楊金麗，蔣徐標(biāo)，白琳

(中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100028)

隨著 “數(shù)字油田”“智能油田”等信息化戰(zhàn)略要求的不斷深入，各類信息化業(yè)務(wù)在海上油氣田的應(yīng)用深度及廣度不斷延伸，信息化已經(jīng)成為該行業(yè)實(shí)現(xiàn)“提質(zhì)增效”，推進(jìn)“二次跨越”的重要推動(dòng)力。而伴隨各種通信技術(shù)特別是光通信技術(shù)、大帶寬微波通信技術(shù)、4G無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的大力發(fā)展，TCP/IP協(xié)議得到廣泛應(yīng)用。IP 承載網(wǎng)是利用 IP 技術(shù)構(gòu)建的多業(yè)務(wù)融合的專網(wǎng)，用于承載，如語(yǔ)音、生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)、視頻會(huì)議等，對(duì)傳輸質(zhì)量要求較高的業(yè)務(wù)。IP 承載網(wǎng)絡(luò)在海上油氣田生產(chǎn)運(yùn)行中，已逐漸成為當(dāng)前應(yīng)用規(guī)模最大的網(wǎng)絡(luò)，相比其他形態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，具有低成本、易擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，是多業(yè)務(wù)的承載平臺(tái)，能夠帶來(lái)更高效、便捷、智能的信息服務(wù)。

1 海上油氣田網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀和主要問(wèn)題

海上智能油氣田建設(shè)需開(kāi)通油田調(diào)度指揮系統(tǒng)、智能監(jiān)控系統(tǒng)、油氣田知識(shí)庫(kù)、電力組網(wǎng)系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等多個(gè)信息管理平臺(tái)。目前，海上油氣田運(yùn)營(yíng)的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，特別是早期建設(shè)的油氣田各系統(tǒng)，如生產(chǎn)、辦公、語(yǔ)音、視頻采用不同的傳輸協(xié)議，各自獨(dú)立組網(wǎng)，帶寬利用率低，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷非常嚴(yán)重。當(dāng)前各油氣田IP承載網(wǎng)主要存在問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：

1)網(wǎng)絡(luò)拓展性相對(duì)差。早期建設(shè)并投入使用的海上油氣田基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，只能提供時(shí)分復(fù)用(TDM)業(yè)務(wù)?，F(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)帶寬低、延時(shí)大、不支持多業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)承載、接入方式不靈活，帶寬資源緊張。同時(shí)，平臺(tái)各數(shù)據(jù)系統(tǒng)通信協(xié)議不同，系統(tǒng)之間通信需要大量協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此，對(duì)于新增業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)流量的增加，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要很大的改造工程量，實(shí)施難度大。

2)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)困難。各油氣田生產(chǎn)辦公系統(tǒng)獨(dú)立成網(wǎng)，在骨干層主要通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的微波網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)與陸地各信息中心連接，南海某氣田群衛(wèi)星組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。從圖1中可以看出點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的衛(wèi)星系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但每一條鏈路需要一對(duì)調(diào)制解調(diào)器，因此陸地各信息中心會(huì)堆疊很多調(diào)制解調(diào)器，接線與接口復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理；而海上平臺(tái)不同于陸地，現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)非常困難。

圖1 南海某氣田群衛(wèi)星組網(wǎng)架構(gòu)示意

3)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成本高，信息共享代價(jià)大。智能油氣田信息化系統(tǒng)對(duì)IP承載網(wǎng)絡(luò)要求非常高，需要全程監(jiān)控各節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，而目前各油氣田網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不能滿足實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程網(wǎng)管，因此需要投入更多的人力和物力進(jìn)行維護(hù)，運(yùn)維費(fèi)用昂貴。海上油氣田為實(shí)現(xiàn)信息共享，需要增加協(xié)議轉(zhuǎn)換器或網(wǎng)管設(shè)備，從而造成故障隱患點(diǎn)和設(shè)備投資的增加。

2 多業(yè)務(wù)融合的IP 承載網(wǎng)絡(luò)建設(shè)思路及原則

根據(jù)已建平臺(tái)的數(shù)據(jù)流量統(tǒng)計(jì)信息，不同規(guī)模油田的生產(chǎn)、辦公系統(tǒng)數(shù)據(jù)流是可估的，采用IP承載網(wǎng)可根據(jù)不同業(yè)務(wù)流量需求規(guī)劃資源，而TCP/IP技術(shù)的QoS 保障和安全機(jī)制的部署，可以避免Internet 上的安全和質(zhì)量難題[1-2]。通過(guò)IP承載網(wǎng)合理的規(guī)劃建設(shè)可以有效解決目前海上油氣田面臨的問(wèn)題。

