家系统。这类专家系统是根据输入的信息推出相应的对象存在的故障、找出产生故障的原因并给出排除故障的方案。由于现象与故障之间不一定存在严格的对应关系，因此在建造这类系统时，需要掌握有关对象较全面的知识，并能处理多种故障同时并存及间歇性故障等情况。专家系统特点专家系统应具备如下特征：（1）启发性，不仅能使用逻辑知识，也能能使用启发性知识，它运用规范的专门知识和直觉的评判知识进行判断、推理和联想，实现问题求解。（2）透明性，它使用户在对专家系统结构不了解的情况下，可以进行相互交往，并了解知识的内容和推理思路，系统还能回答用户的一些有关系统自身行

为的问题。(3)灵活性，专家系统的知识与推理机构的分离，使系统不断接纳新的知识，从而确保系统内知识不断增长以满足商业和研究的需要。第二章系统总体设计设计目标针对辽河油田公司抽油机监控管理系统只能实现对抽油机运行参数的监控，及示功图的显示，而不能实现对抽油机运行状况的综合分析的不足，设计一套抽油机故障诊断系统，实现对抽油机故障的诊断，并能快速有效的给出应急方案，为排除抽油机故障提供了很好的帮助。专家系统总体设计和功能说明按照专家系统的设计原则，本方案将抽油机故障诊断专家系统的基本结构分为下六个部分:人机接口，全局数据库，抽油机运行参数数据库，知识库，故障诊断模块、知识库管理模块。总体结构如图2-1所示。数据采集系统知识库抽油机运

行参数数

据库数据采集系统知识库征兆获取人机接口-N-V1用户诊断推理诊断解释矩阵库管理 .模块人机接口-N-V1用户诊断推理诊断解释矩阵库管理 .模块征兆实

事库规则库故障库图2-1专家系统结构图人机接口是工作人员操作抽油机故障诊断专家系统的人机交互界面，完成各种对专家系统的操作。全局数据库是用来记录系统的运行过程，存放各个功能模块的中间运行结果、数据或状态，同时使各种不同类型的知识能够协同工作，并为解释模块的解释工作提供依据。全局数据库由任务安排表、规划表和结果表组成。任务安排表主要记录等待执行的任务；规划表由一些记录当前状态和当前要处理数据的全程变量组成:结果表示一些记录中间结果和最终结果的全程量。抽油机运行参数数据库用来存放实时采集来的抽油机的运行数据，是故障诊断的主要数据来源，主要是抽油机的三相电压电流、载荷、位移、振动等数据。知识库包括征兆事实库，规则库和故障库。征兆事实库用于存放系统推理过程中需要的和推理过程中产生的征兆事实，征兆事实是故障诊断的基本依据。其获取过程一般是通过对抽油机参数数据库中的数据进行分析，得到特征数据，比如，振动加速度的最大最小值，电压电流的平均值，示功图面积值等。再对得到的特征数据按照一定原则进行抽象，得到征兆事实。规则库用于存储领域专家和其他知识源对抽油机的各种故障的推理规则，是知识库最重要的组成部分。故障库主要存储经诊断推理后的故障名称，以及相对应的操作建议和解决方案。故障诊断模块主要完成对抽油机的故障诊断工作，由征兆获取、诊断推理和诊断解释三个部分构成。征兆获取分为两种方式：自动获取和手动获取。自动获取是系统根据程序自动对抽油机运行参数进行分析和抽象得到征兆事实；手动获取主要由领域专家采用人机对话的方式手动选择进行补充，完成对示功图和抽油机运行环境的特征到征兆事实的抽象。诊断推理模块的工作是利用己获取的征兆实事按照推理规则进行推理得出抽油机的故障。诊断推理模块由自动诊断和手动诊断组成。自动诊断是利用当前获得的征兆事实自动完成诊断任务;手动诊断则是通过手动补充征兆或回答一些问题，结合当前征兆和自动诊断实事得出诊断结果。