吳 垠

（重慶燃?xì)馀嘤?xùn)學(xué)院，重慶 400050）

0 引言

集輸系統(tǒng)是開(kāi)發(fā)、利用天然氣的重要環(huán)節(jié)，其運(yùn)行過(guò)程中會(huì)涉及大量且復(fù)雜的信息，例如管線運(yùn)行情況、計(jì)量站運(yùn)行情況及安全狀況等。傳統(tǒng)管理手段及方式已難以滿(mǎn)足現(xiàn)在天然氣企業(yè)及集輸工程的發(fā)展需求。因此，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)統(tǒng)一、高效且安全的集輸信息管理系統(tǒng)對(duì)集輸系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及管理，對(duì)推動(dòng)天然氣企業(yè)及行業(yè)發(fā)展有深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義[1]。為了滿(mǎn)足天然氣集輸信息化管理及安全管理的需求，遵循“分布式監(jiān)測(cè)，一體化管理”的原則，運(yùn)用現(xiàn)代信息化技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)統(tǒng)一的、能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及采集信息的信息化管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)有助于更加高效地開(kāi)展集輸信息的監(jiān)測(cè)、查詢(xún)及管理等工作。該系統(tǒng)是基于C/S+B/S混合軟件架構(gòu)而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，采取分布式部署的方法且將系統(tǒng)分有2個(gè)層級(jí)：1） 計(jì)量站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)連接在計(jì)量站的工控機(jī)上，是基于C/S架構(gòu)開(kāi)發(fā)而成的，可有效提高工控機(jī)的運(yùn)行效率及質(zhì)量，還可以有效地將服務(wù)器的負(fù)荷控制在合理范圍內(nèi)。2） 集輸信息管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)是根據(jù)B/S架構(gòu)而設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，不僅方便了各部門(mén)的使用及對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)維護(hù)，而且也提高了系統(tǒng)的集成化，可以對(duì)多個(gè)不同地區(qū)的計(jì)量站信息及數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理。

1 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

該天然氣計(jì)量站的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成部分主要包括計(jì)量間及現(xiàn)場(chǎng)儀表間，設(shè)備主要有遠(yuǎn)程測(cè)控終端設(shè)備、不間斷電源UPS、加密狗、工業(yè)計(jì)算機(jī)控制設(shè)備及打印機(jī)等。為增強(qiáng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的可靠性，2臺(tái)工業(yè)計(jì)算控制設(shè)備采取主輔機(jī)設(shè)計(jì)，并用TCP/IP協(xié)議通信將主機(jī)和輔機(jī)連接到一起；再用RS485總線及Modbus協(xié)議把主機(jī)跟采集模塊連到一起，在使用過(guò)程中可以實(shí)現(xiàn)互相熱冗余備份。同時(shí)，以不間斷電源UPS為后備電源，可確保系統(tǒng)不受停電等因素的影響；加密狗可以驗(yàn)證系統(tǒng)管理員的身份，提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安全性。在現(xiàn)場(chǎng)儀表間中有用于監(jiān)測(cè)溫度、壓力及差壓等數(shù)據(jù)的電子儀表設(shè)備[2]。該遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作流程

該遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能主要包括統(tǒng)計(jì)管道的流量、結(jié)合運(yùn)行情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)報(bào)警、報(bào)表打印、參數(shù)設(shè)置及網(wǎng)絡(luò)通信等，為確保數(shù)據(jù)安全，實(shí)現(xiàn)權(quán)限管理，還應(yīng)用了工業(yè)安全概念，并按簡(jiǎn)潔開(kāi)放的工業(yè)設(shè)計(jì)原則對(duì)人機(jī)交互界面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。該遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程示意圖

1.2.1 系統(tǒng)初始化

因?yàn)樵搶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只要開(kāi)始運(yùn)行就會(huì)不斷地采集數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)，所以為保證運(yùn)行質(zhì)量，需要先初始化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)文件及加密密鑰等，再進(jìn)行其他操作。

