油库生产物联网技术及其应用

张冬雪，姚彦斌，强剑，鲁浩然，何亦凡

(1.中国石油天然气股份有限公司西北销售分公司，甘肃 兰州 730000；2.昆仑数智科技有限责任公司，北京 100000)

0 引言

成品油库是炼化企业、仓储物流企业、销售贸易企业在生产、销售、运输过程中，用以收发、存储成品油的独立设施，是稳定顺畅油品供应链产、炼、销、储、贸环节的纽带和桥梁，是石油价值链体系中重要的调节、缓冲工具。

油库生产物联网系统是通过智能传感器、射频识别、自动化控制、智能分析、互联网等技术，对油库储、供、管等生产动态过程进行全面感知，实现油库生产数据自动采集、传递、处理、生产运行监控集中管理和应用的系统。系统基本的功能特征是提供“无处不在的连接和在线服务”，主要包括在线监测、定位追溯、报警联动、指挥调度、集中展示、统计决策等功能。通过物联网平台的建设，促进物联网技术与油库生产操作业务的深度融合，解决油库生产运营中存在的短板，转变油库运营模式，推进油库业务的网络化和智能化水平，保障油库安全生产。

1 物联网相关技术

1.1 射频识别技术

射频识别技术是物联网关键技术之一。目前，关于RFID的应用大都集中在物流、药品及食品安全、物品跟踪，以及与票务相关的身份识别等领域。互联网的发展以及各方面技术的融合已经促使RFID在应用的领域不断演进，并由最初的物品识别与跟踪逐步向更丰富功能的应用发展[1]。当今社会正处于数字化、智能化快速发展阶段，RFID技术在工业自动化、商业自动化等领域应用前景非常大，将成为未来支撑物联网发展的重要技术。

1.2 传感器技术

传感器是物联网的重要组成之一，也是物联网系统组成中不可或缺的、重要的关键组成部分。各种类型的传感器是探测和获取外界信息的重要手段，是物联网发展的基础。传感器是物联网中获得信息的重要手段和途径，传感器采集信息的准确、可靠、实时将直接影响到控制节点对信息的处理与传输。传感器的可靠性、实时性、抗干扰性等性能，对物联网应用系统的性能起到举足轻重的作用[2]。传感器在生活中无处不在，传感器技术是物联设备数据采集传输的关键。传感器技术的发展趋势不仅是应用更加智能、测量更加准确，还将朝着更快、更小、更安全、更标准和无线应用与自我学习等方向发展。

1.3 云/边技术

云计算是物联网中一项关键的技术，云计算是结合并行计算、分布式计算和网格计算的综合计算方式，物联网技术的发展必须依靠效率存储和高计算能力等技术，云计算技术的优势就在于此，所以云计算技术将是物联网发展的重要基础[3]。边缘计算是区别于后端集中智能的、分布于物联网边缘节点的智能计算能力，往往分布于感知延伸层的终端单元内。通过边缘计算，将部分智能处理功能分布到这些终端单元，感知到的数据首先在这些单元进行预处理，然后根据预设逻辑将结果上传到后端平台进行后续的分析处理[4]。边缘计算在油库主要满足现场大量数据的实时处理能力，赋能现场智能化应用。油库边缘计算平台主要功能包括感知汇聚生产物联数据、实时处理生产数据、业务智能分析、生产设备智能控制等。

1.4 数据传输技术

随着电子技术、计算机技术、通信技术和Internet技术的飞速发展，人们对信息随时随地获取和交换的迫切需要，无线网络逐渐走入人们的视野，在有线网络技术已经发展成熟的今天，无线网络具有巨大的潜力。为了满足物联网的应用需求，在技术、成本、可靠性、功耗及可实用性等各方面的综合考虑下，短距离无线通信技术已成了物联网中的主要技术，主要包括蓝牙技术、Wif i技术、ZigBee技术、UWB技术、NFC技术[5]。然而上述技术往往存在一个问题即不能同时实现数据的长距离传输和低功耗，并且在用户接入数量上有时也并不能满足实际需求。而NB-IoT和LoRa作为两种大容量、广覆盖、低功耗、低成本、高稳定性的广域物联网技术为其提供了发展支撑[6]。无线数据传输通常作为有线数据传输的补充，比如在水、电能耗监测、环境质量监测等领域的应用，但是无线数据传输在数据传输的稳定性和安全性方面还需不断提升。

