基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的油氣管道安防綜合平臺(tái)探究

高世杰

（中國(guó)石油管道局工程有限公司，廊坊 065000）

目前，國(guó)內(nèi)已建成的、在運(yùn)行的大型長(zhǎng)輸油氣管道安防系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間大部分已經(jīng)超過(guò)5年，有些主干管道安防系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間已超過(guò)10年，甚至更長(zhǎng)時(shí)間。當(dāng)前安防系統(tǒng)新技術(shù)日新月異，設(shè)備老化、技術(shù)落后導(dǎo)致出現(xiàn)了諸多問(wèn)題：①模擬系統(tǒng)為主，兼容性差。不但無(wú)法兼容數(shù)字系統(tǒng)，而且由于設(shè)備老舊，同類(lèi)型的模擬設(shè)備由于生產(chǎn)廠家不同，也無(wú)法兼容。②各安防子系統(tǒng)無(wú)統(tǒng)一的平臺(tái)，各子系統(tǒng)的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，功能聯(lián)動(dòng)困難，第三方聯(lián)動(dòng)困難，聯(lián)動(dòng)可靠性差。③擴(kuò)展性差，由于設(shè)備及技術(shù)陳舊，無(wú)法進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)，擴(kuò)容困難。新增設(shè)備無(wú)法與原系統(tǒng)兼容，無(wú)法實(shí)現(xiàn)原系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)模式。④無(wú)運(yùn)行維護(hù)平臺(tái)，運(yùn)維數(shù)據(jù)均通過(guò)紙質(zhì)方式進(jìn)行記錄與流轉(zhuǎn)，運(yùn)維漏洞較多。⑤各安防子系統(tǒng)的設(shè)備狀態(tài)均為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控，無(wú)法實(shí)時(shí)上傳、遠(yuǎn)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析，需要頻繁的到現(xiàn)場(chǎng)巡檢，工作量較大且效率底下。隨著長(zhǎng)輸管道技術(shù)發(fā)展越來(lái)越智慧化[1][2]，各管道公司管理模式、運(yùn)維標(biāo)準(zhǔn)不斷創(chuàng)新，上述問(wèn)題在管道安防的表現(xiàn)越來(lái)越明顯。

1 油氣管道安防綜合平臺(tái)設(shè)計(jì)原則

（1）網(wǎng)絡(luò)化、結(jié)構(gòu)化原則：系統(tǒng)基于IP網(wǎng)絡(luò)搭建，具備分層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，如：管道監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)——區(qū)域管理中心——調(diào)控中心。

（2）標(biāo)準(zhǔn)性、開(kāi)放性原則：各類(lèi)安防子系統(tǒng)的編碼/通信協(xié)議、硬件接口需嚴(yán)格遵守國(guó)家及行業(yè)規(guī)范。具備開(kāi)放的軟/硬件接口，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口接入第三方系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)信號(hào)。

（3）兼容性、擴(kuò)展性原則：標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議產(chǎn)品納入平臺(tái)無(wú)需進(jìn)行平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)，可以通過(guò)擴(kuò)展接口接入非標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議設(shè)備。擴(kuò)展性還應(yīng)包括系統(tǒng)的升級(jí)。

（4）智能化、智慧化原則：安防綜合平臺(tái)需實(shí)現(xiàn)前端設(shè)備智能化、后端設(shè)備的智慧化，具備編程組態(tài)能力，大數(shù)據(jù)及智能分析能力，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集能力，故障檢測(cè)與排查能力，智能運(yùn)行維護(hù)能力等。

2 油氣管道安防綜合平臺(tái)概述

油氣管道安防綜合平臺(tái)以物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，引入大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、智能運(yùn)維技術(shù)、GIS地圖技術(shù)[4]～[10]，實(shí)現(xiàn)對(duì)油氣管道各類(lèi)安防子系統(tǒng)的整合與集成，為各類(lèi)新建的、升級(jí)改造的智能化、數(shù)字化安防子系統(tǒng)提供后端支持與相應(yīng)的服務(wù)，如：視頻監(jiān)控系統(tǒng)、入侵報(bào)警系統(tǒng)、門(mén)禁系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、擴(kuò)音對(duì)講系統(tǒng)、巡更系統(tǒng)、動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)油氣管道各區(qū)域安防子系統(tǒng)管理、監(jiān)控、運(yùn)維平臺(tái)的統(tǒng)一。

