基于修井作业数字化现场视频监控系统的应用

黄微?张雨平?陶俊亦

摘要：针对修井作业现场人工巡检效率低、工人劳动强度大、存在不安全隐患等问题，通过分析修井现场视频监控系统功能要求提出了一种基于修井数字化作业现场的视频在线监控系统，实现对不同区域修井现场的集中数据采集、远程监控、视频图像存储、视频会议等功能。介绍了视频监控系统的硬件组成并开发了监控系统界面。经现场应用和调试表明，该修井作业视频监控系统可以实时监控修井现场，降低了工人劳动强度，大大提高了监控效率，取得了满意的应用效果。

关键词：修井；修井作业数字化现场；在线监控；系统开发

一、前言

随着人工智能、大数据、物联网技术进入快速发展阶段，按照川庆公司数字化转型整体规划，需加快推进修井作业现场数字化转型。目前，与钻井数字化现场[1]相比，修井作业现场数字化程度相对较低，修井作业机设备老旧，尚未建立数据采集、视频监控系统，工程技术等相关部门无法及时准确掌握现场施工动态，依靠电话沟通、人工巡检。为此，本文通过分析修井现场的监控系统功能要求，设计了修井现场视频监控系统并开发了配套监控界面，完成了硬件系统选型和软件系统[2]开发，经现场调试和应用，验证了方案的合理性和可行性，实现了视频监控与修井作业数字化现场的有机融合，与安全生产相关内容从业务流、数据流融为一体。

二、监控系统开发功能要求

目前，修井监控由大量在岗工人完成，通过工人到修井一线现场查看施工进度、施工情况、安全隐患，利用肉眼查看并记录工程数据，根据记录的工程数据判断现场情况。这样的监控方式监控数据误差大、精度低，并且需要大量在岗工人完成。为此，本文提出了修井作业视频监控系统，该系统不仅可以代替工人完成数据采集，还可以实现视频监控与实时数据动态采集，包括以下4项内容：第一，工程数据实时监测。修井作业视频监控系统要求实时获取修井现场的工程动态参数，取代人工去现场查看数据。第二，视频监控。修井作业视频监控系统应具备远程监控功能，避免工人在现场进行巡检，大大降低工人劳动强度，提高作业效率。第三，远程指挥。为解决基地与现场沟通不及時与沟通频率低等问题，修井作业视频监控系统应具备远程指挥功能，避免工人在现场进行随意操作、等停时间长的问题，提高作业效率。第四，视频监控系统与修井作业数字化现场的融合。打通修井现场与修井作业数字化现场的通道，实现视频监控系统在修井作业数字化现场中的展示。

三、视频监控系统整体方案设计

根据修井现场视频监控系统功能要求，可以得出修井作业视频监控系统需要使用传感器和视频监控设施实时监控修井现场数据及设备。在井控装置中，某些压力表会因为量程高、低或压力损坏发现不及时造成数据不准确，需要设置压力传感器采集压力信号。此外，储备罐的液面波动会造成人工测量不准确，需要设置液位传感器采集液面数据。搭建的老井修井现场远程监控系统整体方案设计如图1所示。

由图1可知，修井作业视频监控系统由设备端、数据采集与传输、后台展示三个部分组成。

设备端由防爆摄像头、数据检测传感器、防爆电池组等组成。防爆摄像头用于现场环境、设备设施监控。数据检测传感器用于检测修井现场设备运行状态的各项参数、大容量可充电锂电池为整个监控单元提供电力能源。数据传输由无线网桥、采集器等组成，井场网络基于信息与通信技术中心和油田工程研究院在2018年发布的《基于A12的钻完井决策支持中心井场信息化组网设备标准及运维方案》，组建基于有线和无线网桥[3]的混合局域网，用于专业数据、音视频、办公数据传输，数据汇集后通过卫星小站传输至油田基地中心站点后接入办公网，所有网络接入都需要经过授权才允许接入，属地管理归修井工程师。后台展示设备端的视频、数据采集的数据、发起视频对话，并自动生成实时曲线、实时数据、实时视频、历史曲线、历史数据、历史视频。

四、硬件系统设计与软件编程

（一）视频监控主要硬件

视频监控的硬件系统主要由传感器、摄像头、无线网桥、采集器[4]等组成，摄像头可与现场连线实时采集现场的运行情况，并将采集的信息通过无线模块发送到数据处理终端。传感器主要包括压力、温度、液位，通过传感器可以监测到修井现场的施工参数，并发送到信号处理器进行处理分析，设备型号见表1。

全天候防爆高清红外一体化摄像仪：采用200万像素高清摄像头，主要用于设备设施、现场环境的视频监控。

摄像机防爆电池组：由3颗32650磷酸铁锂组成的9.6V6.5AH的电池组，具有高容量、出色的循环寿命、优秀的高低温性能、电压输出稳定、自放电小、双重安全保护、高抗振和抗冲击能力。当嵌入式智能运行管理模块检测到无市电的情况下可为设备提供30分钟工作时间，支持电池容量扩展。

