工业无线WIA-PA技术在智能油田中的应用

(黑龙江省中科奥维科技有限公司，黑龙江牡丹江，157013)

引言

油田开发是将地下油藏资源进行钻井开采及加工处理的过程，经历勘探评价、钻井、完井、地面建设加工处理、采集输送、净化处理等流程，工序很复杂。油田开发通过自动化、信息化技术革新，开发水平有了一定提升，但仍是在传统行业模式基础上加以改进。油田生产组织机构庞大，部门多、协作程度低，决策执行效率不高。生产过程仍以级级上报为主，生产成本居高不下，这种落后的生产方式与今天快速的信息化技术生产模式的矛盾日益突出。未来一段时间，油气依然是全球使用的主要能源，大力发展科技创新，开发信息时代新理念是保持行业领先优势的关键。油田信息化发展规划预计2020年建成数字化油气田，预计2022年实现智能油气田建设的总目标[1]。

1 智能油田的建设思考

以打造智能油田为目标，优化完善专业库和工作平台，开展云数据集成与应用集成，物联网和ERP应用集成系统建设，加强智能信息化对勘探开发主营业务的支撑作用。智能油田的建设是以数字化油田建设为基础，智能化油田建设实施是一个不间断循环过程，从油田的发现开始智能化，通过各种方式获取数据，并对数据进行模块化组件，为勘探评价、关键方案编制、产能建设和开发业务提供决策依据，从而更高效的服务于生产组织，方案决策、多专业多部门共同协作，闭环式持续往复优化，最终实现智能油田的系统整合、管理优化和高效开发[2]。

1.1 智能油田的硬件建设

智能油田硬件建设指使用各种传感设备、装置与通讯设备技术，实时采集所需要监控、连动、控制的设备的过程。通过采集设备电参数、压力、温度、位移、质量、流量等各种需要的数据，使物联网、互联网和管理人员、操作人员紧密结合形成一个大数据联动交互网络；实现物与物、物与人通过网络信息连接，全面智能识别，信息管理和技术创新。智能油田建设通过“物(感知物)+云(云计算)+网(物联网、互联网)+端(手持终端)"模型实现生产现场无人值守，重要数据实时远传，关键环节自动连锁、智能逻辑控制，要害风险自动截断，过程监控远程可视[3]。智能油田可以实现“无人值守，远程决策”，实现远程监视、自动报警、控制、诊断和维护。

(1)物是指大量具有感知和识别功能的设备组成的感知物，主要包括生产现场设备的压力、温度、液位传感器、流量计、视频监控等感知设备。

(2)云是基于云计算模式的大数据应用；数据高度集成、数据逻辑分析、数据全面整合、数据资源共享分配、数据预测预警的技术集成；油田开发中云数据建立跨数据平台，跨技术专业、全面立体、多维组合在线数据共享机制。

(3)网是指各种通讯网络；包括互联网、物联网、电信网、移动通信网、卫星网、 广电网形成的融合网络，主要包括卫星与卫星基站，4G网络等。

(4)端是指使用终端，包括手机移动终端、个人PC应用端等。主要表现为将感知信息进行智能集成和可视化显示。

1.2 智能油田大数据开发

油田开发生产历史过程就是一部大数据发展史，大量信息数据的产生应用，为大数据分析应用奠定了基础。大力挖掘大数据资源信息，利用数据指导油田生产实践，为提质增效提供决策数据依据。油田生产的大数据开发应用涉及到勘探、开发、施工、物资管理、财务管理、人力资源管理等领域。研发油田企业级大数据分析平台，为制定节能降耗、提高效率及安全生产技术方案等提供科学手段。对多年积累的生产数据样本进行深度分析，发掘各影响因素之间的内在规律，建立以提高抽油机井系统效率、降低注水系统能耗为代表的多因素、多约束、非线性油气生产大数据分析模型，实现油田生产业务大数据分析应用[4]。

