智能管道物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建技術(shù)

　　摘要：隨著國家工業(yè) 4.0 的發(fā)展規(guī)劃，油氣管道不斷向智能化建設(shè)、運行管理發(fā)展，而智能管道實現(xiàn)的前提是實現(xiàn)油氣管道各部件的標識、狀態(tài)、位置及環(huán)境狀態(tài)的信息采集，進而通過計算判斷和指令控制。而所有這些信息的采集和指令的傳送均離不開物聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建包括多種通信技術(shù)，需根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸帶寬、實時性、可靠性要求以及傳輸距離等要求來確定。目前常用的光纖通信、衛(wèi)星通信、微波接力通信等傳統(tǒng)通信技術(shù)仍無法滿足油氣管道智能化建設(shè)中的海量監(jiān)測及監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸需求，新興的無線物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)如 NB-IoT、LORA、ZigBee、北斗短報文等技術(shù)將可以在智能管道物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建中發(fā)揮重要作用。

　　本文源自油氣儲運 發(fā)表時間：2021-03-18《油氣儲運》(月刊)1977年創(chuàng)刊，本刊是經(jīng)國家科委和新聞出版署批準出版，由中國石油天然氣股份有限公司管道分公司主辦，向國內(nèi)外公開發(fā)行的科技期刊，主要刊載石油、天然氣、成品油以及其他介質(zhì)輸送和儲存工程等方面的科技文章。面向全國的石油、石化系統(tǒng)，國防、民航、鐵路、交通的油氣儲運部門;市政供排水、煤氣、熱力管網(wǎng)等單位以及有關(guān)設(shè)計，科研院所，大專院校。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)層;智能管道;監(jiān)測;監(jiān)控

　　近年來，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算、區(qū)塊鏈技術(shù)、人工智能等技術(shù)得到爆炸式的發(fā)展和應(yīng)用，基于軟件編程和信息技術(shù)的智能化、智慧化建設(shè)也逐漸涌現(xiàn)[1]，如民用領(lǐng)域的智慧城市、智慧小區(qū)、智能家居、智慧物流、智慧醫(yī)療，工業(yè)領(lǐng)域的智慧車間、智慧工廠、智慧油田等[1-3]。

　　智能管道的目標之一：感知交互可視、精確采集管道信息、數(shù)據(jù)共享、全景可視化展示，精確感知管道安全狀態(tài)[4-5]。這一目標是智能管道實現(xiàn)的最基本步驟，也是智能管道實現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，只有這一目標達到了，才能實現(xiàn)智慧管道要求的系統(tǒng)融合互聯(lián)、各方生產(chǎn)協(xié)同聯(lián)動、管道運行智能高效、風(fēng)險預(yù)測預(yù)警可控、物質(zhì)供應(yīng)精準匹配等其他目標[6-7]。而實現(xiàn)這一目標的重要前提是管道及其相關(guān)環(huán)境、輔助設(shè)施等可互聯(lián)互通，因此物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)是智能管道建設(shè)的關(guān)鍵步驟，也是智能管道的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。

　　2005 年，國際電信聯(lián)盟最先對物聯(lián)網(wǎng)的定義：通過射頻識別(FRID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按照約定協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控及管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1-3]。國家相關(guān)標準對物聯(lián)網(wǎng)的定義：通過部署具有一定感知、計算、執(zhí)行及通信等能力的各種設(shè)備，獲得物理世界的信息或?qū)ξ锢硎澜绲奈矬w進行控制，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息的傳輸、協(xié)同及處理，從而實現(xiàn)人與物通信、物與物通信的網(wǎng)絡(luò)[4]。物聯(lián)網(wǎng)主要包括感知層(或感知延伸層)、網(wǎng)絡(luò)層/業(yè)務(wù)層、應(yīng)用層[3-4]。感知層包括各種傳感器、攝像機等，感知并采集物體工作狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)、位置狀態(tài)、性能狀態(tài)等。網(wǎng)絡(luò)層主要用于將感知層采集的各類數(shù)據(jù)通過各種無線通信、有線通信、傳輸設(shè)備組成的通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至應(yīng)用層。應(yīng)用層主要處理感知層獲取的數(shù)據(jù)并應(yīng)用于遠程控制、物物的信息交互、存儲、管理等[5]。網(wǎng)絡(luò)層是連接被監(jiān)測物體與后端應(yīng)用之間的橋梁，也是物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中涉及范圍廣、建設(shè)難度較大的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，在此主要針對智能油氣管道的特點和需求，開展構(gòu)建油氣管道物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的主要技術(shù)研究[3]。

