張冬雪，姚彥斌，強劍，魯浩然，何亦凡

(1.中國石油天然氣股份有限公司西北銷售分公司，甘肅 蘭州 730000；2.昆侖數(shù)智科技有限責任公司，北京 100000)

0 引言

成品油庫是煉化企業(yè)、倉儲物流企業(yè)、銷售貿(mào)易企業(yè)在生產(chǎn)、銷售、運輸過程中，用以收發(fā)、存儲成品油的獨立設施，是穩(wěn)定順暢油品供應鏈產(chǎn)、煉、銷、儲、貿(mào)環(huán)節(jié)的紐帶和橋梁，是石油價值鏈體系中重要的調(diào)節(jié)、緩沖工具。

油庫生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是通過智能傳感器、射頻識別、自動化控制、智能分析、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，對油庫儲、供、管等生產(chǎn)動態(tài)過程進行全面感知，實現(xiàn)油庫生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動采集、傳遞、處理、生產(chǎn)運行監(jiān)控集中管理和應用的系統(tǒng)。系統(tǒng)基本的功能特征是提供“無處不在的連接和在線服務”，主要包括在線監(jiān)測、定位追溯、報警聯(lián)動、指揮調(diào)度、集中展示、統(tǒng)計決策等功能。通過物聯(lián)網(wǎng)平臺的建設，促進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與油庫生產(chǎn)操作業(yè)務的深度融合，解決油庫生產(chǎn)運營中存在的短板，轉(zhuǎn)變油庫運營模式，推進油庫業(yè)務的網(wǎng)絡化和智能化水平，保障油庫安全生產(chǎn)。

1 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)

1.1 射頻識別技術(shù)

射頻識別技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，關(guān)于RFID的應用大都集中在物流、藥品及食品安全、物品跟蹤，以及與票務相關(guān)的身份識別等領域?；ヂ?lián)網(wǎng)的發(fā)展以及各方面技術(shù)的融合已經(jīng)促使RFID在應用的領域不斷演進，并由最初的物品識別與跟蹤逐步向更豐富功能的應用發(fā)展[1]。當今社會正處于數(shù)字化、智能化快速發(fā)展階段，RFID技術(shù)在工業(yè)自動化、商業(yè)自動化等領域應用前景非常大，將成為未來支撐物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)。

1.2 傳感器技術(shù)

傳感器是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成之一，也是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成中不可或缺的、重要的關(guān)鍵組成部分。各種類型的傳感器是探測和獲取外界信息的重要手段，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)中獲得信息的重要手段和途徑，傳感器采集信息的準確、可靠、實時將直接影響到控制節(jié)點對信息的處理與傳輸。傳感器的可靠性、實時性、抗干擾性等性能，對物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)的性能起到舉足輕重的作用[2]。傳感器在生活中無處不在，傳感器技術(shù)是物聯(lián)設備數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)年P(guān)鍵。傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢不僅是應用更加智能、測量更加準確，還將朝著更快、更小、更安全、更標準和無線應用與自我學習等方向發(fā)展。

1.3 云/邊技術(shù)

云計算是物聯(lián)網(wǎng)中一項關(guān)鍵的技術(shù)，云計算是結(jié)合并行計算、分布式計算和網(wǎng)格計算的綜合計算方式，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展必須依靠效率存儲和高計算能力等技術(shù)，云計算技術(shù)的優(yōu)勢就在于此，所以云計算技術(shù)將是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要基礎[3]。邊緣計算是區(qū)別于后端集中智能的、分布于物聯(lián)網(wǎng)邊緣節(jié)點的智能計算能力，往往分布于感知延伸層的終端單元內(nèi)。通過邊緣計算，將部分智能處理功能分布到這些終端單元，感知到的數(shù)據(jù)首先在這些單元進行預處理，然后根據(jù)預設邏輯將結(jié)果上傳到后端平臺進行后續(xù)的分析處理[4]。邊緣計算在油庫主要滿足現(xiàn)場大量數(shù)據(jù)的實時處理能力，賦能現(xiàn)場智能化應用。油庫邊緣計算平臺主要功能包括感知匯聚生產(chǎn)物聯(lián)數(shù)據(jù)、實時處理生產(chǎn)數(shù)據(jù)、業(yè)務智能分析、生產(chǎn)設備智能控制等。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)和Internet技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對信息隨時隨地獲取和交換的迫切需要，無線網(wǎng)絡逐漸走入人們的視野，在有線網(wǎng)絡技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟的今天，無線網(wǎng)絡具有巨大的潛力。為了滿足物聯(lián)網(wǎng)的應用需求，在技術(shù)、成本、可靠性、功耗及可實用性等各方面的綜合考慮下，短距離無線通信技術(shù)已成了物聯(lián)網(wǎng)中的主要技術(shù)，主要包括藍牙技術(shù)、Wif i技術(shù)、ZigBee技術(shù)、UWB技術(shù)、NFC技術(shù)[5]。然而上述技術(shù)往往存在一個問題即不能同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的長距離傳輸和低功耗，并且在用戶接入數(shù)量上有時也并不能滿足實際需求。而NB-IoT和LoRa作為兩種大容量、廣覆蓋、低功耗、低成本、高穩(wěn)定性的廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為其提供了發(fā)展支撐[6]。無線數(shù)據(jù)傳輸通常作為有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)难a充，比如在水、電能耗監(jiān)測、環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測等領域的應用，但是無線數(shù)據(jù)傳輸在數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性方面還需不斷提升。