大数据开发处理方式分为数据统计、数据清洗、数据挖掘、数据分析应用四部分。

(1)数据统计：主要包括数据的收集、筛选、归类等。方法主要有分类与回归、聚类分析、关联规则、时序预测、偏差检测等。

(2)数据清洗：数据清洗过程主要包括数据的分类清洗、统一格式、统一描述方式等。

(3)数据挖掘：数据清洗完成后，根据分析指标，对数据进行挖掘，挖掘各数据项与分析指标间的影响规律。主要用来进行现状分析，找出数据挖掘重点。

(4)数据分析应用：大数据分析常用到的方法有常规的关联性分析、分类分析、回归分析等。关联性分析是对相互关系进行分析，确定影响因素对分析指标的影响程度，确定重点影响因素；分类分析是采用分类的方式，缩小同类之间的差距，使规律明显化；回归分析主要用来找出各因素和指标间的影响规律。

1.3 可视化智能控制

数据挖掘结果的可视化智能控制极为重要，可以利于分析找到规律，发现潜在的问题，所以需要将数据挖掘结果以图形、表格等可视化的方式进行展示。可视化智能控制需要高效、一致性和透明化。生产管理中监控、流程、自动化可视化根本目标是为了服务于日常场景，通过对不同用户群体的需求分析，云计算中心各种运维数据进行采集、扩充、抽取、加工；并进行针对性图表样式设计、页面设计，实现直观可视，提高治理和管理水平[5]。实时数据可视化显示可以帮助管理人员及时发现问题、判断问题，是大数据解决系统问题至关重要的一部分。

1.4 智能诊断剖析

借助信息数据可视化图表，对挖掘分析结果进行因果分析，发现其中存在的问题，剖析问题原因，寻找影响问题的主要因素，得出智能诊断剖析结果，为方案优化提供基础。信息数据可视化可服务于决策领导者、运维管理人员、地球物理勘探研究人员等不同类型用户，依托不同群体的不同需求为导向，开发具有针对性，智能性的诊断剖析结果展示[6]。

1.5 智能方案制作优化

根据智能油田数据采集的大数据信息，进行清洗整理，数据挖掘，综合分析诊断，制定调整智能措施方案，对相关工艺参数进行优化，并进行措施效果预测。对调整方案进行现场实施修改，使分析成果落地，并进行效果跟踪评价。收集方案实施前后的数据，分析实施效果与效益，并对实施后的数据进行分析，形成闭环分析流程[7]。

1.6 过程实施智能控制

(1)实时全面感知：使用数据采集传感设备，通过信息网络传输数据信息展示，实现对油田各生产环节的全面感知。既要对油田生产的设备进行实时数据采集，还可通过远程视频直接查看现场工作，进行远程现场会议。

(2)自动智能处理：通过对采集到的数据进行大数据、云计算处理，将操作指令反馈传输到现场，利用自动化控制技术，对现场生产设备进行远程自动处理。

(3)预测预警：通过大数据处理、挖掘、分析，对生产趋势进行预测预警。如对单井数据进行采集分析处理，结合运行情况进行智能分析预测，对有可能发生的生产事故故障进行预警处理。

(4)辅助数据决策：利用采集到的可视化的数据信息、结合油田专家的实际经验、运用油田专业技术知识、现场研究处理成果，进行综合判断分析，做出辅助决策方案。

(5)智能分析优化：建立大数据库分析智能处理系统，运用云计算综合技术，对生产运行的数据、油藏数据、决策方案进行数据评价和分析，做出优化数据方案，促进油田生产、管理优化，实现油田生产优化开发。

(6)全面联系：在设备实时全面感知的基础上，智能可视化显示完成油田现场操作人员与指挥室人员之间的视频信息互动。人与仪器之间的数据协同、远程操作，实现不同业务之间的相互数据关联与协同运行，将油田生产运行通道全面打通，这是实现智能油田至关重要的一步[8]。

1.7 人工智能在智能油田中的应用日益广泛

未来智能化油田必然是以高度的集成化和智能化为特征的智能型油田企业，以减少生产中的人的体力劳动和脑力劳动为发展目标，即在整个生产过程中通过计算机将人的智能活动与智能机器有机融合，以便有效地推广专家的经验知识。