　　1 油氣管道物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)特點

　　油氣管道物聯(lián)網(wǎng)的總體目標是實現(xiàn)管道數(shù)字孿生體與管道物理實體的關(guān)聯(lián)與融合，進而實現(xiàn)對管道實體的遠程監(jiān)視和自動控制[6]。油氣管道物聯(lián)網(wǎng)的很多前端感知信息與目前常規(guī)的油氣管道需要采集和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)存在諸多不同。根據(jù)實際工程設(shè)計，油氣管道需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)基本都是實時(延遲為 ms 級)、較大帶寬(不低于 2 Mbit/s)、雙向(包括上行數(shù)據(jù)信道和下行控制信道)，因而網(wǎng)絡(luò)層基本都是有線傳輸(電纜或光纜)，或傳統(tǒng)的 VSAT 衛(wèi)星、微波等寬帶雙向無線傳輸系統(tǒng)，這些傳輸系統(tǒng)往往用于連接數(shù)據(jù)廣域網(wǎng)絡(luò)。而為了實現(xiàn)油氣管道智能化，除需要采集傳統(tǒng)的油氣管道泵、閥門、計量設(shè)備等關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)外，還需采集傳統(tǒng)管道尚未采集的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)如室內(nèi)外溫度、濕度、機柜間門窗狀態(tài)、照明照度、水侵等;也有必要采集場站輔助設(shè)備如污水系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)的工作狀態(tài)[6]。為保證管道環(huán)境及管道本體狀態(tài)被及時感知，需要采集管道沿線信息如高危險區(qū)的水文地質(zhì)狀態(tài)、地表人員活動狀態(tài)等;需要采集管道本體狀態(tài)如內(nèi)腐蝕狀態(tài)、焊口狀態(tài)、泄漏狀態(tài)等;以及管道沿線地震、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害狀態(tài);對于穿跨越處，也需實時監(jiān)測穿跨越關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的狀態(tài)、管道本體位移狀態(tài)等[6-7]。在單個站場內(nèi)信息采集點可多達上千個，隨著管道長度的增加，所需要的傳感器數(shù)量倍增。一個完整的管道數(shù)字孿生體構(gòu)建將涉及成千上萬個傳感器的數(shù)據(jù)采集及眾多有線、無線傳輸技術(shù)織成的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

　　需針對不同的數(shù)據(jù)類型、采用不同的信息傳送技術(shù)構(gòu)建管道物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層。縱觀油氣管道的檢測監(jiān)測需求，以 180 kb/s 帶寬需求作為數(shù)據(jù)窄帶與寬帶的分界線[3]，智能油氣管道目前需要采集的永久性現(xiàn)場數(shù)據(jù)可按表 1 進行分類[8]。

　　2 油氣管道現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸模式

　　油氣管道現(xiàn)有需要遠程傳輸?shù)臄?shù)據(jù)主要有：語音、主要生產(chǎn)設(shè)施的遠程監(jiān)視和控制數(shù)據(jù)、視頻、日常辦公網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都屬于雙向傳輸、即時性要求、可靠性要求較高，同時帶寬較大，在 2 Mb/s 以上。站內(nèi)本地只實現(xiàn)了工藝、電氣等關(guān)鍵設(shè)備的運行數(shù)據(jù)采集和自動控制，大部分采用有線傳輸方式。廣域網(wǎng)絡(luò)采用傳統(tǒng)的光纖通信或衛(wèi)星和微波通信，這些通信方式均為寬帶、雙向、遠距離傳輸系統(tǒng)[9-11]。