1.5 物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的信息安全問題是關(guān)系物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)能否安全可持續(xù)發(fā)展的核心技術(shù)之一，在物聯(lián)網(wǎng)的感知層，輕量級安全是其需求特點，也是最主要的技術(shù)挑戰(zhàn)。輕量級安全技術(shù)包括輕量級密碼算法和輕量級安全協(xié)議。在物聯(lián)網(wǎng)傳輸層主要考慮互聯(lián)網(wǎng)和移動網(wǎng)絡，互聯(lián)網(wǎng)有著許多安全保護技術(shù)，包括物理層、IP層、傳輸層、和應用層的各個方面，而移動網(wǎng)絡的安全保護也有自己的國際標準，因此物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的安全技術(shù)不是物聯(lián)網(wǎng)安全中的研究重點。在物聯(lián)網(wǎng)的應用層，隱私保護、移動終端設備安全、物聯(lián)網(wǎng)安全基礎設施和物聯(lián)網(wǎng)安全測評體系是關(guān)鍵技術(shù)[7]。近年來，國家在信息安全方面也出臺相關(guān)法律法規(guī)，旨在保護數(shù)據(jù)安全，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)目前處于快速發(fā)展階段，只有物聯(lián)網(wǎng)安全技術(shù)跟上物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展步伐，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展才能走的更遠。

2 油庫物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀

油庫有儲運、消防、安防、輔助(環(huán)保、油氣回收和能耗)等業(yè)務。儲運業(yè)務采用公路、鐵路、管輸和水運運輸方式，通過收發(fā)油控制、油罐自動計量、流程自動化等自動化控制系統(tǒng)進行收發(fā)存作業(yè)；消防通過可燃氣體檢測、火災探測、泡沫滅火等系統(tǒng)進行管理；安防通過視頻監(jiān)控、周界防范、電子巡更、門禁等系統(tǒng)進行管理；其他輔助監(jiān)控通過污水處理、能耗監(jiān)控、油氣回收等系統(tǒng)管理。安全生產(chǎn)運行過程主要在油庫中心控制室進行集中監(jiān)控，對油庫地理位置分散企業(yè)，不能實現(xiàn)集中遠程監(jiān)控和管理。

近年來，成品油庫對現(xiàn)場環(huán)境、工藝、安全等參數(shù)監(jiān)測需求日益增長。根據(jù)安全生產(chǎn)管理需要，分析油庫現(xiàn)狀、存在的問題和主要風險，針對各自油庫管理特點，不同程度地開展了油庫物聯(lián)網(wǎng)工作，但工藝參數(shù)接入手段單一，儀表設備改造工程難度大、投資成本高，傳統(tǒng)無線技術(shù)兼容性不強，實施投入高、運維成本高，制約油庫數(shù)字化水平提升。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的高度集成和綜合運用，通過專業(yè)管理與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融合，實現(xiàn)油庫數(shù)字化轉(zhuǎn)型智能化發(fā)展，落實國家安全環(huán)保監(jiān)管要求，保障油庫安全生產(chǎn)。

3 油庫物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

油庫物聯(lián)網(wǎng)平臺以國家工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)為指引，以“厚平臺、薄應用”為特征，打造物聯(lián)網(wǎng)體系[8]。整體架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡層、IAAS層、PAAS層、DAAS層、SAAS層和展示層，以及貫穿七層的網(wǎng)絡與工控安全防護體系構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 技術(shù)架構(gòu)

4 油庫物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)應用

4.1 感知技術(shù)

通過RFID技術(shù)，建立基于物聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)物資動態(tài)監(jiān)測和智能巡檢，方便地獲取物資信息和巡檢點信息，實現(xiàn)物資管理和人員協(xié)同作業(yè)。通過在物資設備

