基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的油田數據采集網(wǎng)絡(luò )設計

0 引言

隨著(zhù)石油資源逐漸開(kāi)采，可用油資源日益緊缺，并且隨著(zhù)人類(lèi)社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展，石油消耗量日益增大。在這樣的形勢下，對現有石油資源進(jìn)行科學(xué)采集、提高開(kāi)采利用率顯得愈發(fā)重要。

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

數字油田是將油田中所有的事物(盆地、地面、井中、油藏)全部抽象為邏輯數字，通過(guò)高性能計算機多元異構的全面處理(運算、模擬、建設平臺和存儲)，從而可以對油田地上、地下做完整的表征和直觀(guān)的展示。

也就是說(shuō)能夠用數字展示和表述全部油田事物的現代化高新技術(shù)。其實(shí)質(zhì)是，數據轉化信息，信息轉化知識，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。

對石油采集、運輸和存儲等環(huán)節的眾多參數實(shí)時(shí)監控，是實(shí)施數字油田的一個(gè)重要組成部分，為生產(chǎn)人員掌握采油設備的運行狀態(tài)，為監控油井生產(chǎn)異常、監控油井產(chǎn)量、運輸防盜和存儲防盜防漏等科學(xué)決策提供重要參考。

將如此諸多參數傳送到油田監控中心，需要構建一個(gè)效率高、響應快、費用低的數據傳輸網(wǎng)絡(luò )。本文針對油田實(shí)際需求及現場(chǎng)特點(diǎn)，提出基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )理念的油田數據傳輸網(wǎng)絡(luò )構建方案。

無(wú)線(xiàn)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、低復雜度、低功耗、低數據速率和低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主要適合于承載數據流量較小的業(yè)務(wù)。這種網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)是在現場(chǎng)自動(dòng)建立網(wǎng)絡(luò )路由、能自組織，在某些節點(diǎn)失去功能網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)恢復，適合于野外環(huán)境下作長(cháng)時(shí)間工作的無(wú)人值守觀(guān)測網(wǎng)絡(luò )及自動(dòng)化執行網(wǎng)絡(luò )。

1 基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的油田數據傳輸網(wǎng)絡(luò )

1.1 網(wǎng)絡(luò )結構

在現有的自動(dòng)化油田數據采集傳輸方案中，為一臺主控設備通過(guò)有線(xiàn)接載多路傳感器，進(jìn)行數據采集，收集各路數據之后，通過(guò)GPRS或CDMA信道傳送至數據中心，這種網(wǎng)絡(luò )結構要求每臺抽油機或其他設備均通過(guò)GPRS或CDMA傳輸。

在本文提出的基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的油田數據傳輸網(wǎng)絡(luò )中，其基本結構由兩個(gè)層次網(wǎng)絡(luò )構建而成，第一層網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)采油井區范圍內，構建一個(gè)本地的無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )，所有的數據匯總至井區的中心;第二層網(wǎng)絡(luò )是各井區的中心，通過(guò)GPRS或CDMA方式再傳送至整個(gè)油田的數據中心。

采用兩級網(wǎng)絡(luò )方式，將具有以下優(yōu)勢：

(1)減少了GPRS或CDMA通信節點(diǎn)數目，將有效降低設備運營(yíng)產(chǎn)生的通信費用;

(2)減少有線(xiàn)布設，降低線(xiàn)纜及其施工費用，也降低了現場(chǎng)設備安裝的復雜度;

本文提出的油田數據采集網(wǎng)絡(luò )結構將網(wǎng)絡(luò )分為兩個(gè)層次，每個(gè)工作小區現場(chǎng)布設普通節點(diǎn)和小區中心節點(diǎn)，小區中心為整個(gè)小區傳感網(wǎng)絡(luò )的中心，收集數據或轉達命令，其通過(guò)現有的GPRS(CDMA)網(wǎng)絡(luò )和架設在機房的服務(wù)器聯(lián)系，由于第二層次和既有設計一樣，下面將重點(diǎn)討論第一層次的設計。

1.2 網(wǎng)絡(luò )拓撲結構

目前無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )結構主要有星型、樹(shù)形和MESH等三種。這三種網(wǎng)絡(luò )各有特點(diǎn)，適應于不同的應用場(chǎng)景下。油田應用中，所有節點(diǎn)將數據匯聚到中心節點(diǎn)，中心節點(diǎn)向工作節點(diǎn)發(fā)布命令，工作節點(diǎn)之間沒(méi)有進(jìn)行應用數據通信的要求。在此條件下，應該采用樹(shù)形結構。

1.3 網(wǎng)絡(luò )路由建立

節點(diǎn)開(kāi)機后，首先發(fā)出廣播信息，尋找網(wǎng)絡(luò )，就近收到的節點(diǎn)作出響應，并將節點(diǎn)的加入請求回送給中心點(diǎn)，中心點(diǎn)根據最短路由依據，僅對其中一條請求(如果有多條的話(huà))做出回應，并分配網(wǎng)內地址，長(cháng)度為2 B，自后，即以此短地址作為網(wǎng)內通信時(shí)用的識別碼。字節收到中心節點(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。

數據傳輸采用Trans-ACK模式，即每發(fā)送一個(gè)包，采用端對端的應答機制，以保證傳輸的穩定;數據發(fā)送失敗后，最多允許3次重傳，如果3次重傳失敗，則宣告節點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò )失去聯(lián)系，進(jìn)而重新執行加入網(wǎng)絡(luò )過(guò)程。

2 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的硬件設計

2.1 節點(diǎn)硬件結構

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

2.2 節點(diǎn)電源設計

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