王鑫章，萧 阳，邓 欣，杨 波，崔泽昊

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津 300457)

FPSO111 服役期间进行了多次智能化更新，即对中控系统进行提升，并添加了单点监测系统、变压器在线监测系统、电站监测系统、应急指挥系统等。上述各工控系统、信息系统均采取分批分次、独立开发的模式，各个系统之间形成了“烟囱式”的分布，所有信息系统的数据无法实现统一的管理及调度，数据利用率低、丢失严重，无法为业务系统提供有效支撑。同时在FPSO 管理方面，缺少一个统一平台用于完成FPSO 日常管理、生产控制、应急指挥和宣传展示等。针对以上这些情况，开发出本FPSO 智能管理平台系统，旨在把各现用监测系统接入，实现数据统一管理调用、应用快速开发部署、三维可视化交互等功能，同时FPSO 智能管理平台与陆地FPSO 智控中心、海油发展大数据平台进行对接，以此来实现海陆智能化协同管理。

1.1 FPSO智能管理平台构成

FPSO 智能管理平台建设核心内容主要为：①完成在用数字化系统数据整合；
②设计开发FPSO 智能管理系统；
③设计开发FPSO 智能后台管理系统；
④设计开发三维展示平台；
⑤完成海陆功能对接服务。

1.2 FPSO智能管理平台技术框架

本体系研发所使用的核心技术均是基于J2EE，在确保核心技术成熟稳定的前提下也能够保证一定的技术前瞻性[1]。所使用的B/S 结构能够集中部署、分布式地应用该体系，以便后期体系的更新维护；
采用了MVC 信息系统开发模型，并严格按照SOA 体系架构设计软件功能，在不影响目前信息系统功能正常使用的前提下能够迅速拓展业务软件功能，并针对信息系统实际业务量进行了软件功能拓展，在实现信息系统正常工作需求时做到了成本最低[2]。信息系统分布式部署，各信息系统功能隔离操作，以保障系统整体工作的安全稳定。

1.2.1 Web 端技术栈

前端通过ElementUI/ECharts/DataV/Vue 实现，前端和Controller 的交互数据则基于Json 格式。

使用开源框架ElementUI 统一页面风格，规范页面结构及保证组件规范化，使用SCSS 预编译CSS保证代码的规范化、简洁化；
配置Flexible 并结合Flex 布局实现页面的响应式布局，以兼容不同PC 分辨率；
使用开源ECharts 数据可视化展示插件，以满足不同统计数据展示所需的图表；
采用基于Vue 的大屏数据展示框架DataV，支持多屏协作及大屏拼接，支持8K 以及更高的分辨率。

在Coframe 框架基础上搭配目前广泛使用的用户界面渐进式框架Vue(图1)，同时结合UI 框架ElementUI 作为基础架构。

图1 WEB端技术栈Fig.1 WEB technology stack

基于MVVM 框架Vue 实现数据的自动渲染和双向数据绑定，借助Vue 状态管理完成项目的数据本地存储和共享，提取公共方法在Actions 中集中管理，便于后期维护和扩展。对项目做具体组件拆分，公共模块、通用功能、相对独立的功能点都进行组件化封装，借助Mixin 混入方式调用，方便组件维护及功能扩展。逻辑层采用ES6 编程方式，依托异步处理方法保证逻辑的合理性、顺畅性，同时使用Babel 对ES6 进行编译，以兼容多数浏览器。

1.2.2 业务端技术栈

根据中海油大数据发展平台提供的微服务底层Srping Cloud 做分布式架构二次开发，关系数据库采用开源、支持多操作系统、多线程的同时便于管理的MySql 存储，实时库采用紫金桥实时库产品RealHistorian，提供大容量、可靠性和安全性等保障机制(图2)。

图2 业务端技术栈Fig.2 Business side technology stack

①服务端基于 Springboot、SpringMVC、JPA、SpringData 等先进技术构建，针对较复杂的系统则采用Spring Cloud 对服务进行拆分[3]。

②共4 层分隔：Controller(Facade)/Service/Dao/Entity，其中Facade 主要用于生成Json，以实现和前端的数据交换。

③命名：根据各个功能模块确定各层名称，并保证各层一致。

2.1 在用数字化系统整合

为了便于FPSO 智能化管理系统对数据进行统一管理和展示，需要对现在役各监测系统的数据进行梳理，并确定数据展示范围和存储范围及相关点位信息，将在役各监测系统的监测数据和处理结果数据保存到对应的实时库、关系库中，打破数据壁垒实现数据整合。

