淺談長慶油田智能油氣田通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

方鸝 楊世海 尤靖茜 黃海燕

（中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司）

0 引言

工業(yè)企業(yè)尤其是石油天然氣上游生產(chǎn)企業(yè)的信息化建設(shè)是企業(yè)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必備條件，隨著信息化應(yīng)用的不斷深入，建設(shè)智能化油氣田成為企業(yè)發(fā)展的必然方向，而油氣田智能化建設(shè)的基礎(chǔ)是實(shí)現(xiàn)信息傳遞的通信網(wǎng)絡(luò)。

長慶油田通信系統(tǒng)的建設(shè)，也是隨著信息化建設(shè)的深入，在不斷滿足各項(xiàng)信息化需求的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展壯大。30多年前，長慶油田的通信系統(tǒng)基本只有電話語音業(yè)務(wù)；10多年后，在原有電話語音業(yè)務(wù)之上發(fā)展建設(shè)了互聯(lián)網(wǎng)的訪問業(yè)務(wù)；再后來 10多年間，為了保障業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全，根據(jù)集團(tuán)公司的管理要求，建立了辦公網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了日常辦公與互聯(lián)網(wǎng)訪問的邏輯隔離；近幾年，隨著物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)全面建設(shè)與應(yīng)用，通信系統(tǒng)建設(shè)重點(diǎn)為在辦公網(wǎng)的基礎(chǔ)上，拓展建設(shè)生產(chǎn)網(wǎng)，以保障生產(chǎn)過程遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)即工控系統(tǒng)的安全；針對近年網(wǎng)絡(luò)信息安全問題逐步嚴(yán)峻的形勢，將生產(chǎn)網(wǎng)與辦公網(wǎng)從邏輯隔離逐步改為物理隔離。隨著智能化油田的建設(shè)發(fā)展，長慶油田進(jìn)一步將生產(chǎn)網(wǎng)細(xì)分為生產(chǎn)控制網(wǎng)和生產(chǎn)管理網(wǎng)，使通信網(wǎng)絡(luò)既能保障工控系統(tǒng)的安全，又能滿足信息共享的需求，同時增補(bǔ)以WiFi技術(shù)為主的通信設(shè)施，以滿足智能化建設(shè)中智能移動應(yīng)用的需求。

按照智能化油氣田的建設(shè)需求，如何構(gòu)建基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)，以及在滿足各種信息互通、共享的情況下，如何確保通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)安全、可靠、高效地運(yùn)行，成為相關(guān)技術(shù)人員需要認(rèn)真思考的課題。本文就從油氣田的生產(chǎn)管理需求出發(fā)，探討與研究如何構(gòu)建智能化油氣田的通信網(wǎng)絡(luò)。

1 通信網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)

油氣田企業(yè)在勘探、開發(fā)生產(chǎn)的過程中，需要進(jìn)行信息化建設(shè)的業(yè)務(wù)領(lǐng)域非常龐雜，包括從地下的油藏地質(zhì)研究、鉆探工程實(shí)施，到地面生產(chǎn)設(shè)施的運(yùn)行監(jiān)控、各項(xiàng)業(yè)務(wù)與技術(shù)的歸口管理等各個方面。在信息化建設(shè)之初，建設(shè)的重點(diǎn)主要是解決地面生產(chǎn)的自動化、日常辦公的無紙化，以及員工訪問互聯(lián)網(wǎng)的需求。隨著信息化建設(shè)的深入，信息化需求逐步向著智能化、智慧化的方向演進(jìn)，使得信息化建設(shè)的重點(diǎn)又?jǐn)U展了生產(chǎn)管理的智能化及生產(chǎn)過程的可視化?？偨Y(jié)歸納起來，實(shí)現(xiàn)信息傳遞的通信網(wǎng)絡(luò)所承載的業(yè)務(wù)主要有生產(chǎn)過程控制數(shù)據(jù)、生產(chǎn)現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)、生產(chǎn)管理信息、日常辦公信息以及互聯(lián)網(wǎng)的訪問5類業(yè)務(wù)。

2 通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建思路

2.1 總體規(guī)劃原則

油氣田企業(yè)受油氣資源勘探開發(fā)業(yè)務(wù)特征影響大多都具有分布面積廣，所處地形地貌復(fù)雜多樣的特點(diǎn)。因此，對于油氣田的通信系統(tǒng)建設(shè)不是單一一種通信方式就能夠滿足所有的通信需求，需結(jié)合實(shí)際情況采用光纖和多種無線通信技術(shù)相結(jié)合的方式。按照智能化的發(fā)展目標(biāo)，油氣田整個通信系統(tǒng)應(yīng)以“有線為主、WiFi為輔、其他無線技術(shù)為補(bǔ)”的原則進(jìn)行建設(shè)。

