李小和+屈展

摘要：將云計算技術(shù)引入油氣鉆井工程領(lǐng)域，提出構(gòu)建基于云計算的油氣鉆井工程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的思想與方法。該系統(tǒng)將軟件以服務(wù)的模式交付于協(xié)同設(shè)計人員，使得他們能夠利用諸如智能手機、PDA等被稱為廋客戶端的設(shè)備，跨越地域的限制，協(xié)同工作，以最低的成本設(shè)計出最優(yōu)質(zhì)的井。該文主要就這一系統(tǒng)的總體目標、關(guān)鍵技術(shù)、架構(gòu)和體系結(jié)構(gòu)等進行了分析與闡述，展示該協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的初步研究成果。

關(guān)鍵詞：協(xié)同；鉆井設(shè)計；云計算

中圖分類號：TP202 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）34-8308-02

在石油與天然氣的勘探開發(fā)中，油氣鉆井過程是一個高難度、大風(fēng)險、投入成本極高的復(fù)雜系統(tǒng)工程。為了提高鉆井的速度和質(zhì)量，降低鉆井成本與風(fēng)險，須在開鉆前進行一系列工程優(yōu)化設(shè)計（如井身結(jié)構(gòu)、鉆柱、鉆頭、鉆井參數(shù)、鉆井液、固井、完井等），然后確定最佳設(shè)計方案。然而，油氣鉆井工程設(shè)計是一個非常復(fù)雜的過程，需要根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、地層的巖性特點和泥漿特性等，由分布在不同地域的多個單位（如開發(fā)研究院、鉆采院等）及多學(xué)科的工程技術(shù)人員和專家按照一定的規(guī)范和流程進行協(xié)同工作。因此，油氣鉆井工程設(shè)計是一個分布式協(xié)同并行工作過程，其流程具有群體性、交互性、分布性和協(xié)作性等特點。為了有效地組織多個群體及其成員高效地協(xié)同完成鉆井工程優(yōu)化設(shè)計，研究者進行了計算機支持的協(xié)同式水平井設(shè)計系統(tǒng)與協(xié)同鉆井工程設(shè)計系統(tǒng)研究[1-3]，并提出了遠程鉆井網(wǎng)上會戰(zhàn)的思想與方法，研究開發(fā)遠程鉆井網(wǎng)上會戰(zhàn)智能應(yīng)用系統(tǒng)[3]。

云計算技術(shù)是一種新興的商業(yè)計算模型，是指把大量的計算機應(yīng)用遷移到互聯(lián)網(wǎng)上，通過服務(wù)提供商的大規(guī)模服務(wù)器集群的海量存儲和處理能力，來存儲用戶數(shù)據(jù)和運行應(yīng)用程序，而用戶端只需通過瀏覽器隨時隨地訪問這些應(yīng)用服務(wù)[4-5]。該文將云計算技術(shù)引入油氣鉆井工程領(lǐng)域，研究開發(fā)基于云計算的油氣鉆井工程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，將設(shè)計平臺以服務(wù)的模式交付給用戶，使得技術(shù)人員與專家能夠通過瀏覽器隨時隨地按需訪問這些應(yīng)用，跨越地域的限制，協(xié)同工作，以最低的成本設(shè)計出最優(yōu)質(zhì)的井。

1 系統(tǒng)的總體目標與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 總體目標

云計算采用虛擬機技術(shù)將用戶的需求利用計算機網(wǎng)絡(luò)擴展到更多的計算資源，并使用冗余的資源進行容錯處理，具有超強的計算能力和低成本、高安全性、以用戶為中心等特性，在網(wǎng)絡(luò)資源共享等方面具有明顯的優(yōu)勢。

基于云計算的油氣鉆井工程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，面向油氣鉆井工程設(shè)計領(lǐng)域，通過建立云平臺上科學(xué)有效的協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、構(gòu)建云平臺上面向油氣鉆井工程設(shè)計的分布式數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)倉庫管理系統(tǒng)，并采用SaaS（軟件即服務(wù)）模式，改組協(xié)同設(shè)計所需的現(xiàn)有軟件，將其以服務(wù)的模式提供給油氣鉆井工程的設(shè)計人員與專家，從而建立起基于云計算的油氣鉆井工程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)。該協(xié)同系統(tǒng)為多方協(xié)同設(shè)計人員和專家提供了一個基于云計算的協(xié)同設(shè)計平臺，使得他們能夠借助此平臺，跨越地域的限制，協(xié)同工作，以最低的成本設(shè)計出最優(yōu)質(zhì)的井。