通过虚拟网络实体物理系统， 整合智能机器、储存系统和生产设施。通过物联网、服务计算、云计算等信息技术与制造技术融合，实现软硬件资源和能力的全系统、全生命周期、全方位的透彻的感知、互联、决策、控制、执行和服务化，使得从井场生产、到作业、到油藏的全面感知；实现人、财、物、信息的数据集成、共享、协同与优化。流程整合会带来全局创新效应流程管理，应用物联网、互联网、人工智能、大数据等新一代信息技术，实现人性化的智能技术和智能管理系统。以使用智能机器人为代表的自动化应用日趋广泛，在石油行业也已经有部分企业将智能机器人纳入智能生产与智能管理[9]。

2 网络建设是智能油田建设的基础道路

在数字化油田全面建成的基础上，开展数字化油田深入应用的工作，将数字油田向智能油田发展转变，建成全面感知、预测预警、数据驱动、智能操控的智能油田，利用无线专网设计无线集群系统，将原来单纯的语音通讯变为语音、生产数据、视频图像传输[4]。:在整个油田物联网当中，需要统计好油田在油井、联合站、注水站、接转站、计量站、配水间等设备的数据，然后监督好罐内液体位置、实时温度、流量大小、压力情况、可燃气体的比重等。传感器需要安装在油田生产的设备上对这些信息进行采集和检测工作，传感器是物联网构建的重要环节，在不断的发展过程中，呈现出一体化、低功耗。无线调度系统能够和有线调度系统互通，具备有线调度系统调度无线系统管理的能力[10]。

2.1 数据通信技术

所有井、间、站数据自动采集、故障智能分析、生产参数远程调控，生产站场“有人巡检、无人值守”，形成整体系统的油田智能化管理模式，实现专业化运行。油田智能化使各项管理提高效率，实现向智能化、精细化、定量化管理的质变。形成了“让数据工作、听数据说话、用数据指挥”的管理新模式。实现生产和管理人员的语音联通；实现生产设备状态实时可视化；实现远程视频监控；实现可视化调度；通过智能化移动终端，实现智能巡检，实时了解巡检状态，并有远程专家指导。

(1)无线视频监控：实现厂内偏远区域覆盖、弥补固定视频监控盲区的施工作业区域，以及特殊作业区域等。使用移动视频监控设备可以实时监控现场作业全过程。

(2)无线智能巡检：使用手持终端的无线智能化巡检，实现巡检过程控制、数据标准记录、工作情况监督、数据汇表自动生成上传。

(3)无线定位功能：可以定位手持终端位置，显示手持终端的状态信息、方向等相关信息。实现越界报警和人员倒地报警等功能。

(4)有线无线融合通信：有线调度电话、无线集群终端和扩音对讲系统互通，通过统一的可视化调度台，实现厂内通信系统的融合互通，确保安全生产，提高沟通效率。

(5)无线资产信息管理：系统与工厂MES系统通讯，智能终端扫描现场设备识别码后，搜索调用设备全生命周期的管理信息。

(6)无线应急指挥：在调度站和智能终端之间视频通信，实现远程视觉应急指令，做到应急指挥的准确判断和执行。

2.2 WIA-PA网络分层的高效网络组织与管理架构

油田现场数据是数字油田的基础与核心，基于无线通信的物联网技术是实现数据采集和传输的手段，其安全性直接决定了未来我国石油生产的安全。因此，基于我国自主研发的WIA-PA技术来构建油井数据采集和传输的通道将极大提高数字油田的可控性，避免国外技术某些隐藏的“后门”造成关键数据外泄。WIA网络融合了‘网状网’和‘星型网’优势 ，成为复合结构的先进工业无线通讯网络，动态网络的管理效率提高80%以上，网络规模达到千点级。