诊断解释单元负责在整个诊断推理过程中，对问题求解的依据和知识的应用向用户解释，以提高诊断系统的可理解性和透明性。知识库管理模块主要完成对各类知识的查询、修改、添加、删除和知识定位、知识存储等日常管理功能。GPS车辆监控管理系统方案第一章系统概述需求分析中国石油辽河油田公司下设采油、科研、集输、销售等20个厂、院和公司，地跨辽宁、内蒙两省区13个市（地）、34个县（旗）。由于作业现场区域广、区域内交通道路复杂、车辆零星分散难以集中管理，使得公司的车辆几乎处于无管理状态。GPS车辆监控管理系统是针对中国石油辽河油田公司的实际需求和石油行业的技术特点所设计。GPS车辆监控管理系统充分利用各类无线通讯平台作为通讯手段，采用C/S和B/S的综合应用体系架构，应用了TCP/IP、HTTP、WEB、ASP、网络路由等网络技术结合GPS（全球卫星定位系统）技术和GIS（地理信息系统）技术，能够很好的满足中国石油辽河油田公司对车辆管理的实际需要。本系统将GPS和GPRS/CDMA等无线通信技术相结合，使得流动在不同地方的运输车辆变得透明而且可以控制。利用GPS和GIS技术对车辆运行状态的全程信息化管理和信息处理，实时掌握车辆和驾乘人员动态，满足掌握车辆基本信息。本系统建立1个总控中心以及多个分控管理点。总控中心设立在公司总部，多个分控管理点分别根据不同需要安装在不同管理单位。分控中心完成车载终端的数据接收、数据派发、业务应用、数据处理及历史数据存储等工作，监控点可以根据实际需求经过授权可以监控所属车辆。被管理车载终端具有GPRS/CDMA通信处理功能。车辆的状态、设备情况和报警的信息均通过GPRS/CDMA网络传达给总控中心，完成系统对车辆的监控管理工作，实现中心总控。设计原则（1）先进性原则本系统是一个综合性通讯管理系统工程，集GPS技术、数据通信技术、计算机网络技术、地理信息技术等各种先进技术成一体。系统设计必须采用标准化、模块化系统集成技术，使系统具有开放性、兼容性和扩充性。系统的建设必须采用成熟的高科技技术，既反应当前科学技术发展的先进水平又具有发展潜力。尤其是建设必须采用目前最先进的系统平台及设备，首先能够满足业务需要；并能够支持和满足各种相关业务的其它应用需求。（2）可靠性原则由于车辆GPS系统使用环境的特殊性，必须保证系统工作稳定可靠。本系统的可靠性主要体现在两个方面：一是中心系统的可靠性，包括硬件系统的可靠性，操作系统、数据库、中心服务系统等软件平台的可靠性；二是移动信息终端的可靠性，主要是车载单元通信系统要能够稳定可靠的工作。（3）可扩展性原则系统必须具有良好的扩展性，当用户数量增加时，能够增加用户服务终端的数量和应用种类，能够成倍增加接入调度服务分支机构；监控范围扩大时，能够扩充支持不同的无线通信协议；移动信息终端种类增加时，能够方便地接入中心系统，保护用户投资。系统的设计应采用模块化结构，包括系统的通信接口，用户接口，服务功能及中心系统的操作管理上都应采用模块化的设计，保证了系统功能的扩展。（4）多样性原则GPS系统服务中心与无线通信系统数据中心之间的数据通信应支持多种通信方式。采用平台化设计，可以同时接入多种不同的通信系统。（5）实用性原则整个系统的操作方便、简洁、高效，多操作平台整体设计、统一操作，既充分体现快速反应的特点，又便于工作人员进行业务处理和综合管理，便于领导层、管理层及时了解各项统计信息和决策信息。（6）安全性原则对于系统的管理实行严格的权限管理，只有持有一定权限的密钥才能访问、监控、实施相应的管理、控制操作，确保系统安全可靠。