上粘貼RFID標簽，在設備出入庫時，通過掃描設備上的RFID標簽，實現(xiàn)物資的庫存、出入庫管理。通過在巡檢點上粘貼RFID標簽，當巡檢人員巡檢時，通過掃描巡檢點上RFID標簽，就能夠自動記錄巡檢數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)對儲罐區(qū)、裝卸區(qū)輔助作業(yè)區(qū)的智能巡檢。建立庫區(qū)無線WIFI網(wǎng)絡覆蓋，解決現(xiàn)場人員手持終端和無線儀表的接入。這滿足人員協(xié)同作業(yè)、遠程集群對講、新增儀表數(shù)據(jù)采集等要求，提供基礎鏈路保障。

4.2 基于混合協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)接入和發(fā)布技術(shù)

油庫的工業(yè)控制系統(tǒng)采用西門子、霍尼韋爾、GE等的控制系統(tǒng)，油庫物聯(lián)網(wǎng)設備種類、數(shù)量和協(xié)議較多。為了滿足油庫現(xiàn)場數(shù)據(jù)接入需要，根據(jù)油庫自動化控制系統(tǒng)和現(xiàn)場設備的實際情況，研制了多種工控協(xié)議的混合協(xié)議資源池，支持OPC DA、OPC AE、ModBus、WEB API、MQTT等協(xié)議和關(guān)系數(shù)據(jù)庫、文本文件等數(shù)據(jù)存儲方式的數(shù)據(jù)接入，實現(xiàn)油庫物聯(lián)數(shù)據(jù)的快速接入。數(shù)據(jù)接入對外提供統(tǒng)一的服務啟動、連接、監(jiān)聽以及數(shù)據(jù)接口。數(shù)據(jù)接入端通過上述協(xié)議采集各自控系統(tǒng)和設備數(shù)據(jù)進行匯總，并將所有數(shù)據(jù)按照固定規(guī)則顯示在數(shù)據(jù)接入計算機的顯示器上，以指定的頻率刷新，數(shù)據(jù)發(fā)布端以指定的頻率對接入計算機顯示器上的數(shù)據(jù)視頻圖像自動拍照，將拍攝得到的數(shù)字圖像轉(zhuǎn)換成計算機標準的數(shù)據(jù)，之后再將轉(zhuǎn)換出來的數(shù)據(jù)以OPC DA、WEB API、MQTT等多種協(xié)議發(fā)布，供上層應用接入，實現(xiàn)油庫物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)據(jù)對外發(fā)布。數(shù)據(jù)接入機與數(shù)據(jù)發(fā)布機只通過視頻線單向傳輸電信號，從而隔絕病毒和網(wǎng)絡攻擊，保障控制系統(tǒng)的安全。

4.3 實時數(shù)據(jù)采集、存儲和處理技術(shù)

針對油庫物聯(lián)設備種類協(xié)議多實時數(shù)據(jù)采集存儲難度大，研發(fā)了油庫多源異構(gòu)協(xié)議的設備數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)，設計了基于Flume和Kafka的分布式實時數(shù)據(jù)流處理存儲架構(gòu)，實現(xiàn)了實時數(shù)據(jù)快速采集、接入和存儲，支撐了油庫安全生產(chǎn)全生命周期管控。為保證感知層采集的油庫現(xiàn)場大量實時數(shù)據(jù)能夠安全、可靠、高效的方式實時上傳至平臺DAAS層，采用安全隔離設備，基于Flume和Kafka技術(shù)，實現(xiàn)對以現(xiàn)場位號和時間戳為標簽的實時數(shù)據(jù)進行采集、存儲和處理。通過在設備位號與Flume agent、KafkaTopic消息隊列之間建立實時映射關(guān)系，實現(xiàn)油庫設備位號產(chǎn)生的實時數(shù)據(jù)與后續(xù)數(shù)據(jù)處理隊列的對應。利用實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)軟件，實現(xiàn)油庫儲運、消防、安防等生產(chǎn)運行過程的實時監(jiān)控。通過設置預警規(guī)則，實現(xiàn)油庫儲罐液位、溫度、壓力、流速、靜電、溢油、可燃氣體、火焰探測等參數(shù)的實時超閾值報警。通過建立預警模型，實現(xiàn)儲罐液位異常、管線流速異常、設備狀態(tài)異常等規(guī)則的實時預警。通過Web接口，實現(xiàn)報警預警的企業(yè)微信實時推送提醒。

4.4 主動安全網(wǎng)絡認證技術(shù)