　　在典型的油氣管道通信傳輸方式拓撲圖(圖 1)中，這些大帶寬、雙向傳輸系統(tǒng)建設(shè)成本相對較高：需要鋪設(shè)大量的電纜、設(shè)備耗電較大，需要專門的外部供電系統(tǒng)，因而無法滿足智能管道應(yīng)有的廣泛感知能力需求。

　　油氣管道現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸模式是基于寬帶、數(shù)據(jù)采集點少等基本需求條件而確定的，因而站內(nèi)都是采用有線傳輸方式，遠程采用雙向、大容量傳輸系統(tǒng)。但這樣的網(wǎng)絡(luò)傳輸模式顯然無法適應(yīng)數(shù)據(jù)采集點多、數(shù)據(jù)量少、非連續(xù)雙向的智能管道物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)特點。

　　3 油氣管道物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建

　　3.1 概述

　　寬帶網(wǎng)絡(luò)和窄帶網(wǎng)絡(luò)是以接入電路能承載的最大信息速率來區(qū)分的，寬帶網(wǎng)絡(luò)一般是指帶寬超過 155 kb/s 以上的網(wǎng)絡(luò)。目前油氣管道常用的通信傳輸技術(shù)均是支持大帶寬的寬帶傳輸技術(shù)，如光纖通信、電纜通信、WIFI、衛(wèi)星通信、微波通信等。2015 年 9 月，國際電聯(lián)對外發(fā)布了物聯(lián)網(wǎng)標準，將 LTE-M (LTE-Machine-to-Machine，基于 LTE 演進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù))改名為 NB-IOT(窄帶物聯(lián)網(wǎng))。窄帶物聯(lián)網(wǎng)是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支，已經(jīng)通過 3GPP(《第三代伙伴計劃協(xié)議》)成為低功耗廣域的標準。窄帶物聯(lián)網(wǎng)是由 3GPP 標準化組織定義的一種技術(shù)標準，是一種專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的窄帶射頻技術(shù)。這種技術(shù)可應(yīng)用于 GSM 網(wǎng)絡(luò)(4G 移動網(wǎng))和 LTE 網(wǎng)絡(luò)(5G 移動網(wǎng))，其網(wǎng)絡(luò)接入速度最大為 180 kb/s。目前該技術(shù)在中國正處于蓬勃發(fā)展階段，以低成本、低功耗及廣連接為特點[3，11]。但適用于物聯(lián)網(wǎng)的傳輸技術(shù)還有很多：Zigbee，其典型應(yīng)用如城市智能燈桿[12];LORA 技術(shù)，典型應(yīng)用如泛在電力物聯(lián)網(wǎng)[13];藍牙技術(shù)，典型應(yīng)用如智能家居;還包括廣覆蓋的由運營商提供的 GPRS、北斗短報文技術(shù)，典型應(yīng)用如電力、石油管道、海洋船舶等行業(yè)[14-15]。

　　3.2 適于油氣管道的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

　　根據(jù)以上對油氣管道物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)特點分析，油氣管道存在很多非實時性窄帶數(shù)據(jù)的采集和傳輸需求，如機柜間、配電間等的環(huán)境溫度、濕度、水侵，場站照度等數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)的采集沒有必要一天 24 h 連續(xù)不間斷采集，且這些數(shù)據(jù)如果采用傳統(tǒng)有線方式，則場站內(nèi)需要鋪設(shè)大量的數(shù)據(jù)電纜，不僅初期建設(shè)投資大，而且后期電纜維護量非常高，因而可以采取定期監(jiān)測或非定時的事件觸發(fā)式采集方式，利用無線窄帶物聯(lián)網(wǎng)傳送技術(shù)構(gòu)建站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)層。管道沿線穿跨越結(jié)構(gòu)件的性能長輸、管道腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)、陰極保護數(shù)據(jù)等也沒有必要 24 h 不間斷進行數(shù)據(jù)傳輸分析，且管道沿線前端采集設(shè)備供電不便，因此需考慮采用低功耗的前端傳感設(shè)備以及無線傳輸技術(shù)，避免代價昂貴的有線傳輸技術(shù)。目前技術(shù)成熟的無線物聯(lián)網(wǎng)傳送技術(shù)主要有以下幾種[3，12-16]，各種技術(shù)在油氣管道物聯(lián)網(wǎng)上的適應(yīng)性如下(表 2)。

