Интернет вещей в нефтегазовой сфере: анализ технологии LoRaWAN и возможности прикладного применения

PROНЕФТЬ. Профессионально о нефти. – 2019 - № 2(12). – С. 76-80

УДК 681.518

Д.А. Марисов, А.Ю. Зацепин, Е.А. Марин, А.В. Терлеев, М.Ю. Ларионова
Санкт-Петербургский горный университет

Электронный адрес:  marisovdmitry@gmail.com

Ключевые слова: цифровизация, автоматизация, Интернет вещей (IoT), LoRaWAN

В течение многих лет огромный потенциал Интернета вещей ограничивался техническими барьерами, такими как небольшой срок службы устройств с батарейным питанием, связь на коротких расстояниях, высокая стоимость и отсутствие единых стандартов. В данной статье описаны варианты применения технологии LoRaWAN (LongRange, глобальные сети), которая позволила преодолеть все эти препятствия. Основанная на новой спецификации и новом протоколе для LPWAN технология LoRaWAN позволила подключать датчики на большие расстояния, предлагая оптимальное время автономной работы датчика и минимальные требования к инфраструктуре. Технология LoRaWAN обладает значительным потенциалом для использования на объектах нефтедобычи с целью сокращения непроизводительных затрат времени и ускорения технологических процессов.

Internet of thIngs In the oIl and gas Industry: loraWan technology analysIs & use cases

PRONEFT''. Professional'no o nefti, 2019, no. 2(12), pp. 76-80

D.A. Marisov, A.Y. Zatsepin, E.A. Marin, A.V. Terleev, M.Y. Larionov
St. Petersburg Mining University

E-mail: marisovdmitry@gmail.com

Keywords: digitalization, automation, internet of things (IoT), LoRaWAN

For many years, the enormous potential of the Internet of Things has been constrained by technical constraints, such as the short life span of battery-powered devices, short-range communications, high cost, and the lack of uniform standards. This article describes the technology, called LoRaWAN (Long Range wide-area networks), which allowed to overcome all these obstacles. Based on the new specification and new protocol for LPWAN, LoRaWAN technology allowed connecting sensors over long distances, while offering optimal sensor battery life and minimum infrastructure requirements. The LoRaWAN technology has a significant potential for use for oil production facilities in order to reduce unproductive time and speed up technological processes.

DOI: 10.24887/2587-7399-2019-2-76-80

Введение

Цифровая экономика меняет привычные модели отраслевых рынков, повышает конкурентоспособность их участников. Таким образом цифровизация определяет перспективы роста компаний, отраслей и национальных экономик в целом. Появление цифровых игроков уже изменило облик целых отраслей – туристической, телекоммуникационной, полиграфической, пассажирских перевозок. В последние годы возникли новые термины и концепции, описывающие происходящую цифровую трансформацию. Структуру мира, в том числе промышленного, меняет концепция intelligent enterprise (IE) – набор технологических инноваций, включающий искусственный интеллект (artificial intelligence (AI)), интеллектуальную автоматизацию (intelligent automation (IA)), Интернет вещей (Internet of things (IoT)), предиктивную аналитику и когнитивные вычисления. 

Согласно оценке MGI (McKinsey Global Institute) [1] в ближайшие несколько десятилетий до 50 % рабочих операций в мире будут автоматизированы главным образом посредством повсеместного внедрения технологии Интернета вещей IoT. Интернет вещей представляет собой экосистему устройств, подключенных к единой сетевой инфраструктуре и способных взаимодействовать друг с другом [2]. Число подключенных устройств стремительно растет, оно уже превысило число людей, имеющих доступ к глобальной сети (рис. 1).

Рис. 1. Динамика подключения к интернету IoT устройств (по данным www.brookings.edu)

Технологии беспроводных сетей обладают значительным потенциалом для внедрения на объектах с высокой автономностью, где энергоэффективность оборудования и стабильность передачи данных имеют важнейшее значение. Таким образом, вопрос интеграции решений на основе беспроводных технологий актуален на объектах нефтегазодобычи.