為了保障油庫工業(yè)控制系統(tǒng)安全，基于國密SM2非對稱算法，在交換機內(nèi)設計認證標識和認證協(xié)議，形成具有內(nèi)嵌認證服務的邊界認證機，構(gòu)建了油庫工控系統(tǒng)主動安全網(wǎng)絡架構(gòu)，提供了全局、整體、安全一體化的網(wǎng)絡安全防護能力。主動安全網(wǎng)絡技術(shù)架構(gòu)包括認證客戶端、邊界認證機、管理服務器和IPK密鑰平臺以及緊密集成的傳統(tǒng)安全服務。主動安全網(wǎng)絡認證技術(shù)是接入層邊界認證機的內(nèi)嵌認證技術(shù)，是在網(wǎng)絡邊緣層建立設備入網(wǎng)的準入機制，通過網(wǎng)管中心統(tǒng)一管控網(wǎng)絡準入和訪問策略，實現(xiàn)網(wǎng)絡訪問控制的全局統(tǒng)一管理。

5 應用效果

平臺建設立足在油庫信息化基礎上，對分布在多省市的10座成品油庫進行物聯(lián)網(wǎng)建設應用，為油庫的安全生產(chǎn)發(fā)揮了重要作用。平臺實現(xiàn)了油庫多源數(shù)據(jù)的采集、集中處理、管控一體、融合分析、決策支持以及移動應用，實現(xiàn)油庫的精準管控、科學決策及提效降費要求。另外，按照地方政府監(jiān)管的要求，通過該平臺提供的標準化接口將消防安防信息接入了油庫所在地地方政府的相關(guān)監(jiān)管系統(tǒng)。

(1)建立了快速感知能力。為了實現(xiàn)油庫安全生產(chǎn)信息的快速感知能力，搭建庫級低成本、低功耗、易維護的無線物聯(lián)網(wǎng)，利用庫級無線網(wǎng)和5G網(wǎng)絡，在油庫儲運、管線、環(huán)境監(jiān)測等方面部署無線儀表，庫區(qū)設備部署RIFD卡，實現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的油庫全方位快速感知能力。

(2)建立了實時監(jiān)測能力。全面采集10座油庫儲運、消防、安防、油氣回收、計質(zhì)量、設備等40 000多點實時數(shù)據(jù)，構(gòu)建了油庫安全生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺，對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲和監(jiān)測。

(3)建立了超前預警能力?；谟蛶旌Ａ繑?shù)據(jù)，通過對報警數(shù)據(jù)進行分析，建立了風險特征庫，開發(fā)了41個安全生產(chǎn)風險預警模型，建立了4 000余個預警點。

(4)提升應急處置能力。建立了全面的應急管理體系，形成了風險數(shù)據(jù)庫，包括油庫運行、設備管理、安全環(huán)保相關(guān)風險共389項，建立應急演練庫20項，應急處置專家隊伍28人，應急救援隊伍15支，21類14 895件應急救援物資。

(5)建立了評價體系。對油庫的運行效率從高效運行保障、油庫計劃流程、設備設施保障、健康安全環(huán)保、現(xiàn)場管理、組織與管理等建立了油庫全要素評價體系，形成非常規(guī)作業(yè)現(xiàn)場審核率、應急演練計劃完成率、油庫環(huán)保廢水監(jiān)測指標控制、設備有效性等20項目評價指標。

6 未來展望

從技術(shù)創(chuàng)新趨勢來看，未來物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展將更加智能化、平臺化、工具化、全面化。油庫物聯(lián)網(wǎng)主要在NB-IoT、Lora等低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、三維數(shù)字化、人工智能等方面加速發(fā)展。低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要在水電能耗、可燃氣體、壓力監(jiān)測等方面進行應用，補充傳統(tǒng)有線方式的監(jiān)測盲區(qū)，降低油庫現(xiàn)場監(jiān)測成本。三維數(shù)字化將利用工廠三維模型，搭建企業(yè)統(tǒng)一虛擬現(xiàn)實平臺，面向培訓演練、調(diào)度決策指揮等業(yè)務，降低企業(yè)成本與風險，提高業(yè)務運行效率。人工智能將推進物聯(lián)網(wǎng)融合應用，通過人工智能圖像設別分析，進行現(xiàn)場監(jiān)控；通過設備實時數(shù)據(jù)分析，進行預防性維護；通過人員定位，進行人員管理等。未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將不斷與業(yè)務管理創(chuàng)新融合，推動油庫業(yè)務數(shù)字化轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)智能化油庫。

7 結(jié)語

通過油庫物聯(lián)網(wǎng)平臺的建設，促進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與油庫生產(chǎn)操作業(yè)務的深度融合，解決油庫生產(chǎn)運營中存在的短板，支持公司高質(zhì)量發(fā)展。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在油庫的應用，實現(xiàn)了油庫安全生產(chǎn)信息全面快速感知、集中監(jiān)控、預測預警；建立了基于業(yè)務流程的風險防控體系，實現(xiàn)油庫安全生產(chǎn)風險可防可控；建立了網(wǎng)絡安全防護體系，保障油庫安全生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)穩(wěn)定運行。