物理网络安全措施包括防火墙、VPN、物理网络隔离。第二章系统总体设计系统设计目标GPRS/CDMA是目前解决无线通信信息服务的一种较完美的业务，它是以数据流量计费、覆盖范围广泛、数据传输速度更快。为行业和企业用户开展无线办公提供了基础设施平台，为推动移动办公的应用和发展创造了有利条件。与有线网络相比，GPRS/CDMA网络具有租用费用低、移动办公，不受地域制约等优点，无线网络通信为企业和行业用户开展了无线办公提供了一种新的选择。本系统采用GPRS/CDMA通讯业务、GPS卫星定位技术、GIS地理信息技术、语音采集技术、计算机网络和数据库等技术，建立一个以辽河油田公司总部为总控中心、以公司下属二级单位为分控中心、可通过互联网接入总控中心的用户终端的车辆监控管理系统；系统由控制中心系统、无线通信平台（GPRS/CDMA）、车载终端三部分组成一个全天候、全范围的驾驶员管理和车辆跟踪的综合平台；系统软件设计容量5000辆，可扩展至10000辆，入网车辆不仅可以是本公司车辆，也可以是其他外聘单位的车辆。系统采用分组管理，分控中心只能监控管辖范围内的车辆，不能越权监控其他单位车辆；系统可对车辆实施动态跟踪、监控、行车记录、管理等功能，对于监控车辆，可以在电子地图上显示出来，并保存车辆运行轨迹数据；保证系统安全的前提下采用国际通用的系统规范和传输协议，能比较容易的实现与其他系统的网络连接和数据共享以及系统扩容。系统总体结构系统总控中心网络结构拓扑图系统采用分级管理模式，软件结构构架采取C/S与B/S相结合结构，在逻辑上，系统由三部分组成，即GPS定位系统、地理信息系统（GIS）和通讯链路（GPRS/CDMA）组成；从物理组成上讲，系统也由四部分组成，即总控中心、分控中心、通讯网络和车载终端。a）总控中心总控中心是系统的核心，由通信服务器、WEB服务器、管理监控终端、数据存储设备、网络设备及显示设备等组成。对入网车辆运行情况进行实时监控，能及时将车辆发出的遇险或故障求助信息通知相关单位和人员；能为分控中心提供天气、道路等各类资讯，提供车辆的各类数据和车辆的动态信息；能通知、督促、协调各分控中心进行应急调度等，能提供Web信息查询。b）分控中心分控中心是指与总控中心相联的管理部门，提供对辖区或内部车辆的监控和信息交互、调度指挥管理等功能。c）无线通信传输网络公众通信网：用中国移动GPRS或中国联通CDMA的数据传输网络，组建VPN专网，搭建系统总控中心和车载终端的交互通道，并提供辅助传输手段（如短信）。d）车载终端车载终端作为系统应用的平台，具备GPS卫星定位、导航、油耗控制等功能，通过无线通信系统向总控中心发送车辆位置和状态信息，接收和执行中心控制指令和资讯信息。3.1.3车载终端车载终端安装在每辆车上，由车辆的蓄电池供电。（1）车载设备组成车载设备由GPS接收机/GPS天线、GPRS通讯模块/GPRS天线、车载控制显示单元（控制单元、LCD显示器、键盘）、各类传感器、通话设备和输入/输出接口组成。车载设备组成框图示意如下:（2）车载设备功能车载设备通过GPS接收机对接收到的GPS卫星信号进行处理，得到车辆当前的位置、速度等信息，并交给车载控制单元处理；通过GSM通讯设备可和中心之间进行双向无线数据通讯并有话音移动电话功能；车载设备通过输入/输出接口可以连接很多外接设备，扩展许多功能，增强系统的功能；通话设备（可配免提）提供驾驶员通话用；车载控制显示单元是整个车载设备的智能控制中心，可以接收中心向车载发送调度文字信息，并在液晶显示器显示出来，驾驶员可以通过键盘将车载预定义的短信息发送回中心，它控制并接口车载设备中的GPS接收机、GSM通讯机、输入/输出模块、LCD液晶显示器、通话设备及其它模块，使之协调统一，协同完成系统预定功能。