該系統(tǒng)的研究，為有效解決鉆井工程設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化遠程協(xié)同工作提供可靠的科學(xué)依據(jù)，對實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、安全、高效和低成本鉆井具有著重要的實際意義，為進一步深入研究云計算技術(shù)在油氣鉆井工程中的應(yīng)用奠定堅實的理論與方法基礎(chǔ)。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

研究開發(fā)基于云計算的油氣鉆井工程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個方面：

1） 虛擬化技術(shù)：利用虛擬化技術(shù)來實現(xiàn)軟件應(yīng)用與底層硬件相隔離，并可根據(jù)鉆井設(shè)計的用戶服務(wù)請求將單個資源劃分成多個虛擬資源的裂分模式，也可將多個資源整合成一個虛擬資源的聚合模式，以達到整個云下的資源優(yōu)化配置。

2） 海量數(shù)據(jù)存儲與管理技術(shù)：利用Hadoop的HDFS可擴展的分布式文件系統(tǒng)完成對云計算平臺下油氣鉆井工程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)倉庫的高速存取。

3） 編程模型：利用MapReduce框架完成云計算平臺下鉆井協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)對于分布式編程模型和高效的任務(wù)調(diào)度模型的應(yīng)用。

4） 云平臺管理技術(shù)：利用云平臺管理技術(shù)，能夠使大量的服務(wù)器協(xié)同工作，方便的進行業(yè)務(wù)部署和開通、快速發(fā)現(xiàn)和恢復(fù)系統(tǒng)故障，通過自動化、智能化的手段實現(xiàn)鉆井協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的可靠運行。

2 系統(tǒng)的架構(gòu)

構(gòu)建的基于云計算的油氣鉆井工程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，為分布在不同地區(qū)、部門、專業(yè)，而工作上相互關(guān)聯(lián)的多個技術(shù)或管理專家和鉆井工程設(shè)計人員，提供一個云平臺上的鉆井工程協(xié)同設(shè)計的支持環(huán)境和科學(xué)、便捷、有效的工作組織模式與方法，以更為直觀、便捷、無障礙的方式進行鉆井工程資源共享和協(xié)同工作，實現(xiàn)鉆井工程的優(yōu)化設(shè)計。該系統(tǒng)的基本架構(gòu)分為三個層次：應(yīng)用層、管理層和數(shù)據(jù)層，如圖1所示。

應(yīng)用層：直接為參與油氣鉆井工程協(xié)同設(shè)計的工作人員、多方專家和管理人員提供服務(wù)。通過以SaaS模式改組現(xiàn)有的鉆井工程設(shè)計軟件、與設(shè)計相關(guān)的一些其它應(yīng)用軟件、音頻軟件和視頻軟件等，將其以服務(wù)的模式提供給油氣鉆井工程協(xié)同設(shè)計人員和技術(shù)管理專家等，使相關(guān)設(shè)計人員只要具有簡單的諸如智能手機、PDA等被稱為瘦客戶的設(shè)備就可借助音頻與視頻等交流，在云平臺上進行鉆井工程協(xié)同設(shè)計。

管理層：為確保整個基于云計算的協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定地運行而進行的有效管理。云最大的優(yōu)勢在于云管理的優(yōu)越性，管理層是應(yīng)用層提供服務(wù)的基礎(chǔ)，也是系統(tǒng)的核心部分。管理層主要提供用戶管理、協(xié)作管理、服務(wù)管理和安全管理。用戶管理主要是對用戶的身份和權(quán)限等進行有效管理；協(xié)作管理主要對設(shè)計過程的協(xié)同工作進行有效管理，使得多方設(shè)計人員能夠協(xié)同工作；服務(wù)管理主要對應(yīng)用層提供的服務(wù)進行有效的管理，使得用戶按需選擇服務(wù)；安全管理主要對整個系統(tǒng)的安全進行有效的管理。

