淺析油氣田工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)研究

姚鵬 馬建軍 王勁舟 楊冬

摘要：本文從當(dāng)前長慶油氣田數(shù)字化建設(shè)面臨諸多的問題，分析并提出相關(guān)解決方案，從而達到建設(shè)具有數(shù)據(jù)鏈路短、開放度高、協(xié)議標準化、管理便捷化和數(shù)據(jù)可視化的油氣田工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng);架構(gòu);協(xié)議;數(shù)據(jù)庫

1.當(dāng)前長慶油田油氣田數(shù)字化建設(shè)存在的問題

（1）油氣田SCADA系統(tǒng)分別部署，所需軟件點數(shù)多，數(shù)量多，維護升級費用較高;

（2）由于長慶油田規(guī)模大、體量大、層級多，實時數(shù)據(jù)從傳感器到各級管理人員鏈路級數(shù)多，每一級都存在點名對應(yīng)、量程對應(yīng)、流程畫面對應(yīng)的要求，隨著智能化深入應(yīng)用，對數(shù)據(jù)真實性、準確性、穩(wěn)定性提出更高要求，有必要采取新的架構(gòu)降低難度，減少維護量。

（3）由于SCADA系統(tǒng)獨立建設(shè)，數(shù)據(jù)分散存儲，網(wǎng)絡(luò)隔離等原因，大量傳感器采集的秒級實時數(shù)據(jù)只用于過程監(jiān)視、控制、報警，利用率太低，沒有用于設(shè)備資產(chǎn)管理，動設(shè)備預(yù)測性維護、指標統(tǒng)計分析、工藝系統(tǒng)優(yōu)化、趨勢預(yù)測、降低能耗、降本提質(zhì)增效等更多領(lǐng)域。

2.建設(shè)云邊端協(xié)同架構(gòu)

第一，發(fā)揮云化的數(shù)據(jù)中心作為中心大腦的作用，配合邊緣節(jié)點、終端用戶做相應(yīng)的數(shù)據(jù)管理，開發(fā)融合開放的數(shù)據(jù)管理技術(shù)。第二，建立跨云數(shù)據(jù)中心、跨邊緣節(jié)點、跨終端用戶的數(shù)據(jù)安全體系。邊緣節(jié)點和用戶終端算力是非常有限的，必須與輕量化、高效率的云端配合，才能夠?qū)崿F(xiàn)對完整體系的安全防護。第三，進行相應(yīng)的協(xié)同計算。要想把一部分AI推理做成輕量化的推理引擎，并放置在邊緣節(jié)點或終端節(jié)點，就要進行協(xié)同計算，建立跨云邊端的體系框架，形成一站式的智能平臺。

3.MQTT協(xié)議的應(yīng)用

油氣田SCADA系統(tǒng)建設(shè)主要采用Modbus協(xié)議，Modbus TCP主站通過串口服務(wù)器采集數(shù)十個Modbus RTU從站時，采集速度慢，且多主站同時采集從站出現(xiàn)不穩(wěn)定的問題。

MQTT（消息隊列遙測傳輸）是ISO 標準（ISO/IEC PRF 20922）下基于發(fā)布/訂閱范式的消息協(xié)議。它工作在 TCP/IP協(xié)議族上，是為硬件性能低下的遠程設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)狀況糟糕的情況下而設(shè)計的發(fā)布/訂閱型消息協(xié)議。

MQTT協(xié)議具有輕量，簡潔，易開發(fā)以及跨平臺性的特點，通過MQTT通訊協(xié)議可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。提供三種不同等級的服務(wù)質(zhì)量，一個字節(jié)固定消息頭，兩個字節(jié)心跳報文的報文設(shè)計模式，使得它非常適合在低帶寬，高延時的物聯(lián)網(wǎng)通信中應(yīng)用。目前，微軟Azure、谷歌云平臺等各大物聯(lián)網(wǎng)云平臺都使用MQTT協(xié)議作為消息通信協(xié)議，MQTT協(xié)議也是Facebook消息推送協(xié)議的選擇 。MQTT已成為M2M（機器與機器）物聯(lián)網(wǎng)消息傳輸中的標準協(xié)議。通過 TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)連接，將采集的數(shù)據(jù)直接上傳到云端;解決Modbus TCP主站通過串口服務(wù)器采集數(shù)十個Modbus RTU從站時，采集速度慢，多主站同時采集從站出現(xiàn)的不穩(wěn)定的問題;以往通過PLC或組態(tài)軟件采集數(shù)十個設(shè)備的數(shù)據(jù)，編程過程比較繁瑣。采用MQTT協(xié)議后，編程過程變得簡單很多，只需要在云端集中處理所采集的數(shù)據(jù)。

