智能管道物聯網網絡層構建技術

　　摘要：隨著國家工業 4.0 的發展規劃，油氣管道不斷向智能化建設、運行管理發展，而智能管道實現的前提是實現油氣管道各部件的標識、狀態、位置及環境狀態的信息采集，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網，物聯網網絡層構建包括多種通信技術，需根據數據的傳輸帶寬、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、衛星通信、微波接力通信等傳統通信技術仍無法滿足油氣管道智能化建設中的海量監測及監測數據的傳輸需求，新興的無線物聯網傳輸技術如 NB-IoT、LORA、ZigBee、北斗短報文等技術將可以在智能管道物聯網網絡層構建中發揮重要作用。

　　本文源自油氣儲運 發表時間：2021-03-18《油氣儲運》(月刊)1977年創刊，本刊是經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，向國內外公開發行的科技期刊，主要刊載石油、天然氣、成品油以及其他介質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，國防、民航、鐵路、交通的油氣儲運部門;市政供排水、煤氣、熱力管網等單位以及有關設計，科研院所，大專院校。

　　關鍵詞：物聯網;網絡層;智能管道;監測;監控

　　近年來，隨著信息技術的飛速發展，互聯網技術、云計算、區塊鏈技術、人工智能等技術得到爆炸式的發展和應用，基于軟件編程和信息技術的智能化、智慧化建設也逐漸涌現[1]，如民用領域的智慧城市、智慧小區、智能家居、智慧物流、智慧醫療，工業領域的智慧車間、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、數據共享、全景可視化展示，精確感知管道安全狀態[4-5]。這一目標是智能管道實現的最基本步驟，也是智能管道實現的物質基礎，只有這一目標達到了，才能實現智慧管道要求的系統融合互聯、各方生產協同聯動、管道運行智能高效、風險預測預警可控、物質供應精準匹配等其他目標[6-7]。而實現這一目標的重要前提是管道及其相關環境、輔助設施等可互聯互通，因此物聯網的建設是智能管道建設的關鍵步驟，也是智能管道的關鍵基礎設施。

　　2005 年，國際電信聯盟最先對物聯網的定義：通過射頻識別(FRID)、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按照約定協議，將任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控及管理的一種網絡[1-3]。國家相關標準對物聯網的定義：通過部署具有一定感知、計算、執行及通信等能力的各種設備，獲得物理世界的信息或對物理世界的物體進行控制，通過網絡實現信息的傳輸、協同及處理，從而實現人與物通信、物與物通信的網絡[4]。物聯網主要包括感知層(或感知延伸層)、網絡層/業務層、應用層[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、環境狀態、位置狀態、性能狀態等。網絡層主要用于將感知層采集的各類數據通過各種無線通信、有線通信、傳輸設備組成的通信網絡將數據傳送至應用層。應用層主要處理感知層獲取的數據并應用于遠程控制、物物的信息交互、存儲、管理等[5]。網絡層是連接被監測物體與后端應用之間的橋梁，也是物聯網建設中涉及范圍廣、建設難度較大的基礎網絡，在此主要針對智能油氣管道的特點和需求，開展構建油氣管道物聯網網絡層的主要技術研究[3]。

　　1 油氣管道物聯網數據特點

　　油氣管道物聯網的總體目標是實現管道數字孿生體與管道物理實體的關聯與融合，進而實現對管道實體的遠程監視和自動控制[6]。油氣管道物聯網的很多前端感知信息與目前常規的油氣管道需要采集和傳輸的數據存在諸多不同。根據實際工程設計，油氣管道需要傳輸的數據基本都是實時(延遲為 ms 級)、較大帶寬(不低于 2 Mbit/s)、雙向(包括上行數據信道和下行控制信道)，因而網絡層基本都是有線傳輸(電纜或光纜)，或傳統的 VSAT 衛星、微波等寬帶雙向無線傳輸系統，這些傳輸系統往往用于連接數據廣域網絡。而為了實現油氣管道智能化，除需要采集傳統的油氣管道泵、閥門、計量設備等關鍵運行數據外，還需采集傳統管道尚未采集的環境監測數據如室內外溫度、濕度、機柜間門窗狀態、照明照度、水侵等;也有必要采集場站輔助設備如污水系統、熱力系統、空調系統、照明系統等輔助系統的工作狀態[6]。為保證管道環境及管道本體狀態被及時感知，需要采集管道沿線信息如高危險區的水文地質狀態、地表人員活動狀態等;需要采集管道本體狀態如內腐蝕狀態、焊口狀態、泄漏狀態等;以及管道沿線地震、滑坡等地質災害狀態;對于穿跨越處，也需實時監測穿跨越關鍵結構件的狀態、管道本體位移狀態等[6-7]。在單個站場內信息采集點可多達上千個，隨著管道長度的增加，所需要的傳感器數量倍增。一個完整的管道數字孿生體構建將涉及成千上萬個傳感器的數據采集及眾多有線、無線傳輸技術織成的數據網絡。