云計(jì)算技術(shù)作為當(dāng)前信息化建設(shè)中最為先進(jìn)、高效的技術(shù)已趨于成熟，油氣田智能化應(yīng)用建設(shè)中的各項(xiàng)管理業(yè)務(wù)均需向云化方向發(fā)展。相應(yīng)的通信鏈路就需要從最底層的崗位一直通向企業(yè)層面的云中心，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較之以前有明顯的增長，同時傳輸?shù)目煽啃耘c時效性的要求也更高?；诠饫w通信的高效、高可靠性特征，在通信系統(tǒng)的建設(shè)中應(yīng)以發(fā)展的眼光，盡量采用光纖通信技術(shù)，即以“有線為主”。

對于場站內(nèi)部固定設(shè)施和智能移動終端的短距離通信，宜采用最為通用成熟的WiFi技術(shù)，自建油田 WiFi系統(tǒng)，即“WiFi為輔”。這種油田自建的WiFi系統(tǒng)不僅在當(dāng)前可以滿足一線員工訪問互聯(lián)網(wǎng)的需求，同時在未來可以滿足智慧化建設(shè)中移動管理終端的通信需求。

對于油氣田開發(fā)邊遠(yuǎn)地區(qū)場站的長距離通信，可因地制宜選擇性價比較高的無線通信技術(shù)，即“其他無線技術(shù)為補(bǔ)”。原則上對于涉及遠(yuǎn)程生產(chǎn)監(jiān)控的數(shù)據(jù)，應(yīng)采用自建的通信系統(tǒng)。原因是此類工控系統(tǒng)一旦被非法用戶侵入，極易造成重大安全事故。而對于日常辦公和生產(chǎn)管理等方面的通信需求，則可采用運(yùn)營商的無線通信鏈路方式滿足。在采用運(yùn)營商的無線通信鏈路前，應(yīng)先制定安全有效的數(shù)據(jù)接入方案，一方面確保數(shù)據(jù)安全，另一方面確保與其所相連的各類應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

2.2 安全原則

通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)智能化建設(shè)的基礎(chǔ)工程，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，因此通信網(wǎng)絡(luò)的安全性是建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)前首要考慮的因素。尤其在國家頒布實(shí)施《網(wǎng)絡(luò)安全法》之后，網(wǎng)絡(luò)安全管理已上升到了法律層面，因此在構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)時，安全問題是需要著力解決的問題。

通信網(wǎng)絡(luò)的安全有兩個層面的內(nèi)容。對外，要保證系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)或設(shè)備不被外部非法用戶訪問或破壞；對內(nèi)，要確保各個子系統(tǒng)的安全運(yùn)行，其通信資源不因被其他業(yè)務(wù)的占用而使信息傳遞受到干擾或影響。以“用戶最小化、出口最少化”為原則，搭建內(nèi)、外兩方面安全可控的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是構(gòu)建安全的通信網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)。

2.3 通信網(wǎng)絡(luò)的劃分

若要以“用戶最小化”的原則，滿足整個油氣田上游生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)管理與生產(chǎn)控制等方面的信息化需求，通信網(wǎng)絡(luò)就需根據(jù)企業(yè)通信系統(tǒng)所承載的業(yè)務(wù)類型，建立相應(yīng)的專用通信網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，使各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在自己專用的網(wǎng)絡(luò)中傳輸。根據(jù)當(dāng)前油氣田信息化建設(shè)中5種業(yè)務(wù)需求，通信網(wǎng)絡(luò)劃分為控制網(wǎng)、管理網(wǎng)、視頻網(wǎng)、辦公網(wǎng)和油田WiFi網(wǎng)。

控制網(wǎng)，主要服務(wù)于油氣田用于實(shí)現(xiàn)各類場站生產(chǎn)過程中遠(yuǎn)程監(jiān)控的SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制）系統(tǒng)。用于傳輸各類生產(chǎn)過程監(jiān)視與控制數(shù)據(jù)，如生產(chǎn)過程中溫度、壓力、流量、液位和機(jī)泵等運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程停車、停運(yùn)設(shè)備等調(diào)度控制指令等。其對網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)等級要求最高。管理網(wǎng)，主要服務(wù)于油氣田在智能化、智慧化建設(shè)過程中，為實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和技術(shù)歸口管理而建設(shè)的各類應(yīng)用系統(tǒng)。主要傳輸各類管理信息和管理統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等。視頻網(wǎng)，主要服務(wù)于油氣田生產(chǎn)場站視頻監(jiān)控系統(tǒng)，傳輸現(xiàn)場各類生產(chǎn)場站的視頻數(shù)據(jù)，不包括非生產(chǎn)區(qū)域的安防系統(tǒng)數(shù)據(jù)。辦公網(wǎng)，主要服務(wù)于各類日常辦公業(yè)務(wù)，傳輸各類辦公數(shù)據(jù)。油田WiFi網(wǎng)，主要滿足一線員工訪問互聯(lián)網(wǎng)和移動管理終端的接入需求。