數(shù)據(jù)層：面向油氣鉆井工程設(shè)計的鉆井信息數(shù)據(jù)倉庫。油氣鉆井工程信息的龐大和作用是我們所共知的，信息管理也是協(xié)同設(shè)計能否高效順利進行的一個關(guān)鍵因素。數(shù)據(jù)層運用云存儲技術(shù)，構(gòu)建云平臺上面向油氣鉆井工程設(shè)計的分布式數(shù)據(jù)存儲的數(shù)據(jù)倉庫管理系統(tǒng)，為云平臺上的相關(guān)設(shè)計人員協(xié)同工作提供強大可靠的服務(wù)支持。endprint

3 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

我們擬采用如圖2所示的基于云計算的油氣鉆井工程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)共包括六個部分：云用戶端、服務(wù)目錄、管理系統(tǒng)、部署工具、資源監(jiān)控及服務(wù)器集群。各部分的具體功能如下：

云用戶端：提供用戶（多方協(xié)同設(shè)計人員、管理人員和多方專家等）請求服務(wù)的交互界面，也是用戶使用云服務(wù)的入口。用戶可以注冊、登錄、查詢及訂制服務(wù)，也可以配置和管理用戶。打開油氣鉆井工程設(shè)計應(yīng)用實例與本地操作桌面系統(tǒng)一樣，用戶只需通過瀏覽器就可方便地按需選擇服務(wù)，進行協(xié)同工作。

服務(wù)目錄：多方技術(shù)人員與專家協(xié)同設(shè)計時請求服務(wù)的列表，可根據(jù)各自所擁有的權(quán)限對服務(wù)項目進行查看、選擇、訂制、退訂等操作，并在用戶端以生成相應(yīng)的圖標或列表的形式展示相關(guān)服務(wù)。

管理系統(tǒng)：協(xié)同設(shè)計的工作流程與資源，如計算、存儲、數(shù)據(jù)和軟件等的管理，使多方設(shè)計人員與專家能夠根據(jù)自己需要選擇定制相應(yīng)的服務(wù)，突破地域的限制，進行協(xié)同設(shè)計。管理系統(tǒng)是整個平臺的核心部分之一。

部署工具：負責資源和應(yīng)用的調(diào)度、動態(tài)部署、配置和回收。

資源監(jiān)控：為確保系統(tǒng)高效、協(xié)調(diào)工作而進行的對資源的監(jiān)控和計量等，能夠根據(jù)資源的使用情況，完成節(jié)點同步配置、負載均衡配置和資源監(jiān)控，確保資源能順利分配給相應(yīng)的用戶。

服務(wù)器集群：主要由物理的或虛擬的服務(wù)器組成，存儲數(shù)據(jù)、調(diào)配鉆井設(shè)計相關(guān)專業(yè)軟件和應(yīng)用軟件等。在管理系統(tǒng)的管理下，響應(yīng)高并發(fā)的多方設(shè)計人員的請求，提供所需的計算、存儲、數(shù)據(jù)和軟件等資源。

4 結(jié)束語

云計算可以通過整合各種互聯(lián)資源，諸如計算、存儲、數(shù)據(jù)、軟件等，實現(xiàn)多層次的虛擬化和抽象，以可靠服務(wù)的形式將大規(guī)模的計算資源提供給用戶，進而將用戶從復(fù)雜的底層硬件邏輯、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、軟件架構(gòu)中解放出來。該文將云計算技術(shù)引入油氣鉆井工程領(lǐng)域，研究開發(fā)基于云計算的油氣鉆井工程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，為多方協(xié)同設(shè)計人員和專家提供了一個基于云計算的協(xié)同設(shè)計平臺，跨越地域的限制，協(xié)同工作，以最低的成本設(shè)計出最優(yōu)質(zhì)的井。該系統(tǒng)的研究，為進一步深入研究云計算在油氣鉆井工程中的應(yīng)用奠定了堅實的理論與方法基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] 方明，屈展.計算機支持協(xié)同式水平井設(shè)計系統(tǒng)[J].計算機工程，2004，30（6）：68-70.