3 油氣管道安防綜合平臺(tái)的構(gòu)建

油氣管道安防綜合平臺(tái)系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架為基礎(chǔ)，由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成（詳見(jiàn)圖1），其中，應(yīng)用層又分為主機(jī)支持層、核心服務(wù)層、提供服務(wù)層。整體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架為基于C/S、B/S構(gòu)架的“管道監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)（站場(chǎng)/閥室/高后果區(qū)）——區(qū)域管理中心——調(diào)控中心”的三級(jí)IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（詳見(jiàn)圖2）。前端探測(cè)設(shè)備將設(shè)置在管道監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵區(qū)域。應(yīng)用層主機(jī)支持層設(shè)備將設(shè)置在管道現(xiàn)場(chǎng)機(jī)柜間。應(yīng)用層核心服務(wù)器層設(shè)備將設(shè)置在區(qū)域管理中心與調(diào)控中心的核心機(jī)柜間。應(yīng)用層提供服務(wù)層設(shè)備主要為客戶(hù)端，設(shè)置在各區(qū)域管理中心、調(diào)控中心，通過(guò)訪問(wèn)應(yīng)用層核心服務(wù)器層的各類(lèi)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用層主機(jī)支持層各類(lèi)主機(jī)的調(diào)用、配置、管理、運(yùn)維、監(jiān)控，以及通過(guò)調(diào)用各主機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)感知層現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制、配置、管理、運(yùn)維。各層功能與構(gòu)成如下。

圖1 安防綜合平臺(tái)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架圖

圖2 安防綜合平臺(tái)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3.1 感知層

主要功能為通過(guò)各安防子系統(tǒng)前端設(shè)備實(shí)現(xiàn)感知、識(shí)別與交互控制，具體子系統(tǒng)及設(shè)備構(gòu)成見(jiàn)圖1、圖2。視頻感知攝像機(jī)將為網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī)，通過(guò)網(wǎng)線和光纜與后端應(yīng)用層主機(jī)進(jìn)行通信。巡更點(diǎn)將通過(guò)巡更棒實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的通信。其他聲音、控制、探測(cè)信號(hào)將統(tǒng)一通過(guò)音頻銅纜、控制纜、光纜與應(yīng)用層后端主機(jī)進(jìn)行通信。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層

實(shí)現(xiàn)感知層、應(yīng)用層各子層之間的數(shù)據(jù)傳輸與交換。主要設(shè)備/設(shè)施包括：本地局域網(wǎng)交換設(shè)備、自建長(zhǎng)途光傳輸網(wǎng)的傳輸設(shè)備、運(yùn)營(yíng)商專(zhuān)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸設(shè)備，以及相應(yīng)的傳輸光纜、電纜、配線設(shè)備。具體系統(tǒng)及設(shè)備構(gòu)成見(jiàn)圖1、圖2。

3.3 應(yīng)用層

對(duì)感知層采集的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、大數(shù)據(jù)分析檢索、策略、計(jì)劃、聯(lián)動(dòng)、GIS地圖應(yīng)用等，滿(mǎn)足運(yùn)行維護(hù)人員的監(jiān)控、管理、運(yùn)行維護(hù)、配置、智能應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)等需求。應(yīng)用層所有設(shè)備將通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)傳輸與數(shù)據(jù)交換。具體系統(tǒng)及設(shè)備構(gòu)成見(jiàn)圖1、圖2。

3.4 系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)動(dòng)與第三方聯(lián)動(dòng)

系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)動(dòng)主要為安防綜合平臺(tái)系統(tǒng)下屬子系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)，包括：視頻監(jiān)控系統(tǒng)與入侵報(bào)警系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)與出入口控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)、入侵報(bào)警系統(tǒng)與擴(kuò)音對(duì)講系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)、動(dòng)力環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)動(dòng)可通過(guò)安防綜合平臺(tái)系統(tǒng)的組態(tài)來(lái)完成，也可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)主機(jī)/接口擴(kuò)展設(shè)備的擴(kuò)展接口通過(guò)控制纜連接，外加平臺(tái)組態(tài)完成。