2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求

海上油氣田IP 承載網(wǎng)可分為骨干層、匯聚層和接入層。海上油氣田接入層網(wǎng)絡(luò)為油田不同信息系統(tǒng)提供IP端口，通過(guò)以太網(wǎng)將各業(yè)務(wù)系統(tǒng)接入帶路由規(guī)劃功能的井口平臺(tái)交換機(jī)；匯聚層網(wǎng)絡(luò)則以中心平臺(tái)為核心節(jié)點(diǎn)，各井口平臺(tái)信息流通過(guò)光纖、微波網(wǎng)接入中心平臺(tái)局域網(wǎng)；而骨干層為IP承載網(wǎng)的主干鏈路，通過(guò)衛(wèi)星、微波接入陸地各信息處理中心，骨干層網(wǎng)絡(luò)為油氣田生產(chǎn)(包括油田數(shù)據(jù)庫(kù)、工控網(wǎng)系統(tǒng)、電力組網(wǎng)系統(tǒng)等)、辦公(包括日常郵件、會(huì)議、語(yǔ)音、視頻等)、公共網(wǎng)等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供快速傳輸通道[3-4]。中海油IP 承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 中海油IP 承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

2.2 海上油氣田網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃原則及技術(shù)要求

2.2.1 骨干層

骨干層在中心平臺(tái)與陸地信息處理中心之間、中心平臺(tái)之間的通信以衛(wèi)星、微波為主，光纖為輔助，構(gòu)建能夠覆蓋整個(gè)海上油氣田業(yè)務(wù)需求并提供安全穩(wěn)定的骨干鏈路。骨干層路由器與SDH光端機(jī)或核心交換機(jī)對(duì)接，通過(guò)傳輸鏈路完成路由器互聯(lián)，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，同時(shí)應(yīng)具備多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS)功能，支持二、三層MPLS虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，滿足不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流相互隔離的需求[5]。

2.2.2 匯聚層

匯聚層是中心平臺(tái)與井口平臺(tái)之間以光纜為主，微波為備用路由構(gòu)建的覆蓋一個(gè)油田群內(nèi)部業(yè)務(wù)傳輸需求的鏈路。井口平臺(tái)的功能、定員、物流等因素決定了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量的不同，每個(gè)井口平臺(tái)接入?yún)R聚層網(wǎng)絡(luò)的帶寬需求也不一樣。由于早期建設(shè)的平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)改造是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程，非IP業(yè)務(wù)在未來(lái)一段時(shí)間會(huì)與IP業(yè)務(wù)并存[1-2]。因此，對(duì)于與老油田有接口業(yè)務(wù)的新建油田采用MSTP設(shè)備滿足網(wǎng)絡(luò)既能承載IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)也能支持傳統(tǒng)業(yè)務(wù)需求。而對(duì)于新開(kāi)發(fā)油氣田，則在匯聚層和骨干層采用三層交換機(jī)，利用快速以太網(wǎng)技術(shù)搭建IP承載網(wǎng)絡(luò)。匯聚層的路由器或核心交換機(jī)要求有足夠的IP接口，能夠?qū)⒕谄脚_(tái)各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)匯聚至中心平臺(tái)。

2.2.3 接入層

接入層選擇IP網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)，采用統(tǒng)一的以太網(wǎng)接口，降低了設(shè)備投資，保證了高可靠性。SDH光端機(jī)或三層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)端口不足時(shí)，需采用二層交換機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展，并需符合實(shí)際工作的不同實(shí)際情況需求。在生活樓內(nèi)距離報(bào)房較近的房間采用超五類雙絞線；對(duì)于生產(chǎn)區(qū)內(nèi)各控制室，當(dāng)超過(guò)報(bào)房100 m較遠(yuǎn)距離時(shí)，采用光纖進(jìn)行組網(wǎng)。

2.3 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

2.3.1 多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)IP 封裝并統(tǒng)一規(guī)劃

對(duì)于油氣田已建平臺(tái)和新建平臺(tái)，通過(guò)構(gòu)建多業(yè)務(wù)融合的IP承載網(wǎng)，能夠提高油氣田網(wǎng)絡(luò)的兼容性和延展性。近年來(lái)IP電話，IPTV，IP CCTV等技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣，為IP承載網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)提供了良好的基礎(chǔ)。IP承載網(wǎng)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口將海上平臺(tái)不同業(yè)務(wù)融合封裝成IP報(bào)文進(jìn)行統(tǒng)一傳輸。海上油氣田IP數(shù)據(jù)封裝如圖3所示。