[2] 王魁生，屈展，方明.遠程鉆井網(wǎng)上會戰(zhàn)智能應(yīng)用系統(tǒng)研究[J].石油學(xué)報，2001，22（2）：79-82.

[3] 方明，爨瀅.網(wǎng)絡(luò)化鉆井工程協(xié)同虛擬設(shè)計系統(tǒng)研究[J].石油學(xué)報， 2005，25（3）：90-94.

[4] 劉鵬.云計算[M].2版.北京：電子工業(yè)出版，2011.

[5] Thomas Erl， Ricardo Puttini， Zaigham Mahmood. Cloud Computing： Concepts，Technology & Architecture[M]. London： Prentice Hall，2013.endprint

3 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

我們擬采用如圖2所示的基于云計算的油氣鉆井工程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)共包括六個部分：云用戶端、服務(wù)目錄、管理系統(tǒng)、部署工具、資源監(jiān)控及服務(wù)器集群。各部分的具體功能如下：

云用戶端：提供用戶（多方協(xié)同設(shè)計人員、管理人員和多方專家等）請求服務(wù)的交互界面，也是用戶使用云服務(wù)的入口。用戶可以注冊、登錄、查詢及訂制服務(wù)，也可以配置和管理用戶。打開油氣鉆井工程設(shè)計應(yīng)用實例與本地操作桌面系統(tǒng)一樣，用戶只需通過瀏覽器就可方便地按需選擇服務(wù)，進行協(xié)同工作。

服務(wù)目錄：多方技術(shù)人員與專家協(xié)同設(shè)計時請求服務(wù)的列表，可根據(jù)各自所擁有的權(quán)限對服務(wù)項目進行查看、選擇、訂制、退訂等操作，并在用戶端以生成相應(yīng)的圖標或列表的形式展示相關(guān)服務(wù)。

管理系統(tǒng)：協(xié)同設(shè)計的工作流程與資源，如計算、存儲、數(shù)據(jù)和軟件等的管理，使多方設(shè)計人員與專家能夠根據(jù)自己需要選擇定制相應(yīng)的服務(wù)，突破地域的限制，進行協(xié)同設(shè)計。管理系統(tǒng)是整個平臺的核心部分之一。

部署工具：負責資源和應(yīng)用的調(diào)度、動態(tài)部署、配置和回收。

資源監(jiān)控：為確保系統(tǒng)高效、協(xié)調(diào)工作而進行的對資源的監(jiān)控和計量等，能夠根據(jù)資源的使用情況，完成節(jié)點同步配置、負載均衡配置和資源監(jiān)控，確保資源能順利分配給相應(yīng)的用戶。

服務(wù)器集群：主要由物理的或虛擬的服務(wù)器組成，存儲數(shù)據(jù)、調(diào)配鉆井設(shè)計相關(guān)專業(yè)軟件和應(yīng)用軟件等。在管理系統(tǒng)的管理下，響應(yīng)高并發(fā)的多方設(shè)計人員的請求，提供所需的計算、存儲、數(shù)據(jù)和軟件等資源。

4 結(jié)束語

云計算可以通過整合各種互聯(lián)資源，諸如計算、存儲、數(shù)據(jù)、軟件等，實現(xiàn)多層次的虛擬化和抽象，以可靠服務(wù)的形式將大規(guī)模的計算資源提供給用戶，進而將用戶從復(fù)雜的底層硬件邏輯、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、軟件架構(gòu)中解放出來。該文將云計算技術(shù)引入油氣鉆井工程領(lǐng)域，研究開發(fā)基于云計算的油氣鉆井工程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，為多方協(xié)同設(shè)計人員和專家提供了一個基于云計算的協(xié)同設(shè)計平臺，跨越地域的限制，協(xié)同工作，以最低的成本設(shè)計出最優(yōu)質(zhì)的井。該系統(tǒng)的研究，為進一步深入研究云計算在油氣鉆井工程中的應(yīng)用奠定了堅實的理論與方法基礎(chǔ)。

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[3] 方明，爨瀅.網(wǎng)絡(luò)化鉆井工程協(xié)同虛擬設(shè)計系統(tǒng)研究[J].石油學(xué)報， 2005，25（3）：90-94.

