以IMS架构智慧油田的研究

(天津市滨海新区大港油田原油运销公司, 天津  300280)

摘 要: 近些年来，油气田开发行业数字化建设亟待转型为智能化。如何泛在融合、升级现有的数字化资源，已成当务之急。随着移动网络的不断发展以及油田智能化全业务的需求变化，引入了以IMS架构智慧油田平台的新一代通信系统，并例举了采油厂IMS融合通信调度方案。

关键词: IMS系统；采油厂IMS融合通信调度系统；智慧油田平台

1 “IMS”简介

“IMS”即“IP Multimedia Subsystem”（IP多媒体系统），是新一代泛在融合智能交互通信网络，具有接入无关性的特点。它引入语音、数据、视频三重融合的网络架构，可以集成在任何智能终端设备，实现移动与固网的融合。

1.1 IMS的发展历程

IMS本质上说是一种网络结构。IMS最初来源于移动通信标准领域，是由3GPP在其Release 5中引入的。3GPP是1998年由欧洲、日本、韩国、美国和中国的标准化机构共同成立的专门制定第三代移动通信系统标准的标准化组织，它推出的第一个规范是R99，之后又相继推出了R4、R5和R6，目前3GPP正在制定R7规范。 

IMS最初的设计思想就要求与接入方式无关的特性，即IMS可以为任何类型的终端提供服务，只要这个终端可以接入到IMS网络。IMS是由R5引入到3G的体系之中后，3G可以在终端和IMS实体间提供底层IP传输连接的所有网络实体和接口的集合。目前 IMS是通过3G体系中的IP网络来为用户提供实时或非实时端到端的多媒体业务。

1.2  IMS的主要特征

1.2.1 接入无关性

无论固定用户还是移动用户通过IMS网络架构通过IP连通，可以影音和数据网络都可以互通。IMS的核心控制部分与IP-CAN是相独立的，只要终端与IMS网络可以通过一定的IP—CAN建立IP连接，则终端就能利用IMS网络来进行通信，而不管这个终端是何种类型的终端。 IMS的网络架构体系使得各种类型的终端IP通信，并可以获得所需要的WLNA、WiMAX、xDSL等不同的接入技术。

1.2.2 针对移动通信环境的优化

IMS用于3G的核心网中，3G技术成熟,因此IMS体系针对移动通信环境进行了充分的考虑，利用TD-LTE的时分双工（TDD）特性来完成通信网络的构建工作，包括压缩的确切规则、允许无线丢失与恢复检测的安全和策略控制机制，网络服务速度和质量均有所提升。

1.2.3 提供丰富的模块化业务

IMS系统的IP多媒体业务可以实现游戏、音频、视频、即时通讯、网页浏览等等是以下一种或者几种情况组合；IMS系统的IP集群，使得系统可以轻松应对企业业务数据不断攀升的量级需求，通过网络架构进行进行服务群集群架构处理，从根本上避免了系统因为受到黑客攻击而全线崩溃的可能；IMS系统丰富的网元，网络无关的用户鉴权与IPSec管理，网络防攻击与安全保护，根据用户签约的初始过滤规则(InitialFilter Criteria,iFC)，进行SIP AS触发，实现丰富的IMS业务功能。

1.2.4 网络融合的平台

IMS将独立终端个体串联在一起，使得固网和移动网的融合成为可能。IMS提供标准接口，开放网络能力，屏蔽了网络协议的复杂性，实现呼叫控制，支持丰富的媒体格式，容易实现不同网络间的互联互通以及实现更加丰富的业务特性。IMS能够被运营商接受与网络机构接入方式的特性外，还具有商用网络所必须拥有的一些功能，包括计费能力、QoS控制、安全策略等。

1.3 IMS系统安全问题分析

IMS系统的安全威胁主要来自于几个方面：重放攻击、未经授权访问敏感数据破坏机密性；篡改、窃取数据以破坏完整性；入侵或拒绝服务导致降低系统可用性等。IP安全协议是IMS系统安全的主要应对措施，实现终端设备接入安全保护。3GPP终端的核心包含多个逻辑应用，而且存储了共享密钥和相应的AKA算法，因此不管是由移动接入还是固定接入，IMS的安全问题都不容忽视。

2 数字化油气田的现状和IMS架构智能化平台的分析

在目前油田专网传统程控交换即将停产、停服及高耗能背景下，亟待解决软交换技术陈旧、通信效能不足问题。新一代IMS系统为油气田开发产业提供了信息和通信融合、安全可靠、高效节能的专网通信系统，为数字化油田转型奠定了通信的基础平台。

新一代通信IMS核心系统标准为引领重构网络架构，解决目前油气田多年来积存的“信息孤岛”、“数据烟囱”、“信息通信安全”、多系统难融合导致的5G及数字化转型难落地、高耗能等问题，以及制约“万物互联”应用落地的多个卡脖子关键问题。

在作业区现场和井口工况下，解决管井工和值班人员巡检过程突发情况的应急平台的实时性、准确性、第一时间取证能力不足导致的效率低、基层管理工作压力大、资源浪费等系列问题。IMS系统可以升级替换掉当前的业务单一、高能耗的公众坐席排队系统，实现手机免安装与调度数字电话可视化报警通信，通信的同时进行录音录像存储，进一步可实现事故发生手机没信号的情况下、只要任意通信运营商基站存活一个无身份识别的公众应急报警能力实现。