　　需針對不同的數據類型、采用不同的信息傳送技術構建管道物聯網的網絡層。縱觀油氣管道的檢測監測需求，以 180 kb/s 帶寬需求作為數據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場數據可按表 1 進行分類[8]。

　　2 油氣管道現有數據傳輸模式

　　油氣管道現有需要遠程傳輸的數據主要有：語音、主要生產設施的遠程監視和控制數據、視頻、日常辦公網絡數據，這些數據都屬于雙向傳輸、即時性要求、可靠性要求較高，同時帶寬較大，在 2 Mb/s 以上。站內本地只實現了工藝、電氣等關鍵設備的運行數據采集和自動控制，大部分采用有線傳輸方式。廣域網絡采用傳統的光纖通信或衛星和微波通信，這些通信方式均為寬帶、雙向、遠距離傳輸系統[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、雙向傳輸系統建設成本相對較高：需要鋪設大量的電纜、設備耗電較大，需要專門的外部供電系統，因而無法滿足智能管道應有的廣泛感知能力需求。

　　油氣管道現有數據傳輸模式是基于寬帶、數據采集點少等基本需求條件而確定的，因而站內都是采用有線傳輸方式，遠程采用雙向、大容量傳輸系統。但這樣的網絡傳輸模式顯然無法適應數據采集點多、數據量少、非連續雙向的智能管道物聯網數據特點。

　　3 油氣管道物聯網網絡層構建

　　3.1 概述

　　寬帶網絡和窄帶網絡是以接入電路能承載的最大信息速率來區分的，寬帶網絡一般是指帶寬超過 155 kb/s 以上的網絡。目前油氣管道常用的通信傳輸技術均是支持大帶寬的寬帶傳輸技術，如光纖通信、電纜通信、WIFI、衛星通信、微波通信等。2015 年 9 月，國際電聯對外發布了物聯網標準，將 LTE-M (LTE-Machine-to-Machine，基于 LTE 演進的物聯網技術)改名為 NB-IOT(窄帶物聯網)。窄帶物聯網是萬物互聯網絡的一個重要分支，已經通過 3GPP(《第三代伙伴計劃協議》)成為低功耗廣域的標準。窄帶物聯網是由 3GPP 標準化組織定義的一種技術標準，是一種專為物聯網設計的窄帶射頻技術。這種技術可應用于 GSM 網絡(4G 移動網)和 LTE 網絡(5G 移動網)，其網絡接入速度最大為 180 kb/s。目前該技術在中國正處于蓬勃發展階段，以低成本、低功耗及廣連接為特點[3，11]。但適用于物聯網的傳輸技術還有很多：Zigbee，其典型應用如城市智能燈桿[12];LORA 技術，典型應用如泛在電力物聯網[13];藍牙技術，典型應用如智能家居;還包括廣覆蓋的由運營商提供的 GPRS、北斗短報文技術，典型應用如電力、石油管道、海洋船舶等行業[14-15]。

　　3.2 適于油氣管道的物聯網技術

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

　　3.3 智能管道物聯網構建

　　智能管道實現全方位感知，需采集的數據范圍廣，既有管道站場的，也有管道沿線的;既有雙向監控數據，也有單向監測、檢測數據;既有遠距離的，也有近距離的，因此同一管道物聯網網絡層架構往往不可能利用單一的技術實現，需要多種技術相互聯結，滿足各類數據的傳輸需求，同時又能實現經濟高效。典型的管道物聯網網絡層架構系統如下(圖 2)。

　　組建智能管道物聯網網絡時，需考慮傳輸距離、數據流是單向還是雙向。由于站內供電往往比較便利，因此選擇站內網絡技術時，對前端設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、數據流向外，前端設備的功耗也是關鍵考量因素。在所有這些無線物聯網中，有些無線網絡需自行組建，如 LoRa、Wifi、Zigbee、藍牙、NFC、無線集群等。采用自建物聯網網絡層時，可以每個小站獨自組建一個小的局域網絡，采集的數據直接進入站內監視、控制系統，并通過管道沿線的光纖系統將各站聯網為廣域物聯網絡。而那些需要授權頻道的無線物聯網傳輸電路，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據集中傳送至管道監視、控制中心[16-20]。對于自建專用傳送網的技術，如 ZigBee、LORA 等技術，相比租用運營商網絡如 NB-IoT、北斗、GPRS 技術，其數據存儲和傳輸網絡專用，因此數據的保密性和安全性更高。但需要自建基站系統，初期建設成本和后期維護費用也高。因此，在選用物聯網組建技術時，在自建網絡或租用網絡均可用的前提下，主要應考慮數據安全性和保密性。

　　4 結束語

　　物聯網傳送網絡作為智能管道最重要的、必不可少的基礎設施之一，其技術的選用除直接影響初期的工程投資和建設周期外，也會對后期的運行維護難度、實用性產生很大影響，因此物聯網構建技術的選用應協同多專業，基于所采集的數據特性、工藝需求，還需考慮對比技術成熟度、投資成本、建設難度、后期維護量、數據安全性等方面，選用一種或綜合多種技術組合搭建智能管道網絡層，以期為智能管道建設打下堅實的基礎。