无线网桥：安装于井场内较高位置，负责将井场内所有的数据采集、传输、转换为以太网数据模式，再接入井场的无线Wi-Fi系统。同时，使用摄像机防爆无线模块实现井场内无线Wi-Fi的全覆盖，成功解决了数据线缆铺设中的一系列难点，包括线缆种类多而杂、线缆本身容易受损、需要专业技术人员进行接口对接、水平线缆管理的复杂性等，从而实现井场内部的数据传输与共享。

采集器：将现场摄像机防爆无线模块获取的数据进行本地展示、本地存储和上传，内配置视频数据存储单元，视频数据存满后循环覆盖，支持存储扩展，保障长修井、老井、周期井的全井视频本地存储。

摄像机防爆无线模块：直接与摄像头相连，使用TCP/IP协议获取并传输视频数据至中心端的数据采集器。

雷达液位计：采用诺盈佳业高频雷达液位计NYRD806来测量循环罐的液位，其工作原理是通过发送和接收电磁波信号实现测量。雷达传感器的天线以波束的形式发射电磁波信号，在被测物料表面产生反射后由天线接收回波信号。在发射和反射波束中的每个点都使用超声采样的方式进行数据采集，经过智能处理器的处理，计算出介质与探头之间的距离，以供显示、报警和操作等用途。

压力传感器：测液体或气体的压力直接作用于传感器的膜片上，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化。通过电子线路检测电阻值的变化，并将其转换为一个标准测量信号（通常是4～20mA信号），用于监测并输出对应于压力数值，达到实时监测被测液体或气体的压力值的目的。

悬重：压力传感器会由于悬重变化产生不同的压力值，压力值与悬重重量比值呈线性关系。可根据多组悬重与压力的比值，得到近似线性常数K。改造后的操作过程中，根据压力传感器的读数以及常数K，即可计算出对应的悬重，以此实现对悬重数据的实时采集。

温度传感器：作用在于将温度值转化为一个标准化的输出信号传送出去，通过将被测主回路的交流电流转换为一个稳定的恒流环标准信号，将该信号连续传输到接收装置，实现对液体温度的监测。其原理涉及以下流程：采用热电偶、热电阻作为测温元件，由测温元件产生温度相关的信号送至温度传感器模块，在温度传感器模块内经过一系列电路处理步骤，包括稳压滤波、运算放大、非线性校正、V/I转换、恒流及反向保护等，最终将温度信号转换为与温度呈线性关系的4～20mA电流信号。

（二）数据采集中心端功能模块及特性

1.数据采集中心端特征

（1）高稳定性：8年现场经验积累，品质、质量有保障。

（2）小型化、轻量化、智能化：体积、重量减少70%，全面推进智能化。

（3）灵活组网：全无线覆盖、无线桥接、4G路由、快速部署。

（4）根据需求，自主研发：高开放度，模块可选，标准协议开放对接。

（5）工业级无风扇：封闭式机箱、鳍片被动散热、防尘、防潮、防震动、防爆。

（6）工业协议转换：全业务协议采集、转换传输。

（7）新特性：断点续传、可选后备电源、智能运行。

2.中心端物理性能指标

硬件架构模块化设计，内部模块间通信和控制器采用主板总线转发模式。各模块间数据通信通过交换模块和数据总线完成，控制模块通过電气总线完成各模块的电源管理、状态采集、环境参数（温湿度、电压电流、资源占用等）采集。硬件适应能力见表2。

3.存储模块

数据采集中心端内置大容量数据存储单元，现场采集的数据可全部本地存储。

中心端配置256GB实时数据存储单元（单井现场实时数据120天存储周期容量约为20～35GB ），完全满足井场存储需求。

中心端配置4TB的机械硬盘：单井现场2路720P视频30天存储周期容量约为1.5TB，完全满足井场视频数据存储需求。视频数据存满后循环覆盖，支持存储扩展，保障长修井、周期井的全井视频存储。

在远程传输网络中断时，中心端对未上传数据进行标记。网络恢复时，进行数据的断点续传。

4.网络模块

数据采集中心端集成工业级网络通信模块，满足井场实时数据、视频数据传输带宽优先级控制需求。对内支持现场Wi-Fi组网、桥接（可选），可满足不同场景组网需求并快速部署。对外出口支持运营商网络4G以及卫星、光纤宽带（可选）。

中心端集成2.4G、5.8G双频基站，组建无线局域网，实现音视频、专业数据、办公数据的网络传输。中心端还为流动作业设备终端提供接入热点功能。

中心端汇聚数据后，通过4G网络模块将数据传输到油田基地中心站办公网络。

5.数据监控

井下作业采集器设有一台操作站。操作站从数据采集器中心端读取现场实时数据，并提供友好的人机交互界面。井下作业采集器操作站可提供历史数据查询。

6.视频监控

井下作业采集器操作站集成了视频监控模块，支持多路主流网络摄像机无线接入，可实现对井场、井口实时视频监控。具有井场本地显示、存储及无线上传等功能，视频数据可压缩上传，远程回放。