1.5 物联网安全技术

物联网的信息安全问题是关系物联网产业能否安全可持续发展的核心技术之一，在物联网的感知层，轻量级安全是其需求特点，也是最主要的技术挑战。轻量级安全技术包括轻量级密码算法和轻量级安全协议。在物联网传输层主要考虑互联网和移动网络，互联网有着许多安全保护技术，包括物理层、IP层、传输层、和应用层的各个方面，而移动网络的安全保护也有自己的国际标准，因此物联网传输层的安全技术不是物联网安全中的研究重点。在物联网的应用层，隐私保护、移动终端设备安全、物联网安全基础设施和物联网安全测评体系是关键技术[7]。近年来，国家在信息安全方面也出台相关法律法规，旨在保护数据安全，物联网技术目前处于快速发展阶段，只有物联网安全技术跟上物联网技术的发展步伐，物联网技术发展才能走的更远。

2 油库物联网现状

油库有储运、消防、安防、辅助(环保、油气回收和能耗)等业务。储运业务采用公路、铁路、管输和水运运输方式，通过收发油控制、油罐自动计量、流程自动化等自动化控制系统进行收发存作业；消防通过可燃气体检测、火灾探测、泡沫灭火等系统进行管理；安防通过视频监控、周界防范、电子巡更、门禁等系统进行管理；其他辅助监控通过污水处理、能耗监控、油气回收等系统管理。安全生产运行过程主要在油库中心控制室进行集中监控，对油库地理位置分散企业，不能实现集中远程监控和管理。

近年来，成品油库对现场环境、工艺、安全等参数监测需求日益增长。根据安全生产管理需要，分析油库现状、存在的问题和主要风险，针对各自油库管理特点，不同程度地开展了油库物联网工作，但工艺参数接入手段单一，仪表设备改造工程难度大、投资成本高，传统无线技术兼容性不强，实施投入高、运维成本高，制约油库数字化水平提升。物联网是新一代信息技术的高度集成和综合运用，通过专业管理与物联网技术深度融合，实现油库数字化转型智能化发展，落实国家安全环保监管要求，保障油库安全生产。

3 油库物联网技术架构

油库物联网平台以国家工业互联网技术架构为指引，以“厚平台、薄应用”为特征，打造物联网体系[8]。整体架构由感知层、网络层、IAAS层、PAAS层、DAAS层、SAAS层和展示层，以及贯穿七层的网络与工控安全防护体系构成，如图1所示。

图1 技术架构

4 油库物联网关键技术应用

4.1 感知技术

通过RFID技术，建立基于物联网的生产物资动态监测和智能巡检，方便地获取物资信息和巡检点信息，实现物资管理和人员协同作业。通过在物资设备

上粘贴RFID标签，在设备出入库时，通过扫描设备上的RFID标签，实现物资的库存、出入库管理。通过在巡检点上粘贴RFID标签，当巡检人员巡检时，通过扫描巡检点上RFID标签，就能够自动记录巡检数据，从而实现对储罐区、装卸区辅助作业区的智能巡检。建立库区无线WIFI网络覆盖，解决现场人员手持终端和无线仪表的接入。这满足人员协同作业、远程集群对讲、新增仪表数据采集等要求，提供基础链路保障。

4.2 基于混合协议的物联网数据接入和发布技术

油库的工业控制系统采用西门子、霍尼韦尔、GE等的控制系统，油库物联网设备种类、数量和协议较多。为了满足油库现场数据接入需要，根据油库自动化控制系统和现场设备的实际情况，研制了多种工控协议的混合协议资源池，支持OPC DA、OPC AE、ModBus、WEB API、MQTT等协议和关系数据库、文本文件等数据存储方式的数据接入，实现油库物联数据的快速接入。数据接入对外提供统一的服务启动、连接、监听以及数据接口。数据接入端通过上述协议采集各自控系统和设备数据进行汇总，并将所有数据按照固定规则显示在数据接入计算机的显示器上，以指定的频率刷新，数据发布端以指定的频率对接入计算机显示器上的数据视频图像自动拍照，将拍摄得到的数字图像转换成计算机标准的数据，之后再将转换出来的数据以OPC DA、WEB API、MQTT等多种协议发布，供上层应用接入，实现油库物联网设备数据对外发布。数据接入机与数据发布机只通过视频线单向传输电信号，从而隔绝病毒和网络攻击，保障控制系统的安全。