2.2 FPSO智能管理系统

FPSO 智能管理系统建设内容主要包括微服务架构搭建、FPSO 智能管理系统开发、系统数据库搭建、信息安全模块开发，系统基于信科提供的微服务架构，开发公共管理模块应用和信息安全模块。系统采用关系数据库和实时数据库构建的方式，将接入子系统的数据和系统处理的数据分别存入实时数据库及关系型数据库(图3)。系统可视化主要是对在役系统页面进行重构和连接，使系统风格一致、界面简洁易懂。

图3 智能管理系统功能架构Fig.3 Functional architecture of intelligent management system

2.2.1 微服务框架建设

基于信科提供微业务框架，采用微业务组件开发模型把一个功能分割为多个业务，服务间彼此协同、互相配合。各种业务均在独立进程中工作，各个业务间使用轻量级沟通机制相互交流，各业务均围绕着具体的业务独立搭建，同时也能够自主地部署。

搭建微服务架构，实现FPSO 智能管理平台服务功能模块化拆分和服务与服务的高度独立，为后续服务接口快速发布部署提供基础。

2.2.2 FPSO 智能管理系统功能模块

FPSO 智能管理系统主要包含主页、变压器监测应用、智能巡检系统、液压阀门监测应用、能源监测应用、人员动态管理应用、单点监测应用、电站监测应用、报表管理系统等部分。

用户主要分为海上监督类角色、海上工程师类角色，陆地总经理类角色、陆地部门主管类角色。为方便海陆管理，海上监督类角色权限等同于陆地部门总经理类角色，海上工程师类角色等同于陆地部门主管类角色。各类角色看到的主页有所变化，主页内容主要为通知公告、设备树一览、报警记录统计、数据联动、审批记录、人员倒班一览、船体三维可视化、单点运动轨迹、动态模块。

根据工程师类角色所具备的不同子系统的权限，可动态在主页展示不同子系统的核心模块，点击此核心模块可下钻到对应的子系统的功能界面。如FPSO的货油舱，由于需要检测舱口的液位，故应检测舱口的油温、气体压强、原油密度等参数，如果某些参数超出预警值[4]，则产生报警信息，系统设有液压阀门监测应用，选择要查询的设备和时间段，展示选中的设备和选中的时间段内报警记录列表，涵盖报警设备位号、设备中文描述、报警时间、报警类型、故障点判断、检修建议、报警记录等报警基本信息。

2.2.3 系统数据库搭建

综合分析在用数字化系统的系统架构及数据结构，将各个在用监测系统的数据接入FPSO 智能管理平台数据库中。在FPSO 智能管理平台数据库中将搭建关系数据库和实时数据库，以其支持各个业务应用依照权限通过数据接口将各自数据存入现场数据池，并支持各个业务应用依照权限通过数据接口在现场数据池中获取各自所需要的数据。

由于电站监测子系统、单点监测子系统、变压器监测子系统、液压阀门管理子系统、能源管理子系统、智能巡检子系统、中控系统产生点位监测数据，故需要建设实时库对各点位监测数据进行接收存储。实时数据库支撑协议内容包括支撑国际标准DDE 协定的国际标准DDE 通信方法、支撑国际标准MODBUS 协定的国际标准MODBUS 通信方法、支撑OPC 协定的国际标准OPC 方法、透过ODBC 协定的国际标准ODBC 通信方法、透过API 开发的专用通信方法和透过开发设备的专用协议驱动方法等。

实时数据库搭建及部署方案简述如下。

2.2.3.1 根据子系统现状开发数据对接协议规则

①变压器监测子系统：变压器开放读库权限，紫金桥直接抽取变压器监测系统关系库中的数据，提取点位信息。

②能源管理子系统：能源通过开发modbus 协议将处理后的数据发送给紫金桥实时库。

③液压阀门监测子系统：中控系统通过OPC 协议传输给紫金桥实时库，紫金桥实时库通过OPC 协议传输给TOM 实时库，子系统调用TOM 实时库对数据处理后再入TOM 实时库，TOM 实时库将处理的数据推送给紫金桥实时库。