2.3 自适应跳频实现高可靠通信，提升抗干扰能力

WIA网络具有射频环境认知能力的多级自适应跳频机制，是国际上工业无线网络独有的智能跳频技术。WIA网络在同频干扰环境下的通信可靠性达到99%。

2.4 联合调度模式，保证系统实时性

发明在多跳无线自组网中时空频联合调度的实时通信技术，对频谱资源在时间、频率、空间三维进行高效利用，保证通信实时性，时延指标达到国际先进水平。

2.5 微秒级高精度同步、实现微瓦级超低功耗

突破传统单源时钟和固定周期的同步框架，发明多源随机选择和周期自适应的时间同步方法，采用多时钟源、按需同步，同步精度达到100us，功耗指标达到国际先进水平，实现微瓦级超低功耗，大大延长设备使用寿命。

2.6 低功耗设计，提升电池使用寿命

2.6.1 网络低功耗

WIA-PA网络通讯设备和路由采用TDMA运行机制，可有计划的进行时间限定休眠和唤醒，平均电流微安级，精确的时间同步唤醒机制，保证了设备低功耗运行。WIA-PA网络节点支持功率自适应技术，依据实际通信链路情况调整射频功率，达到稳定传输下的最小功耗消耗。

2.6.2 产品低功耗

基于网络的休眠唤醒机制，产品采用多部件分级低功耗设计，间断工作降低产品平均功耗，提升电池使用寿命。考虑实现现场仪表的在全温度范围内的正常工作，软件机制采用时空频联合调度机制。根据网络的情况智能调节发射功率节省电流，硬件设计在低温-40℃采用温度补偿原理和抗低温器件，保证仪表的低温-40℃-60℃温度范围工作。

2.7 传输低功耗设备状态实时监测

设备具备状态监测模块，监测自身的状态，周期性的将设备的状态通过WIA网络传输给综合管理平台，并给出报警提示设备的正常、故障、告警、电池更换等信息，同时在现场的显示屏显示出相关的信息，综合管理平台根据现场的设备情况制定设备维护策略由技术人员进行维护和查看，设备智能化的设计很大程度上提升设备的可维护性。

2.8 设备代码远程升级

现场无线设备支持手持器本地升级代码，支持远程在线升级，支持远程全网升级，当现场出现需要更改多设备的代码进行升级时，可以采用全网升级，无人值守升级，升级成功后给出提示，供维护人员查看，极大的减少了维护的工作量。

2.9 智能识别技术

现场无线仪表部署完毕后通过智能识别技术在综合管理平台自动建立并显示出一口相关类型的井及仪表，避免原有系统设备需要人为配置的操作，降低工人工作量，提升系统的使用效率。现场仪表进行批量校准时，为了避免返回时无法获取设备的安装位置，通过智能识别技术可以不用很复杂的配置，通过仪表上的按键实现一键配置入网，现场仪表的数据在综合管理平台自动续存。智能识别技术很大的减少了现场的维护和操作的工作量，取消了综合管理平台的人为配置，实现了油田的精细化管理目标。

2.10 数据双层备份及断点续传功能

WIA-PA网络中的网关、油井智能电参管理器针对油田传输系统不稳定的情况，设计了数据备份功能，油井智能电参管理器可以存储一个月的井口仪表数据，WIA-PA网关可以存储一个网关管理下的所有井口一个月的仪表数据。WIA-PA网关根据传输系统的稳定情况进行断点续传数据，避免关键数据的丢失。断点续传功能支持主动续传以及综合管理平台的续传请求两种方式进行数据传输，实现方式灵活可靠，更加适应油田的现场应用场景。

2.11 人机交互接口友好

WIA-PA网络设备支持智能终端和网络内任何一台设备进行交互，同时支持在脱网情况下的智能终端和单个设备交互，支持智能终端采集仪表数据，获取仪表状态，控制抽油机的启停等功能。WIA-PA网络对智能终端要求不高，智能终端在具有防爆要求场合使用防爆工业手持机，一般工况环境下采用智能手机即插即用终端的模式，节省资金投入，增加了可用性。井场油井智能电参管理器设备设计支持语音提醒、语音警告、语音驱离，多层人机交互模式，对工作人员进行启停井操作的语音提醒，对非工作人员闯入进行语音警告，对破坏分子进行语音驱离的多层模式设置，使得油井智能电参管理器设备的功能更加适应现场复杂的人员情况，应对不同的突发情况。WIA-PA网络为自组织网络，网络设备均具备两条路径，且采用TDMA机制，确保所有网络设备数据不发生冲突，降低网络通信不畅造成的功耗浪费。