车载终端功能：a.具有GPS定位。民双向数据通讯。c.接收并显示中英文信息。d.数据输入。e.菜单操作。f.声音提示（超速、收到新信息）j.发送车载预定义短信息。h.车载电话全国漫游通话。i.车载故障自检、故障报警提示、故障弱化功能。g.具有数字键、确认键、向前键、向后键、显示切换键、返回键、摘机键、挂机键等键盘。k.可外接传感器、控制执行机构。3.2系统软件设计车辆监控管理系统软件结构从逻辑上分为通信层、服务层和应用层三层结构，模型结构包括基础数据层、系统应用层、用户服务层三层结构。该系统基于数据同步、数据库、信息发布和内容管理、开放式集成等技术，系统采用组件式结构，灵活方便，并有良好的通用性和可扩充性。SQLServer」数据库产其它GPS移动通信代理服务」备份数据库p协说解释器g济说解趋器加短信」GPRS/CDMA」数据借音,移动终端设备HSQLServer」数据库产其它GPS移动通信代理服务」备份数据库p协说解释器g济说解趋器加短信」GPRS/CDMA」数据借音,移动终端设备HI~~车辆行一♦||命令-II调度—息，||管理」 发布系统। 管理系统P 数字地图vIIIII索统数据总线车辆监控调度¥InternetHTTP数据库InternetGPS数据处埋服务+J数据库访问系统互件」系统软件结构图（1）通信层通信层提供车载设备与GPS中心之间的数据通信服务，车载终端与中心之间通信采用中国移动GPRS服务，并遵循系统与移动终端无线通信接口标准。（2）服务层服务层提供中心系统移动通信代理服务、数据处理服务、信息发布服务、GIS信息管理服务、数据库服务。1）移动通信代理服务移动通信代理服务内含移动通信接口服务，是中心与移动终端设备之间的通信接口，负责协议转换、数据汇集。其中每种移动终端设备对应一种协议解释器，通信接口服务可以支持多种不同类型、不同厂家的终端协议解释。2）数据处理服务数据处理服务负责与上层应用的通信接口，系统数据的分发与处理，操作命令的认证、下发、确认，数据的存储、分析，数据处理服务是本系统的核心部件。3）数据库服务数据库存储服务提供管理中心所有车辆信息、用户信息、终端设备信息、出租调度营运信息等。本系统数据库采用SQLServer。（3）应用层系统功能如下图所示。单位分组系统车辆实时信息车辆基本杳询车辆实时信息车辆基本杳询车辆杳询车辆区域杳询车辆杳询车辆区域杳询车辆详细信息车辆高级杳询车辆详细信息车辆高级杳询车辆行驶管理历史轨迹杳询越界管理速度限制大货车速度小货车速度应用层功能模块下达命令数字地图车辆报警信息其他车型速度车辆呼叫招谏上限设置危险点管理发送短信接收短信杳询短信快速回复管理系统功能框图地图放大或缩小测量车辆行驶管理历史轨迹杳询越界管理速度限制大货车速度小货车速度应用层功能模块下达命令数字地图车辆报警信息其他车型速度车辆呼叫招谏上限设置危险点管理发送短信接收短信杳询短信快速回复管理系统功能框图地图放大或缩小测量地图图层设置面积油田网络视频监控系统方案第一章系统概述需求分析辽河油田油区面积较大，油井分布较散，油区治安环境非常复杂。特别是近几年来，不法分子盗油、破坏油田生产设施事件时有发生，给国家和企业带来了巨大的损失。因此，为了及时发现和预防各种盗油事件的发生，引入先进成熟的视频技术、网络通信技术、图像处理技术，在油区建设一套技术先进、可靠性高、实用性强的油区视频监控系统，有着十分重要的意义和作用。