④电站监测子系统：电站通过104 规约将点位数据对接到紫金桥实时库。

⑤中控系统：中控系统以OPC 协议对接点位信息数据到实时库中。

⑥单点监测子系统：单点新增的数据通过程序或数据库触发器推送数据到单点关系数据库中，紫金桥通过开发工具去单点关系数据库抽取数据。

⑦智能巡检子系统：智能巡检开放数据库读权限，用ETL 工具抽取数据到数据平台。

⑧人员动态管理系统：人员管理系统开放数据库读取权限，通过ETL 抽取工具将数据抽取到数据平台。⑨报表管理系统：配置主从复制形式，将数据实时同步更新到数据平台。

2.2.3.2 数据交互

实时库存储在役监测子系统所有点位信息；
实时库对外采用标准互联网协议，如HTTP、TCP/IP 等，传输XML 数据(SOAP 方式)格式的Web Service 接口，可通过点位名称查询点位内所有信息。

变压器监测子系统、电站监测子系统、能源管理子系统、单点监测子系统、液压阀门监测子系统，使用约定的数据传输协议将数据传输到实时库中，或通过抽取工具将关系库抽取到实时库中。实时库通过文件备份形式备份到备份服务器内。海上实时库和陆地实时库之间通过网络进行数据单向同步，支持无损压缩和断点续传能力。

由于智能巡检管理子系统、报表管理工作子系统、人事信息管理子系统等产生业务逻辑数据，故需要建设关系库对业务逻辑数据进行存储，进而实现将各个在役子系统的数据接入现场数据池中。关系数据库采用MySQL 企业数据库操作系统，MySQL 是一款开放式源代码的关系式企业数据库管理操作系统(RDBMS)，通过最常见的企业数据库信息管理编程语言——构造化数据库查询语句(SQL)，实现了企业数据库管理操作系统。

关系数据库使用主从复制同步备份机制，从库中得到二个线程、一个I/O 线程和一个SQL 线程；
I/O线程去请求主库的binlog，并把获得的binlog 日志打入relay log(中继日志)文档中；
主库会产生一条log dump 线程，用来给从库i/o 线程传送b inlog；
SQL 线程会读取relay log 文档中的日志内容，并分解为具体操作，来实现主从的操作结果一致，与最终数据保持一致(图4)。

图4 主从复制机制Fig.4 Master/slave replication mechanism

2.2.4 信息安全模块开发

在数据传送、保存和调取使用过程中要确保所有数据不会发生被篡改、破坏、泄漏等情况，假如出现这些情况也能及时、迅速地发现并有效应对，以保证通信数据完整性。

稳定性高的开发平台、相应的保密安全措施、严密的授权管理制度和使用公司域限制，使得非法用户永远无法进入本系统，但同时合法应用也可以完成在其授权或许可区域内的正常运行，主要在访问安全和数据安全设计方面。

2.3 FPSO后台管理系统

为降低管理功能的重复开发，并增加对系统资源的有效共享，从部署在海上各子系统权限管理部分中提取出来形成一个公共管理模块，以组成后台管理。公共管理模块建设指将各子系统均有涉及的用户管理、权限管理、文件管理、日志管理、系统参数管理和异常告警功能模块进行模块化拆分和独立开发调用(图5)。

图5 后台管理系统功能架构Fig.5 Functional architecture of background management system

功能独立性是通过设计独立功能又与其他功能之间不会产生过多联系的功能模块来达到的。每个功能模块都只包含该软件要求的一种具体子功能，功能模块的界面更加简洁、容易编制，而单独的职能模块也更加方便于测试与维修。

2.4 FPSO智控中心大屏可视化

对现役子系统核心监测数据进行可视化展示、分析，建设智控中心大屏展示系统，适配智控中心大屏。由于大屏展示屏幕的特殊化，平台采用以下技术实现对大屏可视化展现：

①基于HTML5+CSS3+ES6 完成大屏系统的基础架构；

②利用px2rem 实现页面的响应式，以适配不同分辨率；

③以渐进式框架Vue 作为数据渲染基础；

④使用大屏组件dataV+echarts 实现各类图表、列表、动态炫酷效果的大屏展示界面；

⑤利用websocket 技术实现大屏数据实时更新，支持局部更新。

2.5 海陆功能部署及数据对接服务

海上部署一套FPSO 智能管理系统，包括公共管理模块部署、原各监测系统数据可视化部署。陆地也部署一套FPSO 智能管理系统，包括陆地公共管理模块部署、陆地原各监测系统数据可视化部署、智控中心大屏部署等。