2.4 通信網(wǎng)絡(luò)的部署

為確保傳輸信息的安全，承擔(dān)不同業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)需按照業(yè)務(wù)的需求，部署在不同的區(qū)域，各網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換均應(yīng)在指定的服務(wù)器之間進(jìn)行，且應(yīng)作好適用的防護(hù)措施，具體的部署原則如下：

控制網(wǎng)應(yīng)嚴(yán)格部署于每套獨(dú)立的 SCADA系統(tǒng)內(nèi)，對于沒有聯(lián)鎖控制需求的兩套SCADA系統(tǒng)之間也不建議進(jìn)行任何形式的數(shù)據(jù)交互。具體而言，就是服務(wù)于油氣田的每套 SCADA系統(tǒng)的控制網(wǎng)均應(yīng)相對獨(dú)立，在一個控制網(wǎng)中只能連接SCADA系統(tǒng)的服務(wù)器、控制器和操作站等，不能連接任何與生產(chǎn)控制管理無關(guān)的設(shè)備。對于以采油（氣）廠為單位或采油（氣）作業(yè)區(qū)為單位建設(shè)的SCADA，控制網(wǎng)只能部署于油氣田各類生產(chǎn)場站，最高只能到采油（氣）廠或采油（氣）作業(yè)區(qū)的管理層級。

管理網(wǎng)的部署則按照各業(yè)務(wù)的管理劃分，自油氣田的有關(guān)技術(shù)歸口管理部門，到其業(yè)務(wù)相關(guān)的各級管理崗位。按照一般的管理設(shè)置，管理網(wǎng)最低只部署到采油（氣）作業(yè)區(qū)這一管理層級，油氣田各類生產(chǎn)場站原則上不部署管理網(wǎng)。

視頻網(wǎng)主要連接各生產(chǎn)場站設(shè)置的攝像機(jī)，以及各管理層級的視頻監(jiān)控管理系統(tǒng)。因此，視頻網(wǎng)自下而上部署在油氣田各生產(chǎn)場站，和作業(yè)區(qū)級、廠級、公司級的各相關(guān)管理崗位。

辦公網(wǎng)按照常規(guī)的管理需求，最低也只部署到作業(yè)區(qū)管理層級。

油田WiFi網(wǎng)根據(jù)其所承載的業(yè)務(wù)，原則上有員工工作與生活的區(qū)域均應(yīng)部署，即油氣田各個生產(chǎn)場站及各個辦公場所均應(yīng)部署油田WiFi網(wǎng)。

2.5 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置

為確保各通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的信息安全，各網(wǎng)均應(yīng)配置獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備。對于油田WiFi網(wǎng)甚至還要求光纖也需專用。按上述各類網(wǎng)絡(luò)的部署原則，如某一油氣田的生產(chǎn)站場，應(yīng)部署控制網(wǎng)、視頻網(wǎng)和油田WiFi網(wǎng)，則在相應(yīng)的鏈路匯聚點(diǎn)，配置3套交換機(jī)，分別實(shí)現(xiàn) 3類網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸，同時油田WiFi網(wǎng)則還需配置專用的線芯進(jìn)行通信。

2.6 可靠性建設(shè)

可靠的通信網(wǎng)絡(luò)通常都具有網(wǎng)絡(luò)層級少，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上以環(huán)形結(jié)構(gòu)為主，環(huán)形與星型結(jié)構(gòu)相結(jié)合的特點(diǎn)。油氣田企業(yè)通信業(yè)務(wù)的分布情況是與其管理架構(gòu)相對應(yīng)的，網(wǎng)絡(luò)層級的劃分與建設(shè)，是在充分結(jié)合生產(chǎn)管理架構(gòu)的基礎(chǔ)上，按照核心層、匯聚層、接入層的層次化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建的。

第一層為企業(yè)級，即連接所屬各采油、采氣單位及其他二級生產(chǎn)單位之間的環(huán)型通信網(wǎng)絡(luò)，這是整個通信網(wǎng)絡(luò)的核心層。

