0 引言

隨著石油資源逐漸開采，可用油資源日益緊缺，并且隨著人類社會經濟發(fā)展，石油消耗量日益增大。在這樣的形勢下，對現有石油資源進行科學采集、提高開采利用率顯得愈發(fā)重要。

普通采油廠一般由多口油井、計量站、管匯閥組、轉油站、聯(lián)合站、原油外輸系統(tǒng)、油罐以及油田的其他分散設施組成，整個采油廠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)直接關系到油田生產的穩(wěn)定及原油質量。

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的展示。

也就是說能夠用數字展示和表述全部油田事物的現代化高新技術。其實質是，數據轉化信息，信息轉化知識，以信息作為技術為油田服務，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(jié)的眾多參數實時監(jiān)控，是實施數字油田的一個重要組成部分，為生產人員掌握采油設備的運行狀態(tài)，為監(jiān)控油井生產異常、監(jiān)控油井產量、運輸防盜和存儲防盜防漏等科學決策提供重要參考。

將如此諸多參數傳送到油田監(jiān)控中心，需要構建一個效率高、響應快、費用低的數據傳輸網絡。本文針對油田實際需求及現場特點，提出基于無線傳感器網絡理念的油田數據傳輸網絡構建方案。

無線傳感器網絡技術是近幾年提出的一種新興技術，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線通信技術，主要適合于承載數據流量較小的業(yè)務。這種網絡的特點是在現場自動建立網絡路由、能自組織，在某些節(jié)點失去功能網絡自動恢復，適合于野外環(huán)境下作長時間工作的無人值守觀測網絡及自動化執(zhí)行網絡。

1 基于無線傳感器網絡的油田數據傳輸網絡

1.1 網絡結構

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

在本文提出的基于無線傳感器網絡的油田數據傳輸網絡中，其基本結構由兩個層次網絡構建而成，第一層網絡是一個采油井區(qū)范圍內，構建一個本地的無線傳輸網絡，所有的數據匯總至井區(qū)的中心;第二層網絡是各井區(qū)的中心，通過GPRS或CDMA方式再傳送至整個油田的數據中心。

采用兩級網絡方式，將具有以下優(yōu)勢：

(1)減少了GPRS或CDMA通信節(jié)點數目，將有效降低設備運營產生的通信費用;

(2)減少有線布設，降低線纜及其施工費用，也降低了現場設備安裝的復雜度;

本文提出的油田數據采集網絡結構將網絡分為兩個層次，每個工作小區(qū)現場布設普通節(jié)點和小區(qū)中心節(jié)點，小區(qū)中心為整個小區(qū)傳感網絡的中心，收集數據或轉達命令，其通過現有的GPRS(CDMA)網絡和架設在機房的服務器聯(lián)系，由于第二層次和既有設計一樣，下面將重點討論第一層次的設計。

1.2 網絡拓撲結構

目前無線自組織網絡結構主要有星型、樹形和MESH等三種。這三種網絡各有特點，適應于不同的應用場景下。油田應用中，所有節(jié)點將數據匯聚到中心節(jié)點，中心節(jié)點向工作節(jié)點發(fā)布命令，工作節(jié)點之間沒有進行應用數據通信的要求。在此條件下，應該采用樹形結構。

1.3 網絡路由建立

節(jié)點開機后，首先發(fā)出廣播信息，尋找網絡，就近收到的節(jié)點作出響應，并將節(jié)點的加入請求回送給中心點，中心點根據最短路由依據，僅對其中一條請求(如果有多條的話)做出回應，并分配網內地址，長度為2 B，自后，即以此短地址作為網內通信時用的識別碼。字節(jié)收到中心節(jié)點的加入網絡許可后，即跳出加入網絡模式，進入正常工作模式。

數據傳輸采用Trans-ACK模式，即每發(fā)送一個包，采用端對端的應答機制，以保證傳輸的穩(wěn)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(jié)點與網絡失去聯(lián)系，進而重新執(zhí)行加入網絡過程。

2 網絡節(jié)點的硬件設計

2.1 節(jié)點硬件結構

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

2.2 節(jié)點電源設計

節(jié)點的電源供應事關整個網絡的生存周期，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。