智能管道物联网网络层构建技术
摘要：随着国家工业 4.0 的发展规划，油气管道不断向智能化建设、运行管理发展，而智能管道实现的前提是实现油气管道各部件的标识、状态、位置及环境状态的信息采集，进而通过计算判断和指令控制。而所有这些信息的采集和指令的传送均离不开物联网，物联网网络层构建包括多种通信技术，需根据数据的传输带宽、实时性、可靠性要求以及传输距离等要求来确定。目前常用的光纤通信、卫星通信、微波接力通信等传统通信技术仍无法满足油气管道智能化建设中的海量监测及监测数据的传输需求，新兴的无线物联网传输技术如 NB-IoT、LORA、ZigBee、北斗短报文等技术将可以在智能管道物联网网络层构建中发挥重要作用。
本文源自油气储运 发表时间：2021-03-18《油气储运》(月刊)1977年创刊，本刊是经国家科委和新闻出版署批准出版，由中国石油天然气股份有限公司管道分公司主办，向国内外公开发行的科技期刊，主要刊载石油、天然气、成品油以及其他介质输送和储存工程等方面的科技文章。面向全国的石油、石化系统，国防、民航、铁路、交通的油气储运部门;市政供排水、煤气、热力管网等单位以及有关设计，科研院所，大专院校。
关键词：物联网;网络层;智能管道;监测;监控
近年来，随着信息技术的飞速发展，互联网技术、云计算、区块链技术、人工智能等技术得到爆炸式的发展和应用，基于软件编程和信息技术的智能化、智慧化建设也逐渐涌现[1]，如民用领域的智慧城市、智慧小区、智能家居、智慧物流、智慧医疗，工业领域的智慧车间、智慧工厂、智慧油田等[1-3]。
智能管道的目标之一：感知交互可视、精确采集管道信息、数据共享、全景可视化展示，精确感知管道安全状态[4-5]。这一目标是智能管道实现的最基本步骤，也是智能管道实现的物质基础，只有这一目标达到了，才能实现智慧管道要求的系统融合互联、各方生产协同联动、管道运行智能高效、风险预测预警可控、物质供应精准匹配等其他目标[6-7]。而实现这一目标的重要前提是管道及其相关环境、辅助设施等可互联互通，因此物联网的建设是智能管道建设的关键步骤，也是智能管道的关键基础设施。
2005 年，国际电信联盟最先对物联网的定义：通过射频识别(FRID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定协议，将任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控及管理的一种网络[1-3]。国家相关标准对物联网的定义：通过部署具有一定感知、计算、执行及通信等能力的各种设备，获得物理世界的信息或对物理世界的物体进行控制，通过网络实现信息的传输、协同及处理，从而实现人与物通信、物与物通信的网络[4]。物联网主要包括感知层(或感知延伸层)、网络层/业务层、应用层[3-4]。感知层包括各种传感器、摄像机等，感知并采集物体工作状态、环境状态、位置状态、性能状态等。网络层主要用于将感知层采集的各类数据通过各种无线通信、有线通信、传输设备组成的通信网络将数据传送至应用层。应用层主要处理感知层获取的数据并应用于远程控制、物物的信息交互、存储、管理等[5]。网络层是连接被监测物体与后端应用之间的桥梁，也是物联网建设中涉及范围广、建设难度较大的基础网络，在此主要针对智能油气管道的特点和需求，开展构建油气管道物联网网络层的主要技术研究[3]。
1 油气管道物联网数据特点
油气管道物联网的总体目标是实现管道数字孪生体与管道物理实体的关联与融合，进而实现对管道实体的远程监视和自动控制[6]。油气管道物联网的很多前端感知信息与目前常规的油气管道需要采集和传输的数据存在诸多不同。根据实际工程设计，油气管道需要传输的数据基本都是实时(延迟为 ms 级)、较大带宽(不低于 2 Mbit/s)、双向(包括上行数据信道和下行控制信道)，因而网络层基本都是有线传输(电缆或光缆)，或传统的 VSAT 卫星、微波等宽带双向无线传输系统，这些传输系统往往用于连接数据广域网络。而为了实现油气管道智能化，除需要采集传统的油气管道泵、阀门、计量设备等关键运行数据外，还需采集传统管道尚未采集的环境监测数据如室内外温度、湿度、机柜间门窗状态、照明照度、水侵等;也有必要采集场站辅助设备如污水系统、热力系统、空调系统、照明系统等辅助系统的工作状态[6]。为保证管道环境及管道本体状态被及时感知，需要采集管道沿线信息如高危险区的水文地质状态、地表人员活动状态等;需要采集管道本体状态如内腐蚀状态、焊口状态、泄漏状态等;以及管道沿线地震、滑坡等地质灾害状态;对于穿跨越处，也需实时监测穿跨越关键结构件的状态、管道本体位移状态等[6-7]。在单个站场内信息采集点可多达上千个，随着管道长度的增加，所需要的传感器数量倍增。一个完整的管道数字孪生体构建将涉及成千上万个传感器的数据采集及众多有线、无线传输技术织成的数据网络。
需针对不同的数据类型、采用不同的信息传送技术构建管道物联网的网络层。纵观油气管道的检测监测需求，以 180 kb/s 带宽需求作为数据窄带与宽带的分界线[3]，智能油气管道目前需要采集的永久性现场数据可按表 1 进行分类[8]。
2 油气管道现有数据传输模式