圖3 海上油氣田各系統(tǒng)IP數(shù)據(jù)封裝示意

2.3.2 MPLS VPN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)隔離

海上平臺(tái)二層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)將所有業(yè)務(wù)根據(jù)傳輸類型劃分虛擬局域網(wǎng)(VLAN)。各個(gè)VLAN 的數(shù)據(jù)流通過(guò)平臺(tái)路由器進(jìn)行VRF路由轉(zhuǎn)發(fā)表封裝并標(biāo)記，每種數(shù)據(jù)包獨(dú)立使用一條VPN 通道[6]。數(shù)據(jù)包通過(guò)骨干網(wǎng)到達(dá)陸地信息處理中心，經(jīng)過(guò)具備標(biāo)簽交換能力的核心設(shè)備和交換機(jī)進(jìn)行標(biāo)記拆除和解封，還原為各個(gè)不同VLAN。

通過(guò)VLAN劃分和MPLS VPN技術(shù)隔離平臺(tái)各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，使各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸更加可靠[7]。同時(shí)，海上平臺(tái)各業(yè)務(wù)進(jìn)行虛擬隔離后，統(tǒng)一分配各VLAN的IP 地址，方便IP地址管理，避免了IP資源浪費(fèi)。

2.3.3 冗余鏈路實(shí)現(xiàn)智能切換

目前海上油氣田骨干鏈路主要以衛(wèi)星系統(tǒng)和對(duì)岸微波為基礎(chǔ)傳輸鏈路，上岸光纖通信系統(tǒng)則根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況配置。其中，以微波或光纖為主，衛(wèi)星為備用路由。當(dāng)其中一條鏈路中斷時(shí)，平臺(tái)所有業(yè)務(wù)應(yīng)能自動(dòng)切換到冗余鏈路。

2.3.4 QoS 保障及信息安全

IP承載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備QoS 保障能力，能夠確保最高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)享有更高的帶寬分配。在帶寬資源不足時(shí)，應(yīng)保證優(yōu)先級(jí)最高的業(yè)務(wù)通信。同時(shí)在平臺(tái)內(nèi)部采用VLAN技術(shù)，在中心平臺(tái)路由器利用MPLS VPN 技術(shù)隔離不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流，保證網(wǎng)絡(luò)信息安全，提高了海上平臺(tái)IP承載網(wǎng)的安全性和可靠性。

2.4 路由協(xié)議選擇

海上油氣田的IP承載網(wǎng)路由協(xié)議已由靜態(tài)路由升級(jí)為開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先(OSPF)動(dòng)態(tài)路由協(xié)議。OSPF是一個(gè)內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議(IGP)，用于在單一自治系統(tǒng)(AS)內(nèi)決策路由。OSPF也稱鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，是功能最強(qiáng)大、特點(diǎn)最豐富的開(kāi)放式路由協(xié)議之一。OSPF 具有自動(dòng)計(jì)算功能，可以自動(dòng)計(jì)算出鏈路耗費(fèi)，自動(dòng)選擇默認(rèn)路由，采用路由耗費(fèi)的缺省值可以大幅簡(jiǎn)化OSPF網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。OSPF路由器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口的狀態(tài)來(lái)建立鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，生成最短路徑樹(shù)，從而構(gòu)造路由表[8]。

2.5 路由和流量規(guī)劃

以海上某油田群為例，中心平臺(tái)與井口平臺(tái)之間通過(guò)海底復(fù)合光纜連接，中心平臺(tái)則依托岸電通過(guò)上岸光纜、對(duì)岸微波和衛(wèi)星接入陸地海油網(wǎng)。其中，上岸光纜為主鏈路，大容量微波及衛(wèi)星為備用鏈路，IP承載網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 渤海某油田IP承載網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

由圖4可知，油田主要業(yè)務(wù)集中在生產(chǎn)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、辦公、視頻等方面。根據(jù)數(shù)據(jù)屬性和重要性等級(jí)分別規(guī)劃為生產(chǎn)網(wǎng)(工控網(wǎng))、辦公網(wǎng)、公共網(wǎng)三個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置虛擬網(wǎng)OSPF的Cost值，可實(shí)現(xiàn)最佳路由和流量規(guī)劃。同時(shí)，整個(gè)IP承載網(wǎng)絡(luò)可采用流量監(jiān)控和QoS技術(shù)使網(wǎng)絡(luò)資源得到合理利用[9]。