设计原则针对油田监控系统需求的特点，在进行设计的时候，本着架构合理、安全可靠、产品主流、技术先进、低成本、低维护量的设计思路，依此为用户提供先进、安全、可靠、高效的解决方案。（1）技术的先进性：整个系统选型、软硬件设备的配置均要符合高新技术的潮流，关键的如视频数字化、远距离监控均采用国内外工程建设中被广泛采用的技术与产品。在满足功能的前提下，系统设计具有先进性，并且在今后一段时间内保持一定的先进性。（2）架构合理：采用先进成熟的技术来架构各个子系统组成稳定可靠大系统，使其能安全平稳地运行，有效地消除各子系统可能产生的瓶颈，选用合适的设备来保证各子系统具有良好的扩展性。（3）产品主流：在设备选型时，主要依据目前主流市场的实际情况结合目前市场上占有率高的各类产品中选择具有最优性能价格比和扩充能力的产品。（4）低成本、低维护量：所设计的系统和采用的产品应该是简单、实用、易操作、易维护。系统的易操作和易维护是保证非计算机专业人员使用好本系统的条件。（5）集中管理：前端现场设备，各分系统集中于中控室统一控制，实施对所有远端设备的控制、设置，以保证系统的高效、有序、可靠的发挥其管理职能。（6）开放性与标准化原则：在系统设计中，采用开放式的设计思想，保证系统与其它应用系统之间具有完善的接口。并且采用已经被广泛使用的工业标准和技术标准规范，以充分和其它应用系统无逢集成和连接。第二章系统总体设计系统目标油田监控系统建设的总体目标是：通过先进的产品和成熟的技术，满足系统建设的总体要求，为油田提供一个结构合理、高性能、高可靠性的视频图像监控综合管理服务和安全防范技术支撑平台，全面、及时、系统的掌握生产一线的重要数据和现场活动图像，为生产决策提供最有力的一手资料。具体包括：（1）通过建立厂区周界围墙区域、门岗位置区域、停车场区域以及其他重要区域的视频图像监控系统，实时了解油田重要区域的治安情况，加强重点部位的安全监管力度，为保卫工作提供有力保障和科学依据，系统要求24小时全天候不间断运行；（2）通过建立油田区域视频图像监控系统，全天候的实时传送车间的重要生产画面，及时的应对突发情况，实施了解各生产装置车间安全生产情况，为油田安全生产提供有力保障；提高生产安全性,为辅助生产提供资料；（3）通过建设一套可靠的专用视频网络传输系统。实现网络化异地视频监控管理，实现多中心多级控制管理，实现与生产部门和总部资源共享，紧急情况下实现跨区域视频监控等；（4）通过建设监控控制室，值班人员随时都可以观看监控画面，并通过对摄像机上下左右的控制，达到监控范围的要求，把前端的监控画面实时地展现给车间工作人员、调度室调度人员、保卫科监控人员，并能实现特定用户在油网能到达的办公室内对监控视频的查看；通过先进的视频存储技术，管理人员可通过录像查看15天的监控画面。设计内容本方案设计的内容主要包括以下几个方面：油田视频图像监控系统包括厂区周界围墙区域、门岗位置区域、停车场区域、罐区、装卸台、各生产装置车间等重点要害部位安装监控摄像机，组成数字化、网络化、智能化系统，实现全天候，全方位的监控，形成统一协调的动态视频指挥网络。视频监控系统设计按照整体结构我们可以划分成三个部分：图2-1系统整体结构（1）视频监控前端设计监控系统前端遍布于整个厂区，包括围墙附近、门岗区域、装卸台区域和灌区等车间重要区域。前端设计采用高清晰的监控摄像机，大范围的监控区域选择配备辅助转动设备和变焦设备，可让摄像机上下左右旋转和拉近拉远，让监控无死角；在漆黑的夜晚，通过增加辅助不可视光源的方式达到夜视效果。