第三方聯(lián)動(dòng)主要為：火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、火器報(bào)警系統(tǒng)、泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、擴(kuò)音對(duì)講系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)主機(jī)/接口擴(kuò)展設(shè)備的擴(kuò)展接口通過(guò)控制纜連接，外加平臺(tái)組態(tài)完成。

4 應(yīng)用情況

本系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)某管道公司進(jìn)行了應(yīng)用性測(cè)試，測(cè)試所建設(shè)的安防綜合平臺(tái)前期接入系統(tǒng)主要包括某段管道的若干監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的：視頻監(jiān)控系統(tǒng)、入侵報(bào)警系統(tǒng)、第三方聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)。后期將逐步接入出入口控制系統(tǒng)、門(mén)禁系統(tǒng)、巡更系統(tǒng)。系統(tǒng)按照油氣管道綜合安防平臺(tái)模式搭建。所有子系統(tǒng)首先需完全兼容的納入綜合平臺(tái)系統(tǒng)，然后再部署在各監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)。通過(guò)測(cè)試，由于所有數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)受綜合安防平臺(tái)統(tǒng)一控制、監(jiān)控、配置、調(diào)配、規(guī)范，因此，標(biāo)準(zhǔn)性、兼容性、擴(kuò)展性問(wèn)題得到了很好的解決。智能分析、大數(shù)據(jù)分析功能無(wú)法應(yīng)用的問(wèn)題得到很好的解決。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加清晰。系統(tǒng)內(nèi)部聯(lián)動(dòng)、第三方系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)更加容易，設(shè)備運(yùn)維更加高效、便捷。同時(shí)，平臺(tái)功能的集成，解決了安防子系統(tǒng)分立運(yùn)行導(dǎo)致的設(shè)備數(shù)量較多的問(wèn)題，如：操作臺(tái)監(jiān)控各安防子系統(tǒng)客戶(hù)端由3～5臺(tái)減少到1臺(tái)，監(jiān)控主機(jī)由多臺(tái)減少到1臺(tái)。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

據(jù)統(tǒng)計(jì)，各管道公司近五年內(nèi)對(duì)所轄管線的安防系統(tǒng)升級(jí)改造的次數(shù)不小于3次，新建安防系統(tǒng)不小于2次。由于兼容性與擴(kuò)展性問(wèn)題，大多數(shù)工程均需要設(shè)置獨(dú)立的監(jiān)控主機(jī)、客戶(hù)端，對(duì)調(diào)控中心與區(qū)域控制中心的各安防子系統(tǒng)客戶(hù)端服務(wù)器進(jìn)行多次兼容性開(kāi)發(fā)，或單獨(dú)設(shè)置客戶(hù)端服務(wù)器，產(chǎn)生了大量的重復(fù)、冗余投資，也極大的增加了運(yùn)維工作量與運(yùn)維費(fèi)用。同時(shí)，由于技術(shù)進(jìn)步較快，區(qū)域中心、調(diào)控中心無(wú)統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的安防平臺(tái)，導(dǎo)致大多數(shù)智能應(yīng)用無(wú)法接入。安防綜合平臺(tái)構(gòu)建完畢后，上述問(wèn)題得到解決。據(jù)估算，安防綜合平臺(tái)測(cè)試后，經(jīng)濟(jì)效益節(jié)省情況如表1所示。

表1 安防綜合平臺(tái)安裝測(cè)試后節(jié)省經(jīng)濟(jì)效益統(tǒng)計(jì)

6 結(jié)束語(yǔ)

油氣管道領(lǐng)域建設(shè)安防綜合平臺(tái)，可將設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)性問(wèn)題、兼容性問(wèn)題、擴(kuò)展性問(wèn)題、運(yùn)行維護(hù)問(wèn)題集中解決，一勞永逸。同時(shí)，基于物聯(lián)網(wǎng)模式搭建，規(guī)范了整個(gè)安防系統(tǒng)的構(gòu)架。數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的應(yīng)用，更加適應(yīng)時(shí)代需求。智能運(yùn)維及大數(shù)據(jù)分析的應(yīng)用，為管理、運(yùn)維提供了良好的技術(shù)支持，使得運(yùn)維工作更加簡(jiǎn)潔化、高效化、標(biāo)準(zhǔn)化、流程化。為智慧管道的建設(shè)奠定了安防方面的基礎(chǔ)，對(duì)后期管道安防系統(tǒng)的建設(shè)具有參考與指導(dǎo)意義。