1.2.2 數(shù)據(jù)采集及流量計(jì)量

該天然氣管道系統(tǒng)采用的是標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量法統(tǒng)計(jì)流量。為確保準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)，在管道上布置了很多的溫度傳感器、壓力傳感器及差壓傳感器，用來(lái)采集管道的相關(guān)流量信息及天然氣組分，再按照標(biāo)準(zhǔn)孔板計(jì)量法來(lái)計(jì)算天然氣管道的瞬時(shí)流量。

1.2.3 主機(jī)與采集模塊通信

利用Modbus協(xié)議計(jì)量站主機(jī)可以獲得RS485總線中的所有RUT數(shù)據(jù)及信息，并可以對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的處理。

1.2.4 監(jiān)測(cè)報(bào)警

監(jiān)測(cè)報(bào)警是指當(dāng)監(jiān)測(cè)管道中的相關(guān)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)可以實(shí)時(shí)報(bào)警，以便第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)及解決問(wèn)題，確保整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。該實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是通過(guò)管道上的溫度傳感器、壓力傳感器及差壓傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)，并在異常時(shí)發(fā)出警報(bào)。同時(shí)，因?yàn)閳?bào)警事件具有突發(fā)性特征，所以為確保報(bào)警的準(zhǔn)確性及有序性，采取隊(duì)列技術(shù)對(duì)報(bào)警進(jìn)行設(shè)計(jì)，使危險(xiǎn)事件能夠根據(jù)時(shí)間前后有序發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并將其記錄和儲(chǔ)存在系統(tǒng)中。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要是指對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、儲(chǔ)存、查詢(xún)及打印相關(guān)報(bào)表等。該實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中不僅設(shè)計(jì)了訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的權(quán)限，而且還設(shè)計(jì)了相應(yīng)的加密方法，即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密后再傳送出去或存至數(shù)據(jù)庫(kù)中，有效地保障了數(shù)據(jù)的安全性。同時(shí)，該系統(tǒng)中針對(duì)工作交接用的報(bào)表進(jìn)行了統(tǒng)一設(shè)計(jì)，并且可以將當(dāng)天整點(diǎn)的溫度、壓力、差壓、瞬時(shí)流量及累計(jì)流量等相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)出來(lái)自動(dòng)打印成報(bào)表，提高了工作效率。

1.2.6 主機(jī)與Web服務(wù)器通信

因?yàn)橛?jì)量站通常都是布置在不同的地點(diǎn)及區(qū)域，所以只有通過(guò)實(shí)施監(jiān)測(cè)軟件及數(shù)據(jù)服務(wù)器的通信網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)及綜合信息管理系統(tǒng)的信息共享。為此，針對(duì)用戶(hù)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的服務(wù)器IP地址和通信端口，使用戶(hù)通過(guò)LabVIEW的DataSocket通信功能來(lái)上傳所需要的信息及數(shù)據(jù)，同時(shí)，系統(tǒng)的接收服務(wù)器端會(huì)根據(jù)指令信息作出對(duì)應(yīng)的反應(yīng)。

1.2.7 權(quán)限管理

對(duì)計(jì)量站來(lái)說(shuō)，其在人員配置上比較復(fù)雜且人員技術(shù)水平各有不同，同時(shí)，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置直接影響流量計(jì)量的準(zhǔn)確性。因此，為了使流量計(jì)量足夠準(zhǔn)確，并避免人為操縱因素影響系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，針對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了未登錄、系統(tǒng)管理員和應(yīng)急賬號(hào)3個(gè)等級(jí)的用戶(hù)權(quán)限，即未登錄狀態(tài)下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也是可以正常運(yùn)行的；登錄系統(tǒng)管理員賬號(hào)后，可以根據(jù)需要設(shè)置和修改相應(yīng)的數(shù)據(jù)及參數(shù)且所有的操作會(huì)保存在系統(tǒng)內(nèi)，方便后期查看。