3 WIA-PA安全技术体系

WIA-PA是一种工业过程测量、监视与控制的无线网络通讯技术。WIA-PA通讯技术采用自组织、自治愈的智能网络路由机制，可以对现场条件和环境的变化情况，保持通讯可靠和稳定。WIA-PA网络通讯技术使用中心主站控计算机作为对工业无线网络进行监控的工具，可以实现现场设备网络与现场操作人员之间信息通讯。管理人员通过中心主站控计算机可以监测工业环境的实际情况，了解网络中无线设备的工作状态。网络管理者可以构建Mesh结构以及星型网络，分配通信所需要的网络资源，监测网络性能，包括设备路由状态、路径状况和信道状况。WIA-PA网络安全管理者负责路由设备与现场设备的密钥管理、安全认证等安全程序。

3.1 WIA-PA网络拓扑结构

WIA-PA网络采用Mesh和星型结合的两层网络拓扑结构。第一层是由WIA-PA网络路由管理设备、终端处理设备、手持终端互动设备构成的星型网络结构。第二层是由WIA-PA网络Mesh拓扑结构构成的骨干网络，由网关和路由设备构成。

使用WIA-PA网络网关设备可以实现WIA-PA网络与其他网络数据交换与数据映射互联。WIA-PA网络路由设备构建由终端和路由设备星型网络构成，可以监测子网通信情况。终端设备进行现场数据采集，通过路由设备将数据传送到网关设备。

3.2 WIA-PA网络威胁分析

WIA-PA网络是开放性网络，可能受到非法入侵、毁坏数据、恶意攻击等威胁。因此必须采取安全防护措施，保证WIA-PA网络的安全操作和网络通信安全，保证生产正常进行。WIA-PA网络面临的主要威胁有来自外部的恶意攻击和无线网络本身缺陷。恶意攻击是人为的破坏，以破坏网络信息、获取对方信息为目标，主要手段有修改、删除、伪造、欺骗、病毒等。无线网络本身的缺陷有电源能量的限制、有限的存储、运行空间和计算能力的限制、通信的不可靠性、节点的物理安全无法保证、节点位置的随机性等。

3.3 WIA-PA网络安全措施防护

WIA-PA网络安全体系应该遵循以下的安全措施和安全服务原则：易于部署和使用； 安全服务项目和安全措施可选；尽可能减少与人有关的操作；在安全性允许的情况下，尽可能减少安全信息的传输；利用基于硬件的加密技术；使用已有的加密和认证技术。

3.4 WIA-PA网络安全目标

WIA-PA网络安全目标主要是解决网络内部资源和数据通信的安全，WIA-PA网络安全应该包括：边界保护、访问控制、系统的可用性、数据的完整性、设备认证、机密性、不可抵赖性、密钥管理、可审计性。

3.5 WIA-PA安全分层分级

明确WIA-PA网络的定位、服务类型和对象的基础上，根据网络面临的安全威胁和使用的层次、安全等级，针对性实施安全方案和措施。

(1)MAC层安全：MAC层负责处理传输流出MAC帧和接收流入MAC帧。通过设置合适的密钥及帧计数器，控制MAC安全处理操作。MAC层的安全相关属性、校验模式等安全定义保持与IEEE 802.15.4标准一致。

(2)数据链路层安全：数据链路层是实现点到点数据安全传输。数据链路层使用数据加密和消息完整性校验码保护传输的数据安全。数据加密实现了数据的保密性；数据链路层有效载荷经过校验算法生成数据密钥，用来验证数据信息完整性的MIC是使用数据链路层数据。