视频监控模块特性：

（1）基于监控视频内容组成的运动目标和背景分开提取，并且充分利用帧间差异建立新型的存储格式。

（2）存储效果比现有主流压缩方式降低40%～50%，最高可降低60%～80%。

（3）支持CIF、DI、720P、1080P多种视频码流。

（4）最大可支持8路1080P视频输入。

（5）支持无线接入前端摄像机。

（6）H.264及H.265视频数据编码。

（三）软件系统

为了满足实时数据在井场端的显示，在应用硬件设备采集数据的同时，也开发了一套适用于老井修井现场的软件系统。软件系统包含两个模块：RTU嵌套软件、数据采集器嵌套软件。

RTU嵌套软件是一种实时操作系统（RTOS），其特点在于包含一段有效代码，用于循环扫描输入和监控通信端口，以连接到后端监控中心的通信系统驱动和现场设备的I/O系统设备驱动。此外，RTU嵌套软件还内置了SCADA应用软件，用于执行一系列任务，包括输入数据扫描、现场过程监控以及数据存储等操作，还能够响应从通信网络传输过来的SCADA监控中心的命令。用户可以在RTU上进行应用设定，涵盖一些简单的参数设置、启用或禁用特定的I/O口，也可以提供完整的编程环境以满足用户的需求。RTU还支持文件系统，允许文件下载，包括用户程序和设定文件，有助于后期的系统诊断。

数据采集器嵌套软件是一套基于Windows系统进行二次开发的组态软件。组态软件利用系统提供的工具，能够通过直观的配置工作构建所需的软件系统。因为其易于学习和使用的特点，备受工程开发人员的喜爱，正在逐渐取代传统的计算机编程语言。随着科技的不断进步，现代工业生产技术和工艺过程越来越复杂，生产设备和装置的规模不断扩大，企业对生产自动化的需求也日益增长。在这种背景下，分布式监督控制和数据采集系统得到了广泛应用，以满足现代工业的要求，监控组态软件[5]的应用也日益广泛。

1.强大的画面显示组态功能

组态软件充分发挥了Windows系统具备的强大图形功能和美观界面的特点，为用户提供了可以随意编辑的丰富绘图工具和图形库，使开发人员可以摆脱繁琐的界面设计工作，得以更专注于其他任务。组态软件还提供了多种丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等，使界面更具生动性和直观性，具有更好的用户体验。

2.良好的开放性

开放性是指组态软件具备与多种通信协议互联以及支持多种硬件设备的能力，这一特性被认为是评价组态软件质量的重要标准之一。组态软件能与底层的数据采集设备实现数据交换，还能实现上位机和下位机之间的双向通信，这种双向支持使得组态软件在整个系统中起到了桥梁的作用，提高了系统的灵活性和可扩展性。

3.丰富的功能模块

能够提供丰富的控制功能库，使原本复杂的系统更加易于操作，其中的功能模块能够满足用户的实时监控、产生报表，显示历史曲线、实时曲线，提供报警等功能需求。该系统适用范围广泛，根据不同的应用场景，既可用于单机集中式控制、DCS分布式控制，还可以作为带有远程通信能力的远程测控系统。

4.强大的数据库

配备的实时数据库可存储各种数据，如模拟量、离散量、字符型等，实现与外部设备的数据交换。

5.可编程的命令语言

使用户可根据自己的需要编写程序增强图形界面。

6.周密的系统安全防范

对不同的操作者，赋予不同的操作权限，保证整个系统的安全、可靠运行。

7.缩短设计周期

仿真功能使系统并行设计，从而缩短开发周期。

五、结语

为了验证修井现场视频监控系统方案设计的合理性，根据修井作业视频监控系统整体技术方案进行布置。在某地区的修井现场进行了硬件安装和控制系统调试。经过实践验证，现场视频监控和实时数据采集系统在准确性、稳定性以及即时性方面表现出了卓越的品质，能够满足老井修井现场的实时监测需求，确保远程监测端能够即时接收并展示现场作业状态，为专家的远程决策提供了強有力的支持和保障。

参考文献

[1]王雷.基于数据中心的数字化钻井施工模式的构建[J].中国管理信息化，2022（07）：107-109.

[2]袁银和，姚景天，郭锐.组态软件技术及应用的论述[J].农家参谋，2018（19）：240.

[3]钱浩东，陈思锦，宋鑫.基于复杂电磁环境下的钻完井作业现场无线组网模式研究[J].信息系统工程，2020，（12）：135-136.

[4]陶俊亦，钱浩东，黄微，等.川渝地区井下作业专用采集器设计[J].信息技术与信息化，2022（01）：165-168.

[5]孔庆军.监控组态软件的功能分析及其在机舱自动化中的应用[J].船电技术，2004，（04）：33-35.

责任编辑：张津平