油气管道现有需要远程传输的数据主要有：语音、主要生产设施的远程监视和控制数据、视频、日常办公网络数据，这些数据都属于双向传输、即时性要求、可靠性要求较高，同时带宽较大，在 2 Mb/s 以上。站内本地只实现了工艺、电气等关键设备的运行数据采集和自动控制，大部分采用有线传输方式。广域网络采用传统的光纤通信或卫星和微波通信，这些通信方式均为宽带、双向、远距离传输系统[9-11]。
在典型的油气管道通信传输方式拓扑图(图 1)中，这些大带宽、双向传输系统建设成本相对较高：需要铺设大量的电缆、设备耗电较大，需要专门的外部供电系统，因而无法满足智能管道应有的广泛感知能力需求。
油气管道现有数据传输模式是基于宽带、数据采集点少等基本需求条件而确定的，因而站内都是采用有线传输方式，远程采用双向、大容量传输系统。但这样的网络传输模式显然无法适应数据采集点多、数据量少、非连续双向的智能管道物联网数据特点。
3 油气管道物联网网络层构建
3.1 概述
宽带网络和窄带网络是以接入电路能承载的最大信息速率来区分的，宽带网络一般是指带宽超过 155 kb/s 以上的网络。目前油气管道常用的通信传输技术均是支持大带宽的宽带传输技术，如光纤通信、电缆通信、WIFI、卫星通信、微波通信等。2015 年 9 月，国际电联对外发布了物联网标准，将 LTE-M (LTE-Machine-to-Machine，基于 LTE 演进的物联网技术)改名为 NB-IOT(窄带物联网)。窄带物联网是万物互联网络的一个重要分支，已经通过 3GPP(《第三代伙伴计划协议》)成为低功耗广域的标准。窄带物联网是由 3GPP 标准化组织定义的一种技术标准，是一种专为物联网设计的窄带射频技术。这种技术可应用于 GSM 网络(4G 移动网)和 LTE 网络(5G 移动网)，其网络接入速度最大为 180 kb/s。目前该技术在中国正处于蓬勃发展阶段，以低成本、低功耗及广连接为特点[3，11]。但适用于物联网的传输技术还有很多：Zigbee，其典型应用如城市智能灯杆[12];LORA 技术，典型应用如泛在电力物联网[13];蓝牙技术，典型应用如智能家居;还包括广覆盖的由运营商提供的 GPRS、北斗短报文技术，典型应用如电力、石油管道、海洋船舶等行业[14-15]。
3.2 适于油气管道的物联网技术
根据以上对油气管道物联网的数据特点分析，油气管道存在很多非实时性窄带数据的采集和传输需求，如机柜间、配电间等的环境温度、湿度、水侵，场站照度等数据，对这些数据的采集没有必要一天 24 h 连续不间断采集，且这些数据如果采用传统有线方式，则场站内需要铺设大量的数据电缆，不仅初期建设投资大，而且后期电缆维护量非常高，因而可以采取定期监测或非定时的事件触发式采集方式，利用无线窄带物联网传送技术构建站内网络层。管道沿线穿跨越结构件的性能长输、管道腐蚀监测数据、阴极保护数据等也没有必要 24 h 不间断进行数据传输分析，且管道沿线前端采集设备供电不便，因此需考虑采用低功耗的前端传感设备以及无线传输技术，避免代价昂贵的有线传输技术。目前技术成熟的无线物联网传送技术主要有以下几种[3，12-16]，各种技术在油气管道物联网上的适应性如下(表 2)。
3.3 智能管道物联网构建
智能管道实现全方位感知，需采集的数据范围广，既有管道站场的，也有管道沿线的;既有双向监控数据，也有单向监测、检测数据;既有远距离的，也有近距离的，因此同一管道物联网网络层架构往往不可能利用单一的技术实现，需要多种技术相互联结，满足各类数据的传输需求，同时又能实现经济高效。典型的管道物联网网络层架构系统如下(图 2)。
组建智能管道物联网网络时，需考虑传输距离、数据流是单向还是双向。由于站内供电往往比较便利，因此选择站内网络技术时，对前端设备耗电的考虑可以弱化。但是对于管道沿线，由于供电不便，除了考虑传输距离、数据流向外，前端设备的功耗也是关键考量因素。在所有这些无线物联网中，有些无线网络需自行组建，如 LoRa、Wifi、Zigbee、蓝牙、NFC、无线集群等。采用自建物联网网络层时，可以每个小站独自组建一个小的局域网络，采集的数据直接进入站内监视、控制系统，并通过管道沿线的光纤系统将各站联网为广域物联网络。而那些需要授权频道的无线物联网传输电路，一般由运营商组建，如 GPRS、北斗、NB-IoT 等，传输电路可直接从运营商处租用(图 3)，从运营商的云计算中心或边缘计算中心通过专线电路将采集的数据集中传送至管道监视、控制中心[16-20]。对于自建专用传送网的技术，如 ZigBee、LORA 等技术，相比租用运营商网络如 NB-IoT、北斗、GPRS 技术，其数据存储和传输网络专用，因此数据的保密性和安全性更高。但需要自建基站系统，初期建设成本和后期维护费用也高。因此，在选用物联网组建技术时，在自建网络或租用网络均可用的前提下，主要应考虑数据安全性和保密性。
4 结束语
物联网传送网络作为智能管道最重要的、必不可少的基础设施之一，其技术的选用除直接影响初期的工程投资和建设周期外，也会对后期的运行维护难度、实用性产生很大影响，因此物联网构建技术的选用应协同多专业，基于所采集的数据特性、工艺需求，还需考虑对比技术成熟度、投资成本、建设难度、后期维护量、数据安全性等方面，选用一种或综合多种技术组合搭建智能管道网络层，以期为智能管道建设打下坚实的基础。