华北油田信息化智能监测技术研究与应用

李新峰 史志鹏 许冬 王磊

随着油田自动化、数字化的快速发展，对于油田建设相配套的网络和通信技术要求越来越高，特别是山间、野外现场集中的油水井数据采集，存在着通讯信号不稳定等问题，对此，不仅要考虑传输速率，还要考虑到稳定性、成本和时延等问题。ZigBee技术是一种新的无线通信技术，使用CSMA-CA技术解决数据冲突问题，使用16-bit CRC来确保数据的正确性从而达到高效可靠；其中Zig Bee2007协议的SoC芯片CC2530每片价格不到20元，采用1节5号电池可以持续供电三个月时间，低成本、低功耗；同时具有组网灵活的优势，可以嵌入各个设备，具有自我修复能力；采用了AES-128加密技术，对传输数据进行加密，保障了安全性且具有高可靠性、低成本、低功耗、短时延、组网灵活等优势，主要适用于远程控制领域，可嵌入各种设备。

一、华北油田信息化现状

华北油田某些地区地势较高，山多人少，存在着信号不稳定的问题，以某采油厂为例，共有2000多口井，现阶段主要由两种主要通讯方式，ZigBee终端+McWill 和ZigBee终端+GPRS传输组合，两种通讯方式不仅应用在单井还应用于井组。单井自动化系统数据流向为传感器采集单井数据后，ZigBee终端传感器直接通过油田专网Mcwill或GPRS（移动公司开设的无线专网）将数据传送到远端服务器，实现数据的传输、存储和实时监控。使用该通讯方式下，对于一个井组（10口井），需要使用10套Zig Bee终端传感器（一体化示功仪）和10套GPRS模块和手机卡。具体传输流程如图1：

二、华北油田ZigBee路由协议现状

华北油田Zig Bee采用的是Cluster-Tree算法，利用特殊的网络地址的分配来寻找路径，数据传输到每一个新加入网络的节点，数据包传送到某一个节点，假如不是目标地址的话，会到父节点或者子节点寻找目标地址，直到找到目标地址，具体的算法流程图2如下：

根据流程图可以看出，该算法路由节点没有路由发现过程，即当节点收到数据包分组时，如果数据包的目的地址不是本身，就会把数据包发送给子节点或者父节点处理，当由父节点或子节点来转发数据包时，因为所经过的路径都比较远，所以数据包无法确定是否经过最短路径来传送，导致数据包经过多跳的数据传输，从而提高了效率。

综上所述，存在以下问题：

首先，GPRS信号不稳定，因为上述Zig Bee终端传感器（一体示功仪）必须安装在光杆上端，位置固定不变，如果该处恰逢无信号，会导致无线传输的数据连续性差，不能有效传输。

其次，针对井组的井场，多套Zig Bee终端传感器（一体示功仪），多套GPRS模块和手机卡相比较成本较高。

最后，成功传输到远程服务器的数据包，有一定几率的失效性，每两个小时采集一张功图，会存在三天或四天丢失一张功图；有一定几率的时延性，发送采集命令，在一定时间后，才会上来功图。

三、ZigBee组网与GPRS模块的创新通信技术

针对于井组，可以在每口井上安装Zig Bee传感器终端，每个终端进行传感器地址的设置，通过无线传输到Zig Bee协调器上，由协调器上通过GPRS模块将数据传送到远端服务器上，相应算产软件上，10口井绑定一个手机卡，通过传感器中RTU地址进行区分处理，分类存储和功图算产。井组现场中，假如井口位置GPRS模块信号不稳定时，可以将协调器摆放到信号相对稳定的地方进行GPRS的数据传输。这种组合通信方式，需要10套Zig Bee传感器、1个Zig Bee协调器和1套GPRS模块，相较之前的通讯方式，节约了成本。

四、结合Cluster-Tree和AODVjr算法结合优化

AODVjr路由算法的主要特点在于能根据源节点到目的节点最短路径来选择路由，从而减少了重复广播次数，其缺点就是多次广播分组而消耗过多的能量；ClusterTree存在的主要缺点是数据包到的节点如果不是目的节点，会通过该节点的子节点或者父节点进行传递数据，从而导致路径变远，但是没有经过广播分组，所以消耗的能量相对于AODVjr要少。

结合Cluster-Tree和AODVjr算法，将网络中的节点分成两种类型：

第一种节点剩余能量充足，且有足够储存空间去完成AODVjr算法。

第二种节点能量不充足，且没有足够的储存空间，无法完成AODVjr算法。

节点能量不足，无法完成AODVjr算法，所以直接进行Cluster-Tree算法，具体上述流程图介绍过。这里主要介绍第一种节点。

当没有到目的节点的路由，则按照AODVjr路由算法寻找通往目的节点的最优路徑，而找到目的节点后直接将数据包沿着该最短路线直接发送，无需再将数据传送至子节点或者父节点。

作者单位：华北石油通信有限公司