Беспроводные технологии, используемые для iot

Наступающая технологическая революция требует наличия инфраструктуры, способной обеспечить эффективное взаимодействие миллионов «умных» устройств. При этом основным отличием Интернета вещей от привычного нам «Интернета людей» является формат коммуникации. К M2M (Machine to Machine) взаимодействию предъявляется ряд специфических требований: 

  • передача небольших по объему данных;
  • энергоэффективность;
  • возможность подключения устройств в удаленных районах;
  • высокая степень защиты данных;
  • интероперабельность;
  • непроприетарность (открытость).

На сегодняшний день существует множество беспроводных технологий, применяемых для IoT [3]: 

– сети сотовой связи: GSM и 3GPP (CDMA, 3G, 4G); в силу своих особенностей они составляют не более 15 % всех IoT-соединений в мире; 

– технологии для передачи данных на короткие расстояния: PLC, Bluetooth Low Energy (BLE), ZigBee, NFC, RFID, Wi-Fi, которые обеспечивают огромную долю подключений IoT устройств; на эту группу технологий приходится не менее 75 % общего числа подключенных приборов и до 95 % в таких сферах, как потребительская электроника, безопасность и автоматизация зданий. 

Существующие протоколы связи (GSM, Wi-Fi и др.) были разработаны для иных целей (передача большой по объему информации на высокой скорости в ущерб дальности и энергоэффективности) и не соответствуют требованиям Интернета вещей. 

С развитием IoT технологий в отдельный сегмент выделились сети семейства LPWAN (Low Power Wide Area Networks) – энергоэффективные сети большого радиуса действия. Однако на протяжении нескольких лет основной проблемой оставалось отсутствие унифицированного протокола, имеющего поддержку главных игроков рынка. Другими словами, появились десятки схожих по характеристикам, но не совместимых друг с другом протоколов связи. Другая немаловажная проблема – проприетарность каждого протокола, т.е. закрытость технологии (принадлежность только одной компании). В марте 2015 г. исследовательский центр IBM Research и компания Semtech представили новую технологию энергоэффективных сетей дальнего радиуса действия – LoRaWAN (Long Range Wide Area Nerwork), которая имеет ряд преимуществ по сравнению с привычными технологиями для обеспечения М2М-коммуникаций. Сравнение беспроводных технологий приведено на рис. 2.


Рис. 2. Сравнение беспроводных технологий

В течение многих лет огромный потенциал IoT сдерживался техническими проблемами, такими как небольшой срок службы устройств, работающих от батарей, малая дальность связи, высокая стоимость и отсутствие единых стандартов. 

Технология LoRaWAN позволила преодолеть все эти препятствия. На основе новых спецификации и протокола для LPWAN, использующего нелицензируемый диапазон частот, технология LoRaWAN позволила подключатьдатчики на большие расстояния, предлагая при этом оптимальное время автономной работы датчиков и минимальные требования к инфраструктуре. 

К преимуществам LoRaWAN относятся [4]: 

  • использование нелецензируемого диапазона частот 868 МГц, не требующего разрешения и платы за использование;
  • дальность передачи данных до 10 км;
  • высокая энергоэффективность конечных устройств, обеспечивающая срок службы до 10 лет от одной батарейки;
  • архитектура сети, позволяющая легко масштабироваться на различные территории;
  • возможность дистанционного управления и настройка расписания передачи данных от устройств.

Основной недостаток всех беспроводных технологий LPWAN связан с ограниченным размером пакета передаваемых данных и периодичным характером их отправки. В результате технологии невозможно применять для мониторинга параметров в режиме реального времени.

Архитектура сетей  lorawan

Типовую сеть LoRaWAN можно представить в виде конечных устройств - узлов или точек, данные с которых передаются в зашифрованном виде на шлюзы, далее - на сетевой сервер сети, откуда вся необходимая информация поступает к пользователю (рис. 3).


Рис. 3. Архитектура сети LoRaWAN на нефтепромысле

Мониторинг технологических показателей объектов добычи с помощью технологии lorawan

Организация мониторинга технологических параметров и состояния оборудования на базе беспроводных сетей приобретает все большую популярность в автоматизации нефтегазовой индустрии. В первую очередь подобный подход направлен на повышение эффективности и безопасности производственного процесса, а также на снижение капитальных вложений и операционных затрат.