在防爆级别较高的灌区和油气含量较高的装置区，给摄像机增加了防爆护罩，增加了防爆系列的防爆云台和防爆辅助光源。（2）网络视频传输系统设计建设一套监控专用网络传输系统，设计了一个星型拓扑网络，车间的监控图像的传输互不干扰，任何一个车间的传输部分出现问题或中断的情况不影响其它车间和厂区的监控图像的传输。此网络分为了2部分进行传输：车间监控点的图像传输和厂区周围监控点的图像传输，传输介质采用了光纤进行传输。（3）监控中心（中控室）设计在油田设置专门的监控中心，本方案设计2个监控中心和若干分控中心：调度室监控中心、保卫科监控中心和各车间分控中心。2个监控中心都能单独运作，实现所有画面信号的接受和观看，车间的分控中心通过权限划分只能观看自己车间的监控图像，配备硬盘录像机相关视频控制设备和显示设备，实现视频数据集中管理和存储，能实时查看监控图像和近15天的监控录像，为厂区的安全管理提供依据。系统原理图

第三章系统详细设计视频监控前端设计监控点前端设备负责信号的采集，主要包括摄像机、镜头、防护罩、云台、解码器、水泥线杆、光端机等设备。这些设备将现场的图像、数据等信号进行拾取并转换为中心控制设备能够处理的信号格式外，还具有其它的增强功能，如扩大监视范围的云台、变焦镜头；保证主要前端设备能够正常工作的防护设备，如防爆护罩、防爆红外灯和防爆云台等。视频图像监控前端由若干前端监控点组成，将监控点分为两个监控区域，分别为厂区范围监控区域以及生产装置车间监控区域。厂区周边的监控范围比较大，夜间监控距离分别可达50米、300米，并且所有设备都要求在夜晚无光的条件下看清监控范围内的物体，因此采用激光夜视监控设备和红外夜视监控辅助，各个监控点根据现场需要分别配备高精密度变速云台和变焦镜头。本方案中50米的监控点采用红外夜视设备和低照度高清摄像机，300米设备采用激光夜视设备，可旋转的所有监控点摄像机可实现光圈自动调节、聚焦、变倍的多项操作功能，图像信号通过光端机处理后通过搭建起来的视频专网传至10中控室，再经过高速网络交换机连接到视频监控服务器上，进行实时监控及录像，视频图像资料实现网络实时共享。网络视频传输系统设计监控传输部分设计要求监控系统传输部分负责把前端监控点的图像信息传输到控制、显示、记录等设备上。油田的前端控制点分为两个监控区域，止匕外，监控图像还需要显示在总控中心的显示设备上。厂区范围区域的监控图像需要显示在总控中心的显示设备上。每个生产装置车间设置为车间级独立的监控系统，在各个生产装置车间配置监控主机，本车间的监控图像显示在生产装置车间的控制室内，同时，各个车间级监控中心的监控图像传输至总控中心，经过监控主机显示并通过液晶显示器扩大图像。监控系统传输部分设计原则（1）在保证前端设备与主控室之间视频、控制信号传递畅通、信号清晰的前提下，建立专用网络，能同时满足用户其他网络应用的需求。（2）传输系统保证可接入企业网和internet，通过企业网实现远距离范围内跨区域视频监控。（3）系统可与其它系统实现资源共享。监控系统传输部分设计根据传输部分的设计要求以及用户现场的实际情况，本方案采用模拟传输与数字访问相结合的方式，在调度监控中心配置一台多路数矩阵以及一台高性能交换机。厂区范围的前端监控点，统一铺设光缆，采取“就近编组”的原则，通过光端机一光纤一光端机的方式将模拟视频信号传输至调度总控中心，每路视频信号到达总控中心后，一分为二，一路连至数字硬盘录像机，数字硬盘录像机连至高性能交换机上，另一路直接连到视频矩阵。每个车间设一个分控中心，前端监控点采集的视频信号经过光端机传输到