第二層為廠級，即采油或采氣等二級單位內(nèi)，連接各生產(chǎn)作業(yè)區(qū)（聯(lián)合站）之間的環(huán)型通信網(wǎng)絡(luò)，這是整個通信網(wǎng)絡(luò)的匯聚層。

第三層為作業(yè)區(qū)級，即連接作業(yè)區(qū)內(nèi)各生產(chǎn)站場，尤其是一體化集成裝置及主力井場間的環(huán)型通信網(wǎng)絡(luò)，是整個通信網(wǎng)絡(luò)的接入層。

上述企業(yè)級核心層環(huán)網(wǎng)中的各節(jié)點(diǎn)是某一采油或采氣單位，而這一采油（氣）單位又可在自己管轄區(qū)域內(nèi)部構(gòu)建廠級匯聚層環(huán)網(wǎng)，以此類推，整個油氣田的通信網(wǎng)絡(luò)是大環(huán)網(wǎng)連接著小環(huán)網(wǎng)，形成相互連接的三層環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)既層級精干，又具備良好的冗余性。對于作業(yè)區(qū)級接入層以下的各通信節(jié)點(diǎn)，則可根據(jù)實(shí)際情況，采用星型的接入方式。

3 實(shí)施思路

結(jié)合長慶油田通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與應(yīng)用實(shí)踐，通信網(wǎng)絡(luò)在實(shí)施過程中可借鑒以下思路。

首先，鑒于現(xiàn)在通信技術(shù)的發(fā)展，所采用的通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)采用“全光”（即光纖+光交換設(shè)備）技術(shù)設(shè)備，并逐步替換系統(tǒng)中到達(dá)服役年限的設(shè)備，使整個通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全光路傳輸。

其次，對已建網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整、升級，如已建光纜線芯不足，宜采用工業(yè) PON（無源光纖網(wǎng)絡(luò)）、PTN（分組傳送網(wǎng)）及波分等經(jīng)濟(jì)可行的成熟技術(shù)。

再次，應(yīng)按照國家發(fā)布的《推進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版（IPv6）規(guī)模部署行動計(jì)劃》，提出適應(yīng)企業(yè)發(fā)展需求的網(wǎng)絡(luò)升級改造方案，實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)逐步升級為IPv6。

4 實(shí)踐應(yīng)用情況

長慶油田自 2009年底開始大規(guī)模實(shí)施油田的數(shù)字化改造工作，在改造之初長慶油田主要為辦公網(wǎng)，為滿足數(shù)字化系統(tǒng)的有關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸需求，確保油田作業(yè)區(qū)SCADA系統(tǒng)的運(yùn)行安全，在改造建設(shè)中逐步形成了控制網(wǎng)。隨著互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，尤其是智能手機(jī)的飛速普及，一線員工與家人溝通的迫切需求等，對互聯(lián)網(wǎng)的訪問成為信息化建設(shè)的發(fā)展要求，企業(yè)利用預(yù)留的光纖資源，采用WiFi技術(shù)構(gòu)建了油田WiFi網(wǎng)。此外，受互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)管理的融合，要實(shí)現(xiàn)智能化管理，一線崗位人員的手持移動管理終端成為一種突出的應(yīng)用需求，這時油田WiFi網(wǎng)就很好地滿足了這種應(yīng)用需求。

生產(chǎn)場站的視頻監(jiān)控系統(tǒng)隨著物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體建設(shè)，也形成了相當(dāng)?shù)膽?yīng)用規(guī)模。由于其直觀性強(qiáng)，得到了生產(chǎn)與安全管理部門的極大認(rèn)可，并將會進(jìn)一步擴(kuò)大建設(shè)范圍。另一方面，伴隨著高清攝像機(jī)的快速發(fā)展，視頻系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸占用通信資源較多的矛盾也逐漸凸顯。為保障其他數(shù)據(jù)的正常傳輸，將會規(guī)劃建設(shè)專用的視頻網(wǎng)。

隨著近兩年油氣田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用逐步深入，長慶油田已提出企業(yè)生產(chǎn)與管理的智能化、智慧化的需求愿景，為適應(yīng)這一需求，在新制定的網(wǎng)絡(luò)升級改造規(guī)劃中增加了管理網(wǎng)。

總之，長慶油田的通信網(wǎng)絡(luò)近 10年的建設(shè)發(fā)展，是伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展和信息化需求的豐富而逐步演進(jìn)與完善起來的，為油田公司的生產(chǎn)管理與科研工作提供了安全、可靠的信息傳輸服務(wù)，并為下一步的智能化油氣田的發(fā)展需求奠定了良好的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。