Опыт зарубежных компаний показал, что беспроводной подход к организации беспроводных сетей может быть вполне эффективным. Так, компания BP Bitumnem снизила ежедневные производственные потери на заводах по производству битума более чем на 15000 долл. США за счет внедрения системы автоматизированного мониторинга целостности трубопроводов [5]. Кроме того, при применении систем обнаружения утечек в трубопроводах на месторождениях на базе беспроводных технологий компания BP снизила относительную стоимость таких систем на 50 % и сократила время их внедрения более чем на 90 % по сравнению с аналогичным проводным решением. 

Компания General Electric реализовала кейс по удаленному мониторингу и анализу данных газотурбинных установок, применяемых в том числе для транспорта углеводородов [6]. При эксплуатации таких сложных и дорогостоящих агрегатов необходимо минимизировать число внеплановых остановок и обеспечить своевременное получение данных о техническом состоянии установок. 

Система GE собирает данные о работе турбин, дальше информация поступает в центр обработки, затем специалисты компании принимают решения о целесообразности дальнейшей эксплуатации турбин. Преимуществом является оперативное реагирование на возникающие неполадки. Центр осуществляет мониторинг около 1600 турбин и установок. 

Реализация проекта позволила получить следующие результаты: 

  • снижение трудозатрат на сбор и анализ данных;
  • уменьшение емкости серверов для хранения данных в 10 раз;
  • повышение гибкости и эффективности использования трудовых ресурсов; совокупная экономия средств на оплату труда персонала * 9 млн долл. США в год;
  • снижение затрат на разработку программного обеспечения сторонними разработчиками на 3 млн долл. США;
  • совокупный доход для эксплуатирующих турбины предприятий * 100 млн долл. США в год.

В российском секторе upstream на данном этапе перспективным направлением использования технологии является комплексное обеспечение наземной инфраструктуры устройствами с датчиками LoRaWAN, т.е. организация локальной IoTсети на базе данного протокола M2M-взаимодействия (рис. 4). 


Рис. 4. Мониторинг технологических показателей с использованием сети на базе LoRaWAN

Технология позволяет осуществлять дистанционный мониторинг буферного и затрубного давлений, телеметрию забойного давления и температуры, а также передачу данных с блока местной автоматики, АГЗУ и станции управления. Объекты с датчиками могут находиться на расстоянии до 10 км от базовой станции LoRaWAN. 

Показатели с объектов передаются на телекоммуникационную платформу, далее – на платформу приложения и к пользователю в личный онлайн-кабинет. Полученные данные поступают в зашифрованном виде и могут выгружаться в файл требуемого формата на компьютер пользователя. Следует также отметить возможность мониторинга замеров через мобильное приложение на смартфонах.

Потребность в проведении опытно-промысловых испытаний и дальнейшем использовании технологии LoRaWAN на промыслах обусловлена следующими производственными факторами, снижающими эффективность работы добывающих компаний: 

  • управленческими: лишние перемещения операторов между кустами и скважинами; на новых месторождениях оперативный персонал вынужден работать сразу на нескольких объектах и быть крайне мобильным;
  • экономическими: невозможность дистанционного контроля износа замеряющих устройств для их своевременной замены, что может вызвать непредвиденные аварии оборудования и простои; — технологическими: неточность замеров «на глаз», малая частота замеров, возможность аварий, связанных с человеческим фактором.

В дальнейшем при использовании технологии перспективно создание алгоритмов, в которых выгруженные данные возможно обрабатывать методами машинного обучения с целью: 

  • выбора оптимальной частоты замеров технологических показателей для гидродинамических исследований скважин исходя из параметров конкретных скважин (газосодержание, обводненность, содержание серы и др.);
  • прогнозирования аварий и износа оборудования (превышение устьевого давления относительно предельно допустимого уровня);
  • более своевременного изменения режима работы скважин и проведения необходимых геолого-технических мероприятий и иных скважино-операций.

Результаты обработки данных позволят минимизировать использование проводной связи на объектах подземной и наземной инфраструктуры, повысить эффективность работы персонала, проведения гидродинамических исследований, геолого-технических мероприятий, а также стратегического планирования в средне- и долгосрочной перспективах.