2 集輸信息管理系統(tǒng)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

該天然氣集輸信息管理系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)、J2EE架構(gòu)、XML技術(shù)及Java語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)，其數(shù)據(jù)庫(kù)選用的是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MySQL，并通過(guò)Hibernate與系統(tǒng)進(jìn)行連接，確保系統(tǒng)可以穩(wěn)定地運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)功能

為滿(mǎn)足用戶(hù)需要，該集輸信息管理系統(tǒng)集合了GIS功能，可以將各計(jì)量站及管道的空間地理信息顯示出來(lái)。同時(shí)，系統(tǒng)也具有良好的交互功能，即用戶(hù)查詢(xún)信息時(shí)，系統(tǒng)可快速匹配GIS數(shù)據(jù)接口，并實(shí)現(xiàn)與管道管理及巡檢等系統(tǒng)的信息共享。為了在確保不同部門(mén)及不同等級(jí)用戶(hù)都能接觸到與其相符的數(shù)據(jù)信息及系統(tǒng)服務(wù)的同時(shí)，保障系統(tǒng)的安全，該系統(tǒng)也設(shè)置了相應(yīng)的權(quán)限管理。另外，該集輸信息管理系統(tǒng)也具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)、分析及報(bào)表打印分析等功能?？傮w來(lái)說(shuō)，可將集輸信息管理系統(tǒng)的功能分為用戶(hù)管理、生產(chǎn)信息管理及實(shí)時(shí)監(jiān)控3個(gè)模塊，具體如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

2.3 系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.3.1 主索引圖的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

主索引圖功能界面是根據(jù)ExtJS內(nèi)經(jīng)典的Border布局進(jìn)行的設(shè)計(jì)，且將界面分成了菜單欄、工具條欄及顯示欄3個(gè)部分。其中，根據(jù)WebGIS構(gòu)建了主索引，主索引頁(yè)面可以對(duì)GIS地圖進(jìn)行放大、縮小及移動(dòng)等操作。同時(shí)，也在計(jì)量站點(diǎn)及管道中設(shè)計(jì)了用戶(hù)事件監(jiān)聽(tīng)功能，即用戶(hù)單擊計(jì)量站點(diǎn)或者管道時(shí)，系統(tǒng)會(huì)顯示計(jì)量站點(diǎn)或管道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及信息；用戶(hù)雙擊計(jì)量站點(diǎn)或者管道時(shí)，系統(tǒng)會(huì)顯示其屬性信息。用戶(hù)也能夠利用該界面對(duì)某一計(jì)量站點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3]。

2.3.2 數(shù)據(jù)查詢(xún)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)查詢(xún)功能模塊主要由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析模塊和歷史數(shù)據(jù)分析模塊2個(gè)部分組成。其中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析模板又按其對(duì)象不同分為計(jì)量站點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析模塊和管道實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析模塊。例如用戶(hù)單擊主索引圖內(nèi)的計(jì)量站點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)便可以從數(shù)據(jù)庫(kù)找到該站點(diǎn)的實(shí)時(shí)流量情況并顯示出來(lái)。而且，用戶(hù)也可以從菜單欄中選擇想要查看的計(jì)量站，分析其輸差情況。對(duì)管道來(lái)說(shuō)，是從兩端統(tǒng)計(jì)其流量信息，則用戶(hù)單擊圖中的管道時(shí)，系統(tǒng)可以把2個(gè)計(jì)量站間的管道流量輸差情況及時(shí)準(zhǔn)確地分析出來(lái)。同時(shí)，也將系統(tǒng)的管道數(shù)據(jù)分析功能分為歷史數(shù)據(jù)分析、年數(shù)據(jù)分析及余額數(shù)據(jù)分析3個(gè)部分，用戶(hù)可按照需要來(lái)查看及分析某一時(shí)間段內(nèi)管道的溫度、壓力、差壓、瞬時(shí)流量及累計(jì)流量等信息，最后可以形成折線圖或柱形圖。