　　3.3 智能管道物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建

　　智能管道實現(xiàn)全方位感知，需采集的數(shù)據(jù)范圍廣，既有管道站場的，也有管道沿線的;既有雙向監(jiān)控數(shù)據(jù)，也有單向監(jiān)測、檢測數(shù)據(jù);既有遠距離的，也有近距離的，因此同一管道物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層架構(gòu)往往不可能利用單一的技術(shù)實現(xiàn)，需要多種技術(shù)相互聯(lián)結(jié)，滿足各類數(shù)據(jù)的傳輸需求，同時又能實現(xiàn)經(jīng)濟高效。典型的管道物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層架構(gòu)系統(tǒng)如下(圖 2)。

　　組建智能管道物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)時，需考慮傳輸距離、數(shù)據(jù)流是單向還是雙向。由于站內(nèi)供電往往比較便利，因此選擇站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時，對前端設(shè)備耗電的考慮可以弱化。但是對于管道沿線，由于供電不便，除了考慮傳輸距離、數(shù)據(jù)流向外，前端設(shè)備的功耗也是關(guān)鍵考量因素。在所有這些無線物聯(lián)網(wǎng)中，有些無線網(wǎng)絡(luò)需自行組建，如 LoRa、Wifi、Zigbee、藍牙、NFC、無線集群等。采用自建物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層時，可以每個小站獨自組建一個小的局域網(wǎng)絡(luò)，采集的數(shù)據(jù)直接進入站內(nèi)監(jiān)視、控制系統(tǒng)，并通過管道沿線的光纖系統(tǒng)將各站聯(lián)網(wǎng)為廣域物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。而那些需要授權(quán)頻道的無線物聯(lián)網(wǎng)傳輸電路，一般由運營商組建，如 GPRS、北斗、NB-IoT 等，傳輸電路可直接從運營商處租用(圖 3)，從運營商的云計算中心或邊緣計算中心通過專線電路將采集的數(shù)據(jù)集中傳送至管道監(jiān)視、控制中心[16-20]。對于自建專用傳送網(wǎng)的技術(shù)，如 ZigBee、LORA 等技術(shù)，相比租用運營商網(wǎng)絡(luò)如 NB-IoT、北斗、GPRS 技術(shù)，其數(shù)據(jù)存儲和傳輸網(wǎng)絡(luò)專用，因此數(shù)據(jù)的保密性和安全性更高。但需要自建基站系統(tǒng)，初期建設(shè)成本和后期維護費用也高。因此，在選用物聯(lián)網(wǎng)組建技術(shù)時，在自建網(wǎng)絡(luò)或租用網(wǎng)絡(luò)均可用的前提下，主要應(yīng)考慮數(shù)據(jù)安全性和保密性。

　　4 結(jié)束語

　　物聯(lián)網(wǎng)傳送網(wǎng)絡(luò)作為智能管道最重要的、必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施之一，其技術(shù)的選用除直接影響初期的工程投資和建設(shè)周期外，也會對后期的運行維護難度、實用性產(chǎn)生很大影響，因此物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建技術(shù)的選用應(yīng)協(xié)同多專業(yè)，基于所采集的數(shù)據(jù)特性、工藝需求，還需考慮對比技術(shù)成熟度、投資成本、建設(shè)難度、后期維護量、數(shù)據(jù)安全性等方面，選用一種或綜合多種技術(shù)組合搭建智能管道網(wǎng)絡(luò)層，以期為智能管道建設(shè)打下堅實的基礎(chǔ)。