3  采油厂调度系统应用IMS融合通信方案

3.1目前采油厂调度系统存在的问题

(1) 生产现场工作效率低，人力物力损耗高；

(2) 各单位工作界面衔接困难，无法统一精确分配工作；

(3) 应急响应效率低和应急物资调备能力低。

3.2采油厂调度系统升级改造面临的难题

(1) 无统一标准，存在网络互联互通障碍和碎片化，落地难；

(2) 安全接入认证管理难，导致数据难溯源，执行难；

(3) 系统多造成的维护难、应急响应效率低等诸多问题。

3.3采油厂调度系统采用IMS标准改造的目标

(1) 系统简化50%；

(2) 互联互通整合效率提升70%；

(3) 安全可靠度及应急响应效率提升90%。

3.4采油厂调度系统采用IMS标准改造的方案

随着5G、卫星等新一代通信技术的发展，在采油厂生产调度系统采用IMS新一代通信技术，支持多种终端和网络接入方式，实现固网和移动网融合。本方案可以专网部署，也可以提供互联网下的运营服务，用户只需购买账号即可拥有自己专属的调度指挥系统，降低用户成本。具体方案如下：

(1) 跨终端、跨平台、跨网络信息通信（图1）：与通信运营商、北斗通信、现有OA系统无障碍互通深度融合。即：以新一代通信技术MS标准实现业务定义，其中可视化、会议、联动、单兵等功能为基础功能，以此实现与运营商、北斗通信互联互通，与第三方系统的深度整合。

(2) 通过网络边界网关和安全网闸实现多网安全融合、各系统数据实时互联互通：实现主要工艺流程生产数据的全面监控、设备运行状态的全面监控，采油厂调度全面监控现状运行情况，统一调度管理。

(3) 通过视频监控、有毒有害气体监测、设备状态监测、生产参数监控以及实时报警功能的实现，提升安全、综治管控能力，保障采油厂生产安全、平稳运行，满足采油厂综治稳定的要求。

(4) 完善源头数据采集与控制逻辑，生产数据自动采集、远程监控、生产预警等功能，支持油气生产过程管理，促进生产方式转变，提升油气生产管理水平和综合效益。

(5) 融语音、视频、数据、业务应用于一体，保证系统的灵活性、可扩展性和易用性。OSI模型屏蔽、过滤来自上层网络的病毒和非法访问，防止攻击者通过上层网络向工控网络的渗透和攻击，最大限度的减少来自网络中的安全风险。

3.5 方案关键技术

（1）IMS多媒体通信系统：新一代通信技术IMS系统为核心的融合通信平台实现业务融合、网络融合、设备融合，把数据、语音、视频通信融合在同一个网络平台上，变革传统管理模式，优化组织结构；实现电子巡检，减少人工巡检次数，降低员工劳动强度；对关键部位实现远程控制操作，优化用工数量，支持精细管理，提升采油厂生产综合管理能力和水平，同时支持内部音视频通信、桌面通信、移动通信、协同会议，真正把通信与办公、业务、智联紧密结合，实现高效的应急指挥调度能力。

（2）弱网高清视频技术：采用领先的视频技术（私有协议+H.265），1080P高清画质、抗丢包70%最高节约90%流量、适配H.264&H.265硬件编解码，解决了标准协议对于带宽要求较高、系统承载不足等问题，具有高清流畅、无花屏不卡顿优势。

（3）信息安全保障技术：系统以自主研发的与网络无关、与介质无关的用户包括设备身份信息认证及鉴权技术为核心一种简便、可靠的用户及设备安全认证方式，有效消除账户和物联网安全隐患，实现对账户、设备的安全运营管理，同时支持计费、支付结算等功能。

（4）低延时高可靠音视频通信技术：降低空口传输时延，网络转发时延及重传概率，以满足极高的时延和可靠性要求。采用更短的帧结构和更优化的信息指令流程，引入支持免调度的新型多址和D2D等技术以减少信息令交互和数据中转等技术，让整个系统下音视频通信更加流畅清晰。

（5）跨网络跨终端跨平台通信技术：支持短波、超短波、宽带无线、数字群体、卫星、ip电话、模拟电话、数据终端等音视频即时通信、远程控制。

4  结语

该方案利用新一代网络通信技术将应急通信中短波、超短波、宽带无线、数字集群、卫星、IP电话、模拟电话、数据终端等多体质用户接入并统一管理，提供除了基本的话音服务外，在会话建立的时候可以交互音频、视频、图像等更多的媒体形式，实现基于会话的多媒体业务，并提供业务整合应用平台，可有效节省网络系统资源，提高应急管理效率，极大提升应急通信系统先进性。

参考文献

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[5] 楊军，林朝辉.基于IMS的固定移动融合的讨论 [J].邮电设计技术，2009（2）：19～23.

       来源：化学工程与装备-官方网站-创刊于1972    2022年第11期  在线投稿  >>