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(jī)器終端智能交互為核心的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用與服務(wù)，通過在機(jī)器內(nèi)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(yè)現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)和工業(yè)監(jiān)控視頻等信息傳輸和交換，在M2M技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)備智能化的特性，針對性提出解決方案，系統(tǒng)應(yīng)用效果良好。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖1為目前常見的M2M業(yè)務(wù)應(yīng)用框架，包括M2M機(jī)器終端接入層、通信網(wǎng)絡(luò)和M2M業(yè)務(wù)平臺層。M2M終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送，或接收平臺下發(fā)數(shù)據(jù)。在無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通信模塊用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的通信。通信網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)據(jù)在終端設(shè)備與應(yīng)用平臺、終端設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸通道在整體框架中具有重要作用。由于M2M業(yè)務(wù)需要支撐多行業(yè)和多應(yīng)用環(huán)境，因此M2M業(yè)務(wù)平臺能力需為大量第三方應(yīng)用系統(tǒng)提供網(wǎng)關(guān)業(yè)務(wù)能力和環(huán)境調(diào)用。

圖1 M2M業(yè)務(wù)應(yīng)用框架

在不具有光通信系統(tǒng)的天然氣管道站場及閥室，既要保證現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，同時(shí)要實(shí)現(xiàn)大量視頻信號傳輸?shù)目捎眯?，衛(wèi)星通信和無線路由通信均不能滿足要求。衛(wèi)星通信受限于轉(zhuǎn)發(fā)器的帶寬和資費(fèi)，雖然系統(tǒng)運(yùn)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(tǒng)的傳輸速率低，可靠性能低。本文基于M2M系統(tǒng)構(gòu)建傳輸通道，同時(shí)結(jié)合工業(yè)電視設(shè)備智能性，實(shí)現(xiàn)油氣管道現(xiàn)場對生產(chǎn)數(shù)據(jù)和圖像信號的傳輸。

M2M系統(tǒng)傳輸通道依靠電信運(yùn)營商的VPDN系統(tǒng)，利用公共網(wǎng)絡(luò)的撥號功能及接入網(wǎng)實(shí)現(xiàn)虛擬專用網(wǎng)，采用專用的網(wǎng)絡(luò)加密通信協(xié)議，通過虛擬加密隧道實(shí)現(xiàn)和遠(yuǎn)端設(shè)備與業(yè)務(wù)平臺之間的網(wǎng)絡(luò)連接，而其他用戶無法穿過虛擬隧道訪問該網(wǎng)絡(luò)。本文VPDN隧道協(xié)議采用的是L2TP協(xié)議，該協(xié)議提供了對鏈路層數(shù)據(jù)包的通道（Tunnel）傳輸支持，允許二層鏈路遠(yuǎn)端站和網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)設(shè)備的會(huì)話點(diǎn)駐留在不同設(shè)備上并采用包交換網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行信息交互。在4G（第四代通信技術(shù)）環(huán)境下，應(yīng)用L2TP隧道技術(shù)的M2M系統(tǒng)，終端設(shè)別與業(yè)務(wù)平臺之間數(shù)據(jù)傳輸延遲不大于100ms，遠(yuǎn)低于衛(wèi)星通信，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹2]。

在油氣管道行業(yè)中將SCADA工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸放在首位，但國內(nèi)典型的天然氣管道站場SCADA數(shù)據(jù)量為不大于20kb/s，線路截?cái)嚅y室SCADA數(shù)據(jù)量為不大于3kb/s，使用衛(wèi)星通信和傳統(tǒng)無線路由通信系統(tǒng)可以滿足需求。隨著智慧管道建設(shè)的總體布局和國家公安部相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，采用技術(shù)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(cè)的視頻監(jiān)控需求日益迫切。為滿足視頻圖像的傳輸，本文在M2M技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合工業(yè)電視設(shè)備智能性，給出如下解決方案。

經(jīng)不完全統(tǒng)計(jì)，天然氣管道閥室現(xiàn)場全年大部分時(shí)間處于無人狀態(tài)，在現(xiàn)場無人員入侵，圖像畫面無狀態(tài)變化時(shí)，前端攝像機(jī)定時(shí)將現(xiàn)場一張圖片信號傳輸給中心平臺，實(shí)時(shí)視頻信號本地存儲在攝像機(jī)本地的SD卡。當(dāng)攝像機(jī)檢測到人員入侵，及時(shí)將告警信息傳輸給中心平臺，中心平臺調(diào)取現(xiàn)場實(shí)時(shí)錄像，中心平臺監(jiān)控人員根據(jù)實(shí)際情況判斷屏蔽告警信息或語音驅(qū)逐現(xiàn)場入侵人員。經(jīng)測試，單個(gè)閥室每月數(shù)據(jù)總量為6GB，月度資費(fèi)為80元。圖2為本文實(shí)際應(yīng)用中構(gòu)架系統(tǒng)框圖。M2M終端設(shè)備為支持4G通信傳輸體制的無線路由器，支持兩個(gè)不同運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)傳輸。終端設(shè)備的天線為全向天線，當(dāng)現(xiàn)場電信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量差，可采用定向天線提高系統(tǒng)運(yùn)行增益。