[4] 劉鵬.云計算[M].2版.北京：電子工業(yè)出版，2011.

[5] Thomas Erl， Ricardo Puttini， Zaigham Mahmood. Cloud Computing： Concepts，Technology & Architecture[M]. London： Prentice Hall，2013.endprint

3 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

我們擬采用如圖2所示的基于云計算的油氣鉆井工程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)共包括六個部分：云用戶端、服務(wù)目錄、管理系統(tǒng)、部署工具、資源監(jiān)控及服務(wù)器集群。各部分的具體功能如下：

云用戶端：提供用戶（多方協(xié)同設(shè)計人員、管理人員和多方專家等）請求服務(wù)的交互界面，也是用戶使用云服務(wù)的入口。用戶可以注冊、登錄、查詢及訂制服務(wù)，也可以配置和管理用戶。打開油氣鉆井工程設(shè)計應(yīng)用實例與本地操作桌面系統(tǒng)一樣，用戶只需通過瀏覽器就可方便地按需選擇服務(wù)，進行協(xié)同工作。

服務(wù)目錄：多方技術(shù)人員與專家協(xié)同設(shè)計時請求服務(wù)的列表，可根據(jù)各自所擁有的權(quán)限對服務(wù)項目進行查看、選擇、訂制、退訂等操作，并在用戶端以生成相應(yīng)的圖標或列表的形式展示相關(guān)服務(wù)。

管理系統(tǒng)：協(xié)同設(shè)計的工作流程與資源，如計算、存儲、數(shù)據(jù)和軟件等的管理，使多方設(shè)計人員與專家能夠根據(jù)自己需要選擇定制相應(yīng)的服務(wù)，突破地域的限制，進行協(xié)同設(shè)計。管理系統(tǒng)是整個平臺的核心部分之一。

部署工具：負責資源和應(yīng)用的調(diào)度、動態(tài)部署、配置和回收。

資源監(jiān)控：為確保系統(tǒng)高效、協(xié)調(diào)工作而進行的對資源的監(jiān)控和計量等，能夠根據(jù)資源的使用情況，完成節(jié)點同步配置、負載均衡配置和資源監(jiān)控，確保資源能順利分配給相應(yīng)的用戶。

服務(wù)器集群：主要由物理的或虛擬的服務(wù)器組成，存儲數(shù)據(jù)、調(diào)配鉆井設(shè)計相關(guān)專業(yè)軟件和應(yīng)用軟件等。在管理系統(tǒng)的管理下，響應(yīng)高并發(fā)的多方設(shè)計人員的請求，提供所需的計算、存儲、數(shù)據(jù)和軟件等資源。

4 結(jié)束語

云計算可以通過整合各種互聯(lián)資源，諸如計算、存儲、數(shù)據(jù)、軟件等，實現(xiàn)多層次的虛擬化和抽象，以可靠服務(wù)的形式將大規(guī)模的計算資源提供給用戶，進而將用戶從復(fù)雜的底層硬件邏輯、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、軟件架構(gòu)中解放出來。該文將云計算技術(shù)引入油氣鉆井工程領(lǐng)域，研究開發(fā)基于云計算的油氣鉆井工程協(xié)同設(shè)計系統(tǒng)，為多方協(xié)同設(shè)計人員和專家提供了一個基于云計算的協(xié)同設(shè)計平臺，跨越地域的限制，協(xié)同工作，以最低的成本設(shè)計出最優(yōu)質(zhì)的井。該系統(tǒng)的研究，為進一步深入研究云計算在油氣鉆井工程中的應(yīng)用奠定了堅實的理論與方法基礎(chǔ)。

參考文獻：

[1] 方明，屈展.計算機支持協(xié)同式水平井設(shè)計系統(tǒng)[J].計算機工程，2004，30（6）：68-70.

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[4] 劉鵬.云計算[M].2版.北京：電子工業(yè)出版，2011.

[5] Thomas Erl， Ricardo Puttini， Zaigham Mahmood. Cloud Computing： Concepts，Technology & Architecture[M]. London： Prentice Hall，2013.endprint