2.3.3 計(jì)量站點(diǎn)及管道動(dòng)態(tài)添加的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

天然氣企業(yè)在運(yùn)營(yíng)及發(fā)展過(guò)程中，肯定需要建設(shè)新的計(jì)量站點(diǎn)或者添加新的輸氣管道，為了滿(mǎn)足這一現(xiàn)實(shí)需求，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了計(jì)量站點(diǎn)及管道的動(dòng)態(tài)添加功能，增強(qiáng)了系統(tǒng)的拓展性。例如，添加新計(jì)量站點(diǎn)時(shí)，只要在地圖上選定新站點(diǎn)位置并輸入站點(diǎn)設(shè)備資料及相關(guān)工作人員基本信息，再單擊確認(rèn)便可以完成添加新站點(diǎn)的任務(wù)。

2.3.4 數(shù)據(jù)接口的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

為了避免在添加新計(jì)量站的過(guò)程中可能會(huì)采用其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的情況并進(jìn)一步提高系統(tǒng)的拓展性，需要對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行開(kāi)放設(shè)計(jì)，既能增強(qiáng)系統(tǒng)的拓展性，也可實(shí)現(xiàn)跟其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享。該系統(tǒng)接口由數(shù)據(jù)庫(kù)接口和表現(xiàn)層接口2個(gè)部分組成。其中，數(shù)據(jù)庫(kù)接口可以接收其他系統(tǒng)傳來(lái)的數(shù)據(jù)和信息，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)計(jì)量站監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息交互。表現(xiàn)層接口可以與短信系統(tǒng)、郵件系統(tǒng)及管道系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成和融合，可以方便用戶(hù)使用。集輸信息管理系統(tǒng)的外部數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)情況見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)情況

2.3.5 用戶(hù)安全登錄的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

該集輸信息管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用的是B/S結(jié)構(gòu)，用戶(hù)可通過(guò)瀏覽器進(jìn)行登錄訪問(wèn)，這雖便于使用，但也降低了系統(tǒng)的安全性。因此，對(duì)集輸信息管理系統(tǒng)的登錄驗(yàn)證進(jìn)行安全處理，劃分用戶(hù)權(quán)限，以保障系統(tǒng)的安全。同時(shí)，該系統(tǒng)采用用戶(hù)名密碼+USBKey雙重認(rèn)證法，可有效避免因用戶(hù)名+密碼方法認(rèn)證簡(jiǎn)單而給系統(tǒng)帶來(lái)巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn)。系統(tǒng)管理員可以給每位用戶(hù)設(shè)計(jì)專(zhuān)屬的權(quán)限及加密鎖且加密鎖是唯一的密鑰，即在登錄驗(yàn)證身份時(shí)，不僅要驗(yàn)證用戶(hù)名及密碼，而且也要驗(yàn)證密碼鎖是否匹配，這進(jìn)一步提高了集輸信息管理系統(tǒng)的登錄安全性。該集輸信息管理系統(tǒng)的登錄驗(yàn)證流程如圖4所示。

圖4 登錄驗(yàn)證流程

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在“數(shù)字油田”、“數(shù)字石化”等理念不斷普及發(fā)展的背景下，石油化工企業(yè)之間的信息化競(jìng)賽已然開(kāi)始，其中天然氣集輸工程的信息化是一個(gè)重點(diǎn)工程。因此，為了能在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中站穩(wěn)腳跟，石油化工企業(yè)就需要結(jié)合自身的實(shí)際發(fā)展需要，加大對(duì)天然氣集輸?shù)男畔⒒度?，?gòu)建統(tǒng)一的綜合化集輸信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)集輸信息資源的共享及最大化利用，提高石油化工企業(yè)的運(yùn)行效率及管理水平，從而謀求更大的發(fā)展空間。