具體到物聯(lián)網(wǎng)場景中，則是在云平臺服務(wù)啟動后，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以發(fā)送CONNECT 控制報文請求連接服務(wù)器，并 SUBSCRIBE（訂閱）一個或多個感興趣的主題，然后其它客戶端與 MQTT 服務(wù)器建立連接后，可以向這個服務(wù)器 PUBLISH（發(fā)布）有關(guān)主題的消息報文（有效載荷），MQTT 服務(wù)器（消息代理）就會把有效載荷發(fā)送給訂閱這個主題的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這樣就通過 MQTT服務(wù)器完成了客戶端之間的消息通信，實現(xiàn)了用戶客戶端（手機）遠程控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

4.時序數(shù)據(jù)庫TDengine

所有機器、設(shè)備、傳感器、以及交易系統(tǒng)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都是時序的， 而且很多還帶有位置信息。這些數(shù)據(jù)具有明顯的特征： 數(shù)據(jù)是時序的，一定帶有時間戳;數(shù)據(jù)是結(jié)構(gòu)化的;數(shù)據(jù)極少有更新或刪除操作;無需傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的事務(wù)處理;相對互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，寫多讀少;用戶關(guān)注的是一段時間的趨勢，而不是某一特定時間點的值;數(shù)據(jù)是有保留期限的;數(shù)據(jù)的查詢分析一定是基于時間 段和地理區(qū)域的;除存儲查詢外，還往往需要各種統(tǒng)計和實時計算操作;數(shù)據(jù)量巨大，一天采集的數(shù)據(jù)就可以超過 100 億條。

傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫或 MySQL 數(shù)據(jù)庫以及流式計算引擎由于沒有充分利用這些數(shù)據(jù)的特點，性能提升極為有限，只能依靠集群技術(shù)， 投入更多的計算資源和存儲資源來處理，企業(yè)運營維護成本急劇上升。

TDengine 正是濤思數(shù)據(jù)面對這一高速增長的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)市場和技術(shù)挑戰(zhàn)推出的創(chuàng)新性的大數(shù)據(jù)處理產(chǎn)品，它不依賴任何第三方軟件，在時序空間大數(shù)據(jù)處理上，有著自己獨到的優(yōu)勢。TDengine的性能遠超InfluxDB，寫入性能約為5倍，讀取性能約為35倍。

與第三方工具無縫連接：不用一行代碼，即可與 Telegraf， Grafana， Matlab， R 集成。新版支持 MQTT， OPC， Hadoop，Spark 等， BI 工具也將無縫連接。

零運維成本、零學(xué)習(xí)成本：安裝、集群一秒搞定，無需分庫分表，實時備份。標準 SQL，支持 JDBC， RESTful， 支持 Python/Java/C/C++/Go， 與 MySQL 相似，零學(xué)習(xí)成本。

5.基于HTML5設(shè)計組態(tài)設(shè)計器

就HTML 而言，其指的是Hyper Text Markup Language 的縮寫，中文翻譯為超文本標記語言，屬于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中形成的對象描述語言?，F(xiàn)階段，網(wǎng)絡(luò)之中的網(wǎng)頁大多屬于HTML 制作的，而HTML5是指第5 次修訂版本，也是最新版本。

基于HTML5設(shè)計組態(tài)設(shè)計器，提供一種通過瀏覽器使用的（無插件）在線組態(tài)工具集，用戶通過該工具可以完成實時監(jiān)控界面的繪制，繪制完成的監(jiān)控界面支持PC、手機、平板等跨平臺使用。能夠支持麥杰實時庫、TDengine時序庫、Redis緩存、ODBC數(shù)據(jù)接口等通用數(shù)據(jù)源。

用戶無需安裝插件即可完成組態(tài)界面的設(shè)計和實時點位配置工作，生成的界面能夠適應(yīng)各種分辨率，支持PC、手機、平板等多種終端使用。用戶可以隨時預(yù)覽當(dāng)前組態(tài)效果，可支持PC、手機、平板等多平臺顯示效果。

6.結(jié)語

（1）根據(jù)平臺需求，選擇云邊端協(xié)同架構(gòu)，建設(shè)長慶油氣田互聯(lián)網(wǎng)云平臺。

（2）接入?yún)f(xié)議的選擇。對比帶寬和能源使用效率較高的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用協(xié)議。選擇 MQTT 協(xié)議作為數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。

（3）面對龐大的數(shù)據(jù)量和帶有時間戳的時序數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫查詢和寫入速度較慢，選用TDengine濤思數(shù)據(jù)解決這一問題。

（4）基于HTML5設(shè)計組態(tài)設(shè)計器，提供一種通過瀏覽器使用的（無插件）在線組態(tài)工具集，快捷方便得實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。