(3)应用层安全：应用层负责发送流出包、安全接收流入包。通过安全管理向应用层发送的原语来控制密钥管理。安全应用管理是根据安全策略，先对数据进行安全处理，然后把安全数据发送到应用实体，实现对网络应用层的安全措施管理。

4 WIA-PA网络安全管理体系

WIA-PA网络安全管理体系分为两层，其中网关和路由设备构成Mesh结构层级，同时路由设备和终端设备/手持设备构成星型结构层级。网络安全管理体系的重点集中于通信传输安全保密和相关应用安全管理体系。WIA-PA网络安全管理体系应该考虑低能耗设备的资源受限，自选安全策略使用的范围，确定用于保护设备间通信的加密密钥数量规模层级。

4.1 安全管理架构

由于WIA-PA网络拓扑结构的特殊性，特设计安全架构，其中安全管理者将现场设备的管理权限授予网关和路由设备，令其担当安全管理代理的角色。WIA-PA网络安全管理采用集中和分布管理相结合的方式。系统安全管理由网络安全管理者、用户安全管理者完成。现场设备的管理权限交给现场使用者管理，路由设备交给网络安全管理者和用户安全管理者管理。

WIA-PA网络安全通信的实时性与设备资源的有限性，WIA-PA网络需要分层分级实施不同的安全策略和措施。WIA-PA网络的安全管理者、网关设备、路由设备和现场设备上的安全管理模块组成了安全管理架构。WIA-PA网络安全防火墙对整个网络实施边界保护，保证网络正常工作。

(1)数据完整性安全管理：WIA-PA网络数据进行完整性校验安全管理，发送方采用密钥对包进行校验算法运算，获得校验码，验证校验码的正确性，判断数据是否被篡改，保证数据完整安全。

(2)数据保密性安全管理：WIA-PA网络数据进行保密性安全管理，发送方采用相关对称加密算法对数据进行加密运算，发送到接收方。接收方收到的密文利用相同的对称加密算法进行解密运算，获得解密后的安全数据，保证数据的保密安全。

(3)认证安全管理：利用设备的安全信息对设备认证安全管理。设备安全信息由加入密钥与设备地址一起生成，是不可逆的安全认证，保证设备认证安全。

4.2 网络安全传输

4.2.1 现场设备到主控计算机的安全传输过程：

现场设备DMAP的安全管理模块根据MIB中的SecMode和SecLevel，可选择将应用层ASL载荷加密和MIC校验后传递到网络层；安全管理模块再根据MIB中的SecMode和ecLevel，可以选择对数据链路层DLSL载荷进行加密和MIC校验，再将包发送给路由设备；路由设备收到包后，首先验证该数据包的完整性，并在数据链路层对DLSL载荷进行解密操作后，使用下一跳设备的数据链路子层密钥对DLSL载荷进行加密和校验操作，通过网状网络转发给网关设备；当网关设备接收到加密数据包时，安全管理模块在数据链路层和应用层进行相应的完整性校验管理和解密操作管理，然后发送给中心主站计算机。

4.2.2 中心主站计算机到现场设备的安全传输过程：

该过程是现场设备到主控计算机安全传输过程的逆过程。

5 结束语

油田开采过程数据是数字油田的基础与核心，基于无线通信的技术是实现数据采集和传输的手段，其安全性直接决定了未来石油生产的安全[11]。因此，基于我国自主研发的WIA-PA技术来构建油井数据采集和传输的通道将极大提高数字油田的可控性，避免国外技术某些隐藏的“后门”造成关键数据外泄。WIA-PA技术是一项面向大量传感器信息采集和传输的智能组网和高可靠、高安全无线通信技术，填补了我国在物联网领域自主技术的空白。WIA-PA技术融合了‘网状网’和‘星型网’优势，具有复合结构的先进工业无线网络，动态网络的管理效率提高80%以上。WIA-PA技术具有射频环境认知能力的多级自适应跳频机制，是国际上工业无线网络独有的智能跳频技术。WIA-PA网络在同频干扰环境下的通信可靠性达到99%。在智能油田建设中应用工业无线WIA-PA技术可以打造坚实可靠的数字基石[12]。