圖2 實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為保證生產(chǎn)數(shù)據(jù)和工業(yè)電視的有效隔離，可在M2M終端設(shè)備端口設(shè)置VLAN ID。中心站點(diǎn)業(yè)務(wù)平臺完成身份認(rèn)證并將數(shù)據(jù)送至對應(yīng)服務(wù)器。

3 天然氣管道行業(yè)應(yīng)用探索

本文所設(shè)計(jì)的M2M物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)在國內(nèi)某長輸天然氣管道應(yīng)用，該管道建設(shè)投產(chǎn)時(shí)未敷設(shè)光纜，生產(chǎn)數(shù)據(jù)依靠衛(wèi)星通信和無線路由通信傳輸。為實(shí)現(xiàn)對全部閥室和管道沿線視頻信號的傳輸，租用運(yùn)營商DDN電路的方式經(jīng)濟(jì)成本較高，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并結(jié)合工業(yè)電視設(shè)備的智能性，滿足生產(chǎn)運(yùn)行需求。

該系統(tǒng)對現(xiàn)場電信運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量要求較高，在部署網(wǎng)絡(luò)時(shí)應(yīng)對現(xiàn)場電信網(wǎng)絡(luò)信號進(jìn)行質(zhì)量測試，包括現(xiàn)場信號強(qiáng)度和覆蓋范圍，經(jīng)過測試對比，本文應(yīng)用系統(tǒng)遠(yuǎn)端站設(shè)備采用中國聯(lián)通和中國電信的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)卡，互為備份，提高系統(tǒng)可靠性。終端設(shè)備通過約定的域名和口令撥號入網(wǎng)，在運(yùn)營商VPDN平臺完成身份認(rèn)證并構(gòu)建與業(yè)務(wù)平臺的傳輸隧道。業(yè)務(wù)平臺完成終端設(shè)備的身份認(rèn)證并分配局域網(wǎng)IP地址，運(yùn)營商VPDN平臺完成局域網(wǎng)IP地址和運(yùn)營商廣域網(wǎng)IP地址的一一映射，建立起M2M終端設(shè)備與M2M業(yè)務(wù)平臺之間L2PT傳輸隧道。根據(jù)M2M終端設(shè)備最大接入量，租用電信運(yùn)營商VPDN平臺至M2M業(yè)務(wù)平臺傳輸電路帶寬為8Mb/s。

在系統(tǒng)應(yīng)用的天然氣管道中所轄M2M遠(yuǎn)端站設(shè)備共部署44個(gè)，包括閥室39個(gè)和管道沿線5個(gè)點(diǎn)，完成現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)和視頻監(jiān)控信號的處理和傳輸。閥室生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，閥室及線路的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在無人員入侵環(huán)境下，每5分鐘抓拍1張現(xiàn)場圖片傳輸?shù)搅髅襟w服務(wù)器，實(shí)時(shí)視頻信號攝像機(jī)本地存儲，攝像機(jī)本地搭載1張容量128GB的Micro SD卡。

根據(jù)本系統(tǒng)實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，生產(chǎn)數(shù)據(jù)可靠性達(dá)到99.99%，單M2M終端設(shè)備月度物聯(lián)網(wǎng)流量約為6GB，相比于租用運(yùn)營商電路的解決方案，可以極大減少電路資費(fèi)，同時(shí)滿足生產(chǎn)運(yùn)行需求，可靠性好。

4 結(jié)束語

為滿足天然氣管道對生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸可靠性和視頻監(jiān)控大容量信號逐步接入的需求，本文基于M2M物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并結(jié)合終端設(shè)備的智能化功能，設(shè)計(jì)并實(shí)施一套應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，成功解決了無光通信系統(tǒng)的天然氣管道對現(xiàn)場信號傳輸?shù)膯栴}。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)清晰，運(yùn)行成本低，可靠性能高，可以廣泛地應(yīng)用在工業(yè)傳輸領(lǐng)域中。