姚鹏 马建军 王劲舟 杨冬

摘要：本文从当前长庆油气田数字化建设面临诸多的问题，分析并提出相关解决方案，从而达到建设具有数据链路短、开放度高、协议标准化、管理便捷化和数据可视化的油气田工业互联网云平台。

关键词：互联网;架构;协议;数据库

1.当前长庆油田油气田数字化建设存在的问题

（1）油气田SCADA系统分别部署，所需软件点数多，数量多，维护升级费用较高;

（2）由于长庆油田规模大、体量大、层级多，实时数据从传感器到各级管理人员链路级数多，每一级都存在点名对应、量程对应、流程画面对应的要求，随着智能化深入应用，对数据真实性、准确性、稳定性提出更高要求，有必要采取新的架构降低难度，减少维护量。

（3）由于SCADA系统独立建设，数据分散存储，网络隔离等原因，大量传感器采集的秒级实时数据只用于过程监视、控制、报警，利用率太低，没有用于设备资产管理，动设备预测性维护、指标统计分析、工艺系统优化、趋势预测、降低能耗、降本提质增效等更多领域。

2.建设云边端协同架构

第一，发挥云化的数据中心作为中心大脑的作用，配合边缘节点、终端用户做相应的数据管理，开发融合开放的数据管理技术。第二，建立跨云数据中心、跨边缘节点、跨终端用户的数据安全体系。边缘节点和用户终端算力是非常有限的，必须与轻量化、高效率的云端配合，才能够实现对完整体系的安全防护。第三，进行相应的协同计算。要想把一部分AI推理做成轻量化的推理引擎，并放置在边缘节点或终端节点，就要进行协同计算，建立跨云边端的体系框架，形成一站式的智能平台。

3.MQTT协议的应用

油气田SCADA系统建设主要采用Modbus协议，Modbus TCP主站通过串口服务器采集数十个Modbus RTU从站时，采集速度慢，且多主站同时采集从站出现不稳定的问题。

MQTT（消息队列遥测传输）是ISO 标准（ISO/IEC PRF 20922）下基于发布/订阅范式的消息协议。它工作在 TCP/IP协议族上，是为硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的情况下而设计的发布/订阅型消息协议。

MQTT协议具有轻量，简洁，易开发以及跨平台性的特点，通过MQTT通讯协议可以实现数据在网络中的传输。提供三种不同等级的服务质量，一个字节固定消息头，两个字节心跳报文的报文设计模式，使得它非常适合在低带宽，高延时的物联网通信中应用。目前，微软Azure、谷歌云平台等各大物联网云平台都使用MQTT协议作为消息通信协议，MQTT协议也是Facebook消息推送协议的选择 。MQTT已成为M2M（机器与机器）物联网消息传输中的标准协议。通过 TCP/IP 网络连接，将采集的数据直接上傳到云端;解决Modbus TCP主站通过串口服务器采集数十个Modbus RTU从站时，采集速度慢，多主站同时采集从站出现的不稳定的问题;以往通过PLC或组态软件采集数十个设备的数据，编程过程比较繁琐。采用MQTT协议后，编程过程变得简单很多，只需要在云端集中处理所采集的数据。

具体到物联网场景中，则是在云平台服务启动后，物联网设备可以发送CONNECT 控制报文请求连接服务器，并 SUBSCRIBE（订阅）一个或多个感兴趣的主题，然后其它客户端与 MQTT 服务器建立连接后，可以向这个服务器 PUBLISH（发布）有关主题的消息报文（有效载荷），MQTT 服务器（消息代理）就会把有效载荷发送给订阅这个主题的物联网设备，这样就通过 MQTT服务器完成了客户端之间的消息通信，实现了用户客户端（手机）远程控制物联网设备。

4.时序数据库TDengine

所有机器、设备、传感器、以及交易系统所产生的数据都是时序的， 而且很多还带有位置信息。这些数据具有明显的特征： 数据是时序的，一定带有时间戳;数据是结构化的;数据极少有更新或删除操作;无需传统数据库的事务处理;相对互联网应用，写多读少;用户关注的是一段时间的趋势，而不是某一特定时间点的值;数据是有保留期限的;数据的查询分析一定是基于时间 段和地理区域的;除存储查询外，还往往需要各种统计和实时计算操作;数据量巨大，一天采集的数据就可以超过 100 亿条。

传统的关系型数据库或 MySQL 数据库以及流式计算引擎由于没有充分利用这些数据的特点，性能提升极为有限，只能依靠集群技术， 投入更多的计算资源和存储资源来处理，企业运营维护成本急剧上升。

TDengine 正是涛思数据面对这一高速增长的物联网大数据市场和技术挑战推出的创新性的大数据处理产品，它不依赖任何第三方软件，在时序空间大数据处理上，有着自己独到的优势。TDengine的性能远超InfluxDB，写入性能约为5倍，读取性能约为35倍。

与第三方工具无缝连接：不用一行代码，即可与 Telegraf， Grafana， Matlab， R 集成。新版支持 MQTT， OPC， Hadoop，Spark 等， BI 工具也将无缝连接。

零运维成本、零学习成本：安装、集群一秒搞定，无需分库分表，实时备份。标准 SQL，支持 JDBC， RESTful， 支持 Python/Java/C/C++/Go， 与 MySQL 相似，零学习成本。

5.基于HTML5设计组态设计器

就HTML 而言，其指的是Hyper Text Markup Language 的缩写，中文翻译为超文本标记语言，属于互联网发展过程中形成的对象描述语言。现阶段，网络之中的网页大多属于HTML 制作的，而HTML5是指第5 次修订版本，也是最新版本。

基于HTML5设计组态设计器，提供一种通过浏览器使用的（无插件）在线组态工具集，用户通过该工具可以完成实时监控界面的绘制，绘制完成的监控界面支持PC、手机、平板等跨平台使用。能够支持麦杰实时库、TDengine时序库、Redis缓存、ODBC数据接口等通用数据源。

用户无需安装插件即可完成组态界面的设计和实时点位配置工作，生成的界面能够适应各种分辨率，支持PC、手机、平板等多种终端使用。用户可以随时预览当前组态效果，可支持PC、手机、平板等多平台显示效果。

6.结语

（1）根据平台需求，选择云边端协同架构，建设长庆油气田互联网云平台。

（2）接入协议的选择。对比带宽和能源使用效率较高的数据传输应用协议。选择 MQTT 协议作为数据传输协议。

（3）面对庞大的数据量和带有时间戳的时序数据，传统数据库查询和写入速度较慢，选用TDengine涛思数据解决这一问题。

（4）基于HTML5设计组态设计器，提供一种通过浏览器使用的（无插件）在线组态工具集，快捷方便得实现数据可视化。