海陆各部署FPSO 智能管理系统，需要对数据采取压缩、加密、断点续传等方式，从而保障海陆数据有效传输。为防止出现因操作失误和系统故障而造成数据损失，海上边缘的计算平台设有一台主机服务器和一台热备服务器，陆地智控中心配置一台主服务器；
海上与陆地之间的服务器应用实现远程访问，数据异时同步，并且实现数据灾备[5]。

3.1 结构性强

操作系统在总体设计上采取了分层架构，由5 层架构和多个可视化平台构成，层次分明。系统采用统一的调度平台实现集中控制，整套系统体系结构简洁清晰，与业务逻辑和功能模块一一对应(图6)。

图6 系统架构Fig.6 System architecture

3.2 扩展性好

系统在总体设计上充分考虑了用户及未来社会对行业发展趋势的最新要求，并针对系统各种功能实行了模块化设计，各个模块均按照同一套规范进行开发，以方便系统统一管理与调整，系统也具有较完善的可扩展性。

3.3 实用性强

本系统设计时采用了目前国际上比较领先而且开放性良好的软件技术，并采取了模块化的组织方法，从而使得整个系统拥有完善的可扩展性，在不同模块之间利用精心设计的连接方式实现通信，并充分考虑到未来服务范围拓展的需求而保留了大量接口。

整个控制系统采用B/S 结构，操作页面简单明了，使用网页浏览器便可以完成数据显示、各种查询操作。另外，结果显示通过表或图的表现形式，让使用者一目了然。由于这个模型通过统一的客户端服务器把系统功能的核心聚集在客户端服务器上，简化了操作系统研发、日常应用和后期维修及其成本。

3.4 安全性高

从目前计算机网络设施的实际状况和发展情况来看，在安全保密方面，按照中海油总公司的管理标准和安全测试规范，采取服务器的安全配置审核、病毒扫描、帐号密码保护策略(如密码复杂性策略和账户锁定策略)、系统登录和运行日志审核、系统漏洞扫描和检查等多种技术手段，避免了系统数据被盗取和纂改[6]。

除针对以上病毒、黑客侵入等常见危险外，信息系统的安全要求还反映在应用中对数据的访问权限上，控制系统设计时将重点在按照对应的工作需要给不同类别和层级使用、对不同数据分配适当的访问权限，并设计“基于角色的层级化权限控制”，限制力度必须能够满足页面层级和控件等级。

FPSO 智能管理平台将在役监测系统接入，以实现数据统一管理调用、应用快速开发部署、三维可视化交互等功能，同时FPSO 智能管理平台与陆地FPSO 智控中心、海油发展大数据平台进行对接，实现了海陆智能化协同管理、操作运营的数据治理、应用敏捷开发、结果灵活呈现等功能，且能够支撑多条FPSO 同时运营。

通过搭建FPSO 智能管理平台，建设一套海上实时库与一套海上关系库，对海上直接产生的数据进行存储，同时与陆地数据库进行数据同步，实现海上数据整合。建设一套海上公共管理模块，涵盖公共管理模块界面可视化、权限控制管理、数据调用标准等，为将来新应用接入提供标准，系统提供数据时可进行可视化配置，降低了系统运维难度，并提高了管理员管理效率。

FPSO 作为全球海洋油气发展中十分关键的基础设施，设备众多、工艺复杂，为国家能源建设发挥着重要的作用。本文通过开发FPSO 智能管理平台，针对性地解决了FPSO 现场数据无法互通的问题，实现了数据统一管理调用，并在数据统一管理的基础上整合了数字化系统，实现了应用快速开发部署。同时，FPSO 智能管理平台与陆地FPSO 智控中心、海油发展大数据平台进行对接，实现了海陆智能化协同管理。

在FPSO 智能管理平台的设计和开发中充分利用了云计算、微服务、时序数据库等最新的信息技术及成果，在一定程度上有利于FPSO 设施资产和数据资产的管理，提升了海洋油气生产的监控和管理水平，对深入研究FPSO 系统具有必要的促进作用。

FPSO 智能管理平台的开发和应用对现场生产提效、生产运营优化、HSE 管理精细化等众多方面的研究均建立了平台基础，是FPSO 系统创新方面的有益尝试。■

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