基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

0 引言

隨著石油資源逐漸開采，可用油資源日益緊缺，并且隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，石油消耗量日益增大。在這樣的形勢(shì)下，對(duì)現(xiàn)有石油資源進(jìn)行科學(xué)采集、提高開采利用率顯得愈發(fā)重要。

普通采油廠一般由多口油井、計(jì)量站、管匯閥組、轉(zhuǎn)油站、聯(lián)合站、原油外輸系統(tǒng)、油罐以及油田的其他分散設(shè)施組成，整個(gè)采油廠的各種設(shè)施的工作狀態(tài)及采出油品的數(shù)據(jù)(主要有溫度、壓力、流量等)直接關(guān)系到油田生產(chǎn)的穩(wěn)定及原油質(zhì)量。

數(shù)字油田是將油田中所有的事物(盆地、地面、井中、油藏)全部抽象為邏輯數(shù)字，通過高性能計(jì)算機(jī)多元異構(gòu)的全面處理(運(yùn)算、模擬、建設(shè)平臺(tái)和存儲(chǔ))，從而可以對(duì)油田地上、地下做完整的表征和直觀的展示。

也就是說能夠用數(shù)字展示和表述全部油田事物的現(xiàn)代化高新技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化信息，信息轉(zhuǎn)化知識(shí)，以信息作為技術(shù)為油田服務(wù)，從而尋找到新的油藏和油田以及提高油氣的采收率。

對(duì)石油采集、運(yùn)輸和存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)的眾多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，是實(shí)施數(shù)字油田的一個(gè)重要組成部分，為生產(chǎn)人員掌握采油設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為監(jiān)控油井生產(chǎn)異常、監(jiān)控油井產(chǎn)量、運(yùn)輸防盜和存儲(chǔ)防盜防漏等科學(xué)決策提供重要參考。

將如此諸多參數(shù)傳送到油田監(jiān)控中心，需要構(gòu)建一個(gè)效率高、響應(yīng)快、費(fèi)用低的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。本文針對(duì)油田實(shí)際需求及現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，提出基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)理念的油田數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是近幾年提出的一種新興技術(shù)，基于近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。這種網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是在現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò)路由、能自組織，在某些節(jié)點(diǎn)失去功能網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)恢復(fù)，適合于野外環(huán)境下作長(zhǎng)時(shí)間工作的無人值守觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)及自動(dòng)化執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)。

1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在現(xiàn)有的自動(dòng)化油田數(shù)據(jù)采集傳輸方案中，為一臺(tái)主控設(shè)備通過有線接載多路傳感器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，收集各路數(shù)據(jù)之后，通過GPRS或CDMA信道傳送至數(shù)據(jù)中心，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)要求每臺(tái)抽油機(jī)或其他設(shè)備均通過GPRS或CDMA傳輸。

在本文提出的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的油田數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)中，其基本結(jié)構(gòu)由兩個(gè)層次網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建而成，第一層網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)采油井區(qū)范圍內(nèi)，構(gòu)建一個(gè)本地的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，所有的數(shù)據(jù)匯總至井區(qū)的中心;第二層網(wǎng)絡(luò)是各井區(qū)的中心，通過GPRS或CDMA方式再傳送至整個(gè)油田的數(shù)據(jù)中心。

采用兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)方式，將具有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)減少了GPRS或CDMA通信節(jié)點(diǎn)數(shù)目，將有效降低設(shè)備運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的通信費(fèi)用;

(2)減少有線布設(shè)，降低線纜及其施工費(fèi)用，也降低了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝的復(fù)雜度;

本文提出的油田數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)分為兩個(gè)層次，每個(gè)工作小區(qū)現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)普通節(jié)點(diǎn)和小區(qū)中心節(jié)點(diǎn)，小區(qū)中心為整個(gè)小區(qū)傳感網(wǎng)絡(luò)的中心，收集數(shù)據(jù)或轉(zhuǎn)達(dá)命令，其通過現(xiàn)有的GPRS(CDMA)網(wǎng)絡(luò)和架設(shè)在機(jī)房的服務(wù)器聯(lián)系，由于第二層次和既有設(shè)計(jì)一樣，下面將重點(diǎn)討論第一層次的設(shè)計(jì)。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

目前無線自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要有星型、樹形和MESH等三種。這三種網(wǎng)絡(luò)各有特點(diǎn)，適應(yīng)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景下。油田應(yīng)用中，所有節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)匯聚到中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)向工作節(jié)點(diǎn)發(fā)布命令，工作節(jié)點(diǎn)之間沒有進(jìn)行應(yīng)用數(shù)據(jù)通信的要求。在此條件下，應(yīng)該采用樹形結(jié)構(gòu)。

1.3 網(wǎng)絡(luò)路由建立

節(jié)點(diǎn)開機(jī)后，首先發(fā)出廣播信息，尋找網(wǎng)絡(luò)，就近收到的節(jié)點(diǎn)作出響應(yīng)，并將節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求回送給中心點(diǎn)，中心點(diǎn)根據(jù)最短路由依據(jù)，僅對(duì)其中一條請(qǐng)求(如果有多條的話)做出回應(yīng)，并分配網(wǎng)內(nèi)地址，長(zhǎng)度為2 B，自后，即以此短地址作為網(wǎng)內(nèi)通信時(shí)用的識(shí)別碼。字節(jié)收到中心節(jié)點(diǎn)的加入網(wǎng)絡(luò)許可后，即跳出加入網(wǎng)絡(luò)模式，進(jìn)入正常工作模式。

數(shù)據(jù)傳輸采用Trans-ACK模式，即每發(fā)送一個(gè)包，采用端對(duì)端的應(yīng)答機(jī)制，以保證傳輸?shù)姆€(wěn)定;數(shù)據(jù)發(fā)送失敗后，最多允許3次重傳，如果3次重傳失敗，則宣告節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)系，進(jìn)而重新執(zhí)行加入網(wǎng)絡(luò)過程。

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

第一層次中小區(qū)中心結(jié)構(gòu)如圖1所示，與普通節(jié)點(diǎn)間差別是沒有安裝GPRS(CDMA)模塊，即小區(qū)中心節(jié)點(diǎn)同時(shí)也具有完備的普通節(jié)點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)和動(dòng)作控制能力。除此之外，它們的太陽能電池、可充電電池大小及工作軟件則有較大差別。

2.2 節(jié)點(diǎn)電源設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)的電源供應(yīng)事關(guān)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期，故一方面要千方百計(jì)增加電源供應(yīng)，另一方面要降低能量消耗。