物聯網技術在天然氣管道行業的應用探索

侯志博，王金培，蘇東旭

（中石油北京天然氣管道有限公司，北京 100101）

1 引言

M2M是以機器終端智能交互為核心的網絡化應用與服務，通過在機器內部嵌入無線通信模塊，以無線通信為主要接入手段，為使用者提供綜合性的信息化解決方案[1]。

為滿足天然氣管道行業現場生產數據和工業監控視頻等信息傳輸和交換，在M2M技術基礎上結合應用系統設備智能化的特性，針對性提出解決方案，系統應用效果良好。

2 系統結構組成

圖1為目前常見的M2M業務應用框架，包括M2M機器終端接入層、通信網絡和M2M業務平臺層。M2M終端設備實現業務的數據采集，將數據通過網絡發送，或接收平臺下發數據。在無線網絡環境中，通信模塊用于實現設備的通信。通信網絡用于數據在終端設備與應用平臺、終端設備間數據傳輸通道在整體框架中具有重要作用。由于M2M業務需要支撐多行業和多應用環境，因此M2M業務平臺能力需為大量第三方應用系統提供網關業務能力和環境調用。

圖1 M2M業務應用框架

在不具有光通信系統的天然氣管道站場及閥室，既要保證現場生產數據傳輸的可靠性，同時要實現大量視頻信號傳輸的可用性，衛星通信和無線路由通信均不能滿足要求。衛星通信受限于轉發器的帶寬和資費，雖然系統運行可靠性高，但不適用于大容量信號的傳輸。無線路由通信系統的傳輸速率低，可靠性能低。本文基于M2M系統構建傳輸通道，同時結合工業電視設備智能性，實現油氣管道現場對生產數據和圖像信號的傳輸。

M2M系統傳輸通道依靠電信運營商的VPDN系統，利用公共網絡的撥號功能及接入網實現虛擬專用網，采用專用的網絡加密通信協議，通過虛擬加密隧道實現和遠端設備與業務平臺之間的網絡連接，而其他用戶無法穿過虛擬隧道訪問該網絡。本文VPDN隧道協議采用的是L2TP協議，該協議提供了對鏈路層數據包的通道（Tunnel）傳輸支持，允許二層鏈路遠端站和網絡中各節點設備的會話點駐留在不同設備上并采用包交換網絡技術進行信息交互。在4G（第四代通信技術）環境下，應用L2TP隧道技術的M2M系統，終端設別與業務平臺之間數據傳輸延遲不大于100ms，遠低于衛星通信，保證了數據傳輸的可靠性[2]。

在油氣管道行業中將SCADA工業生產數據的可靠傳輸放在首位，但國內典型的天然氣管道站場SCADA數據量為不大于20kb/s，線路截斷閥室SCADA數據量為不大于3kb/s，使用衛星通信和傳統無線路由通信系統可以滿足需求。隨著智慧管道建設的總體布局和國家公安部相關標準要求，采用技術防范手段替代人力防范，提升油氣管道安防水平，對閥室、線路側的視頻監控需求日益迫切。為滿足視頻圖像的傳輸，本文在M2M技術基礎上結合工業電視設備智能性，給出如下解決方案。

經不完全統計，天然氣管道閥室現場全年大部分時間處于無人狀態，在現場無人員入侵，圖像畫面無狀態變化時，前端攝像機定時將現場一張圖片信號傳輸給中心平臺，實時視頻信號本地存儲在攝像機本地的SD卡。當攝像機檢測到人員入侵，及時將告警信息傳輸給中心平臺，中心平臺調取現場實時錄像，中心平臺監控人員根據實際情況判斷屏蔽告警信息或語音驅逐現場入侵人員。經測試，單個閥室每月數據總量為6GB，月度資費為80元。圖2為本文實際應用中構架系統框圖。M2M終端設備為支持4G通信傳輸體制的無線路由器，支持兩個不同運營商網絡傳輸。終端設備的天線為全向天線，當現場電信運營商網絡信號質量差，可采用定向天線提高系統運行增益。

圖2 實際應用系統結構圖

為保證生產數據和工業電視的有效隔離，可在M2M終端設備端口設置VLAN ID。中心站點業務平臺完成身份認證并將數據送至對應服務器。

3 天然氣管道行業應用探索

本文所設計的M2M物聯網技術架構在國內某長輸天然氣管道應用，該管道建設投產時未敷設光纜，生產數據依靠衛星通信和無線路由通信傳輸。為實現對全部閥室和管道沿線視頻信號的傳輸，租用運營商DDN電路的方式經濟成本較高，采用物聯網技術并結合工業電視設備的智能性，滿足生產運行需求。

該系統對現場電信運營商的網絡信號質量要求較高，在部署網絡時應對現場電信網絡信號進行質量測試，包括現場信號強度和覆蓋范圍，經過測試對比，本文應用系統遠端站設備采用中國聯通和中國電信的物聯網數據卡，互為備份，提高系統可靠性。終端設備通過約定的域名和口令撥號入網，在運營商VPDN平臺完成身份認證并構建與業務平臺的傳輸隧道。業務平臺完成終端設備的身份認證并分配局域網IP地址，運營商VPDN平臺完成局域網IP地址和運營商廣域網IP地址的一一映射，建立起M2M終端設備與M2M業務平臺之間L2PT傳輸隧道。根據M2M終端設備最大接入量，租用電信運營商VPDN平臺至M2M業務平臺傳輸電路帶寬為8Mb/s。

在系統應用的天然氣管道中所轄M2M遠端站設備共部署44個，包括閥室39個和管道沿線5個點，完成現場生產數據和視頻監控信號的處理和傳輸。閥室生產數據實時傳輸，閥室及線路的視頻監控系統在無人員入侵環境下，每5分鐘抓拍1張現場圖片傳輸到流媒體服務器，實時視頻信號攝像機本地存儲，攝像機本地搭載1張容量128GB的Micro SD卡。

根據本系統實際統計數據，生產數據可靠性達到99.99%，單M2M終端設備月度物聯網流量約為6GB，相比于租用運營商電路的解決方案，可以極大減少電路資費，同時滿足生產運行需求，可靠性好。

4 結束語

為滿足天然氣管道對生產數據傳輸可靠性和視頻監控大容量信號逐步接入的需求，本文基于M2M物聯網技術并結合終端設備的智能化功能，設計并實施一套應用網絡架構，成功解決了無光通信系統的天然氣管道對現場信號傳輸的問題。這種網絡拓撲結構清晰，運行成本低，可靠性能高，可以廣泛地應用在工業傳輸領域中。