井口平臺(tái)各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流通過(guò)以太網(wǎng)幀標(biāo)記進(jìn)行標(biāo)識(shí)，以保障各數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)保障等級(jí)，以太網(wǎng)交換機(jī)將各數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至路由器，并通過(guò)光纜傳輸至中心平臺(tái)路由器。該路由器利用IP 報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)DSCP等級(jí)標(biāo)識(shí)和VLAN標(biāo)識(shí)，將各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流按報(bào)文等級(jí)和MPLS VPN 路徑進(jìn)行流量的隊(duì)列調(diào)度、擁塞控制和監(jiān)管整形，通過(guò)骨干網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)[10]。各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流傳輸至陸地信息中心后再進(jìn)行反向映射。

正常運(yùn)行時(shí)，全油田業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)全部通過(guò)上岸光纜進(jìn)行傳輸，當(dāng)海纜因船舶拋錨掛斷或故障時(shí)，則自動(dòng)切換至微波通信及衛(wèi)星通信系統(tǒng)。備用路由流量規(guī)劃如下：

1)衛(wèi)星年租費(fèi)隨著帶寬的增大而增加，整個(gè)油田生命周期內(nèi)費(fèi)用昂貴，因此在微波鏈路使用良好的情況下，衛(wèi)星只用于傳輸語(yǔ)音信號(hào)(需要較高的穩(wěn)定性，并占有較小的帶寬)及重要工控網(wǎng)關(guān)斷數(shù)據(jù)。而微波鏈路雖然穩(wěn)定性相對(duì)衛(wèi)星較差，但具有20～40 M的帶寬，同時(shí)設(shè)備價(jià)格也相對(duì)低廉，因此需要較大的帶寬的生產(chǎn)數(shù)據(jù)和辦公數(shù)據(jù)通過(guò)微波鏈路傳輸。

2)當(dāng)衛(wèi)星鏈路中斷時(shí)，語(yǔ)音業(yè)務(wù)及所有工控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)路由選擇自動(dòng)切換到微波鏈路進(jìn)行傳送。當(dāng)微波鏈路因設(shè)備損壞或臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣中斷時(shí)，生產(chǎn)和辦公業(yè)務(wù)自動(dòng)切換到衛(wèi)星鏈路。同時(shí)，當(dāng)衛(wèi)星鏈路帶寬有限時(shí)，通過(guò)QoS保障語(yǔ)音和控制數(shù)據(jù)的使用帶寬，將辦公業(yè)務(wù)切斷，由此可避免視頻流等因占用衛(wèi)星流量而引起語(yǔ)音質(zhì)量受損或控制網(wǎng)中斷。

3 海上油氣田IP承載網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建議

對(duì)于目前海上油氣田使用IP承載網(wǎng)情況，規(guī)劃建議有以下幾點(diǎn)：

1)IP承載網(wǎng)的規(guī)劃應(yīng)具有前瞻性，從整個(gè)油田生命周期出發(fā)不僅僅考慮已建油田和新建油田網(wǎng)絡(luò)需求和承載能力，應(yīng)同時(shí)將未來(lái)油田發(fā)展納入規(guī)劃范疇。

2)匯聚層網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)海上油氣田發(fā)展情況分期逐步改造，并根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況盡可能利用原有資源，節(jié)省投資。

3)充分利用IP承載網(wǎng)優(yōu)勢(shì)，將三層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)組網(wǎng)(快速以太網(wǎng)技術(shù))與SDH光端機(jī)組網(wǎng)互聯(lián)，提升整個(gè)油田信息承載能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前已在四個(gè)海域油氣田進(jìn)行IP承載網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)，特別是渤海區(qū)域借助完善的光纖通信網(wǎng)、微波網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)升級(jí)改造已基本完成。通過(guò)構(gòu)建的多業(yè)務(wù)融合IP承載網(wǎng)，將衛(wèi)星、微波、光纜鏈路進(jìn)行集成、冗余及自動(dòng)路由選擇，大幅增強(qiáng)了通信鏈路的穩(wěn)定性和安全性。IP承載網(wǎng)為海上油氣田提供有QoS 保障的VPN 業(yè)務(wù)，提高了海上平臺(tái)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、辦公等業(yè)務(wù)的服務(wù)保障等級(jí)，大幅減少了網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)間。網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的提高也較大程度減少了網(wǎng)絡(luò)故障率，有效降低了運(yùn)維成本和設(shè)備投資成本。