4.3 实时数据采集、存储和处理技术

针对油库物联设备种类协议多实时数据采集存储难度大，研发了油库多源异构协议的设备数据采集处理技术，设计了基于Flume和Kafka的分布式实时数据流处理存储架构，实现了实时数据快速采集、接入和存储，支撑了油库安全生产全生命周期管控。为保证感知层采集的油库现场大量实时数据能够安全、可靠、高效的方式实时上传至平台DAAS层，采用安全隔离设备，基于Flume和Kafka技术，实现对以现场位号和时间戳为标签的实时数据进行采集、存储和处理。通过在设备位号与Flume agent、KafkaTopic消息队列之间建立实时映射关系，实现油库设备位号产生的实时数据与后续数据处理队列的对应。利用实时数据库组态软件，实现油库储运、消防、安防等生产运行过程的实时监控。通过设置预警规则，实现油库储罐液位、温度、压力、流速、静电、溢油、可燃气体、火焰探测等参数的实时超阈值报警。通过建立预警模型，实现储罐液位异常、管线流速异常、设备状态异常等规则的实时预警。通过Web接口，实现报警预警的企业微信实时推送提醒。

4.4 主动安全网络认证技术

为了保障油库工业控制系统安全，基于国密SM2非对称算法，在交换机内设计认证标识和认证协议，形成具有内嵌认证服务的边界认证机，构建了油库工控系统主动安全网络架构，提供了全局、整体、安全一体化的网络安全防护能力。主动安全网络技术架构包括认证客户端、边界认证机、管理服务器和IPK密钥平台以及紧密集成的传统安全服务。主动安全网络认证技术是接入层边界认证机的内嵌认证技术，是在网络边缘层建立设备入网的准入机制，通过网管中心统一管控网络准入和访问策略，实现网络访问控制的全局统一管理。

5 应用效果

平台建设立足在油库信息化基础上，对分布在多省市的10座成品油库进行物联网建设应用，为油库的安全生产发挥了重要作用。平台实现了油库多源数据的采集、集中处理、管控一体、融合分析、决策支持以及移动应用，实现油库的精准管控、科学决策及提效降费要求。另外，按照地方政府监管的要求，通过该平台提供的标准化接口将消防安防信息接入了油库所在地地方政府的相关监管系统。

(1)建立了快速感知能力。为了实现油库安全生产信息的快速感知能力，搭建库级低成本、低功耗、易维护的无线物联网，利用库级无线网和5G网络，在油库储运、管线、环境监测等方面部署无线仪表，库区设备部署RIFD卡，实现了基于物联网的油库全方位快速感知能力。

(2)建立了实时监测能力。全面采集10座油库储运、消防、安防、油气回收、计质量、设备等40 000多点实时数据，构建了油库安全生产大数据平台，对数据进行统一存储和监测。

(3)建立了超前预警能力。基于油库海量数据，通过对报警数据进行分析，建立了风险特征库，开发了41个安全生产风险预警模型，建立了4 000余个预警点。

(4)提升应急处置能力。建立了全面的应急管理体系，形成了风险数据库，包括油库运行、设备管理、安全环保相关风险共389项，建立应急演练库20项，应急处置专家队伍28人，应急救援队伍15支，21类14 895件应急救援物资。

(5)建立了评价体系。对油库的运行效率从高效运行保障、油库计划流程、设备设施保障、健康安全环保、现场管理、组织与管理等建立了油库全要素评价体系，形成非常规作业现场审核率、应急演练计划完成率、油库环保废水监测指标控制、设备有效性等20项目评价指标。

6 未来展望

从技术创新趋势来看，未来物联网行业发展将更加智能化、平台化、工具化、全面化。油库物联网主要在NB-IoT、Lora等低功耗物联网技术、三维数字化、人工智能等方面加速发展。低功耗物联网技术主要在水电能耗、可燃气体、压力监测等方面进行应用，补充传统有线方式的监测盲区，降低油库现场监测成本。三维数字化将利用工厂三维模型，搭建企业统一虚拟现实平台，面向培训演练、调度决策指挥等业务，降低企业成本与风险，提高业务运行效率。人工智能将推进物联网融合应用，通过人工智能图像设别分析，进行现场监控；通过设备实时数据分析，进行预防性维护；通过人员定位，进行人员管理等。未来物联网技术将不断与业务管理创新融合，推动油库业务数字化转型，实现智能化油库。

7 结语

通过油库物联网平台的建设，促进物联网技术与油库生产操作业务的深度融合，解决油库生产运营中存在的短板，支持公司高质量发展。通过物联网技术在油库的应用，实现了油库安全生产信息全面快速感知、集中监控、预测预警；建立了基于业务流程的风险防控体系，实现油库安全生产风险可防可控；建立了网络安全防护体系，保障油库安全生产物联网稳定运行。