一种面向油田的信息物理融合系统模型
王静怡 孙旭华 卜宏博 付旭
西安石油大学 陕西 西安 710065
摘要：信息物理融合系统（CPS）是一种汇集了计算、通信和物理等功能为一体监控实体世界的庞大物理计算机系统。针对大数据流背景下油田安全生产的需求，本文构建具有油田生产监测以及控制功能的油田信息物理融合系统模型，并给出了涉及到的数据模型。该系统的构建对于及时发现停井或产量下降等故障和降低损失具有重要的作用。
关键词：CPS 信息采集 实时控制
随着电子、计算机与自动控制技术的发展，物理世界与信息系统相结合的速度越来越快。在此背景下，产生了信息物理融合系统（CPS）。目前，CPS已在各领域的应用越来越广泛，比如国防、医疗、工业生产等。施等
[1]研究了CPS与能源系统相融合的能源互联网技术。曹
[2]研究了基于信息物理融合的猪舍系统。张
[3]研究了如何构建具有监控功能的煤矿CPS系统。善[4]把信息物理融合系统引入到电力系统中。本文拟采用智能设备、数据计算、控制等技术，给出一个基于CPS的智能油田实时监控系统模型，并建立数据模型。
1 油田CPS系统模型与架构设计针对油田现场生产数据安全、传输可靠和事故处理等问题，给出了基于信息物理融合技术的油田生产监控系统模型。如图1所示。
图1 基于信息物理融合的智能油田监控系统模型
（1）感知控制层：智能感知设备主要负责采集数据，并通过传输设备传递给网络层。同时，通过控制设备实时监控温度、油压、套压、载荷、排量和电力等抽油机的参数变化。
（2）网络层：数据的可靠通信才能保障整个网络的正常运行。设计安全可靠的网络层也是该系统的一个关键技术。
（3）应用层：该层的处理设备能够借助先进技术对采集数据进行实时分析，并在必要时发出控制指令，实现智能设备的远程监控。
2 数据模型油田CPS监控系统的感知层主要通过智能设备将抽油机的数据实时采集后转化为计算机能够识别的信息，然后通过网络层传送到应用层。在整个传输数据的过程中，需要采用的数据模型如下：
（1）感知层主要采用兼有感知和控制功能的物理设备来完成数据采集、实时监控和针对感知到的物理环境做出反馈。感知层中客观存在的各种物理实体（智能设备）及所处的环境都属于物理对象，将其抽象为4个元素，分别表示：
被监测物理对象所在的位置、所属的油井编号、油井内部的设备编号和被监测物理对象时的时间。其中被监测物理对象的属性包含温度、油压、套压、载荷、排量和电力等6个属性值。
（2）网络层是连接信息世界和物理世界的媒介，主要实现数据资源共享和传输；按照传递数据的方向可分为上行和下行，上行表示源节点将数据向信息处理中心传送。下行表示网络节点向信息监控中心传送数据。该层的数据抽象成5个元素，分别为：上行传输数据的传感器的编号、传感器向无线网络发送的数据、该下行发送的数据、下行发送数据对应的编号和该无线网络发送数据的时间。
（3）应用层主要是通过大量的数据业务模型进行集成，且将判决信息反馈到生产现场进而完成生产的实时监控，从而有效地提高数据的利用率。信息处理中心接收到的数据抽象成3个元素，分别为数据来源的油井号、数据的属性和接收数据所对应的时间。
系统将信息处理中心接收到的6个被监测物理对象作为网络的输入。不同的数据组合对应不同的设备状态，从而建立实时监控架构。
3 结束语本文将信息物理融合系统应用到油田生产中，给出了具有控制功能的油田信息物理融合系统模型，并对构建过程中涉及到的数据模型进行阐述。该系统的提出可以节省油田的运行成本，为推动未来数字化油田建设奠定了理论基础。
参考文献[1]施陈博，苗权，陈启鑫. 基于CPS的能源互联网技术与应用[J]. 清华大学学报：自然科学学报，2016，56（9）：930-936.
[2]曹振丽. 1种面向猪舍的信息物理融合系统模型[J].江苏农业科学，2017，45（5）：193-196.
[3]张文. 煤矿信息物理融合系统的模型与技术研究[J].
物联网技术，2018，1：97-98.
[4]善金鹏. 分布式发电信息物理融合系统架构研究[J].电力信息与通信技术，2019，17（3）：73-78.
作者简介王静怡（1984-），女，汉，博士，讲师，研究方向：数字油田，计算机、通信相关技术。
项目：陕西省重点研发计划项目+基于信息物理融合的智能油田监控系统关键技术研究+2020GY-038；
陕西省教育厅专项计划项目+无线MARC系统中联合网络-信道编码的优化设计研究+18JK0626；
教育部高等教育司2018年大学生创新创业训练项目+偏远地区数字油田监控系统的数据传输方法研究+201810705040。