Заключение

В течение многих лет огромный потенциал Интернета вещей IoT сдерживался техническими проблемами, такими как короткий срок службы устройств, работающих от батарей, малой дальностью связи, высокой стоимостью и отсутствием единых стандартов. Технология LoRaWAN позволила преодолеть все эти препятствия. На основе новой спецификации и нового протокола для LPWAN, использующего нелицензируемый диапазон частот, технология LoRaWAN дала возможность подключать датчики на большие расстояния, при оптимальном времени автономной работы датчиков и минимальных требованиях к инфраструктуре. 

В российском секторе upstream перспективным направлением использования технологии является комплексное обеспечение наземного оборудования и инфраструктуры устройствами с датчиками LoRaWAN, т.е. организация локальной IoT-сети на базе данного протокола M2M-взаимодействия. 

Реализация решения позволит снизить затраты и повысить эффективность и безопасность производственного процесса. Рассмотреную технологию можно использовать как основу для создания алгоритмов обработки данных методами машинного обучения и сопутствующего повышения эффективности стратегического планирования в средне- и долгосрочной перспективах.

Список литературы 

  1. Цифровая Россия: Новая реальность  - https://clck.ru/GcPeQ
  2. Черняк Л. Интернет вещей: новые вызовы и новые технологии. – http://www.osp.ru/os/2013/04/13035551 (дата обращения 03.03.2019) 
  3. Обзор рынка IoT в России. Advanced Communications & Media. – http://www.acm-consulting.com/news-and-data/data-downloads/cat_view/12acam.html
  4. Nolan K.E., Guibene W., Kelly M.Y. An Evaluation of Low Power Wide Area Network Technologies for the Internet of Things // Proceeding of International Wireless Communications and Mobile Computing Conference (IWCMC). - 2016 - P. 439-444. 
  5. Павлова З.Х., Краснов А.Н., Балтин Р.Р. Современные технологии приемопередачи измерительной информации для огранизациисерсорныхсетей мониторинга объектов нефтегазовой отрасли // Международный научно-исследовательский журнал. – 2017. – № 5-3 (59). – С. 79-81. 
  6. Мировой опыт внедрения проектов в сфере Индустриального (Промышленного) Интернета вещей / J’son& Partners Consulting // www.crn.ru. – https://www.crn.ru/news/detail.php?ID=115959.

Reference 

  1. Tsifrovaya Rossiya: novaya real'nost' (Digital Russia) https://clck.ru/GcPeQ
  2. Chernyak L., Internet veshchey: novye vyzovy i novye tekhnologii (The Internet of things: New challenges and new technologies), URL: http://www.osp.ru/os/2013/04/13035551
  3. Obzor rynka IoT v Rossii (IoT market review in Russia), URL: http://www.acm-consulting.com/news-and-data/data-downloads/cat_view/12-acam.html
  4. Nolan K.E., Guibene W., Kelly M.Y., An evaluation of low power wide area network technologies for the internet of things, Proceedings of International Wireless Communications and Mobile Computing Conference (IWCMC), 2016, pp. 439–444. 
  5. Pavlova Z.Kh., Krasnov A.N., Baltin R.R., Modern technologies of transmitting measuring information for limitation of serial networks of objects of oil and gas industry monitoring (In Russ.), Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal, 2017, no. 5-3 (59), pp. 79-81. 
  6. Global experience of implementing projects in the field of the Industrial Internet of Things (IIoT). Examples of the implementation cases, J’son& Partners Consulting - https://clck.ru/Gkpsc



Ссылка на статью в русскоязычных источниках:

Д.А. Марисов, А.Ю. Зацепин, Е.А. Марин, А.В. Терлеев, М.Ю. Ларионова. Интернет вещей в нефтегазовой сфере: анализ технологии LoRaWAN и возможности прикладного применения // PROНЕФТЬ. Профессионально о нефти. — 2019 — № 2(12). — С. 76-80.


The reference to this article in English is:

D.A. Marisov, A.Y. Zatsepin, E.A. Marin, A.V. Terleev, M.Y. Larionov. Internet of thIngs In the oIl and gas Industry: loraWan technology analysIs & use cases (In Russ.), PRONEFT''. Professional’no o nefti, 2019, no. 2(12), pp. 76-80.


Авторы статьи: 

Д.А. Марисов, А.Ю. Зацепин, Е.А. Марин, А.В. Терлеев, М.Ю. Ларионова

Санкт-Петербургский горный университет


Возврат к списку