油田工业控制系统网络态势感知系统推广与应用

鲁玉庆，田 宁，蔡 权，刘 骏，罗世昌

（胜利油田信息化管理中心，山东 东营 257000）

1 油田发展现状及工业控制系统网络态势感知系统需求分析

1.1 油田现状

目前油田全面推进以“标准化设计、模块化建设、标准化采购、信息化提升”为主要内容的“四化”建设，为实现全面覆盖，油田生产方式和劳动组织形式应进行根本性的转变。庞大工控系统面临设备数量多、分布广、运行环境差、专业性强的问题，传统运维方式远远不能适应新的运维需求，因此油田应围绕物联技术开展研究，实现工控设备全面感知、全面识别、集中管控[1]。

油田工业控制系统目前网络管理架构中，一方面对于有线、无线等传统通信类设备具备一定的管理能力，每一套系统独立管理平台，基本互不兼容；其他通信设备及网络状态基本使用Telnet等远程访问手段实现管理；对于故障处理，均为故障出现后的检查、排除等流程，在时效性上无法达到数字化时代对于系统持续稳定性的要求；而待物联网的深入建设阶段，大量的传感器的部署，传统的巡检与维修方式根本无法完成海量的设备维护任务。另一方面，当前的通信网络运营模式主要以人工方式为主，日益庞大的各类系统带来对与人员数量与质量的要求，产业的发展与人员工作量、成本的大幅增加形成了一对相互制约的矛盾。

1.2 需求分析

生产信息化的高速发展为油田在企业管理和生产经营方面带来了巨大效益，生产管理对应用系统的依赖程度越来越高。作为数据源头的工控设备分布广、数量大，如何实时有效感知油田工业控制系统网络状态，有效保障系统的稳定运行，高效管控工控设备运行状态，成为“四化”急需解决的问题。

需要研究开发一个面向油田生产运维场景的，兼容各种标准和非标准工业网络设备的，工业级网络态势感知系统。

2 油田工业控制系统网络态势感知系统主要研究内容

2.1 对各种设备管理协议和监控功能的研究开发

如何通过基于PING、SNMP、ONVIF、GB28181、SYSLOG、Telnet、SSH、MODBUS等各种协议或已有业务系统数据对接进行数据采集和下发。

被监控设备采用哪种通信协议决定了设备监控管理的深度和复杂度，本项目研究范围涉及油田工业控制系统网络中的各种设备设施，其中包括大量油田专用设备，需对众多通信系统及设备进行详细分析，选择最优开发方式，最终完成不同类设备统一监控管理。

2.2 对平台功能的研究开发

对平台功能的研究主要从三个方面展开：设备监控角度、运维角度、管理者角度。

设备监控角度：从普遍意义来说，项目要对各类有线网络设备、无线网络设备、服务器、物联网设备、视频监控设备、终端等类型的设备的监控告警及呈现方式进行研究。从平台实际将要面对的管理对象来说，项目要对众多网络及通信辅助系统的监控方法和呈现方式进行研究。

运维角度：主要研究自动发现算法、拓扑视图、机柜视图、综合视图、网段管理、故障管理、故障经验库管理、资产管理、巡检管理等功能的设计和实现方式。

管理者角度：主要研究统计模型与报表展现、大屏功能，帮助管理者全面把握网络状况和运维状况，为决策提供依据。

3 油田工业控制系统网络态势感知系统功能

3.1 设备状态感知功能

有线网络设备监控：有线网络设备管理能自动识别并监控网络接口，丰富的设备详情内容及展示形式，支持MAC转发表、ARP表、路由表、SSH连接、Telnet连接、Ping测试、SNMP测试、Web登录、终端拓扑、当日连通性等功能。

无线网络设备监控：无线网络设备管理实现对基站远程连接、信号强度等指标的监控，丰富的设备详情内容及展示形式，支持SSH连接、Telnet连接、Ping测试、SNMP测试、Web登录、当日连通性等功能。

服务器监控：基于SNMP协议和IPMI协议实现对服务器电源、风扇、机箱温度、RAID状态、CPU、内存、磁盘、进程、TCP连接、UDP端口、软件安装列表等指标的监控，丰富的设备详情内容及展示形式，支持SSH连接、Telnet连接、Ping测试、SNMP测试、Web登录、当日连通性等功能。

应用监控：基于SNMP、Telnet协议实现对进程、端口的监控；基于SQL查询方式实现对各类数据库的状态及性能监控；基于JMX、WMI协议实现对中间件、应用系统的状态及性能数据监控；支持业务系统的自定义及展示形式自定义。

物联网设备监控：物联网设备管理实现对采用Modbus协议、IEC104协议进行通信的物联网设备的监控，能够配置并监控该设备中Modbus协议、IEC104协议所支持的所有指标。

视频监控设备监控：基于ONVIF协议或GB28181协议实现对视频监控设备的自动发现，主要功能参数、性能参数的监控，丰富的设备详情内容及展示形式，支持SSH连接、Telnet连接、Ping测试、SNMP测试、Web登录、当日连通性等功能。

3.2 网络状态感知功能

拓扑视图：该平台支持通过图形化的方式，对设备状态及拓扑关系进行统一展示，也可以按片区、按地域、按层级等多种布局方式划分网络分层展示。拓扑图以不同颜色设备图标展现设备实时状态，用户可以对设备、子网、告警、链路进行交互式管理，极大的降低了IT部门的维护难度。

机柜视图：系统支持以“机房”、“机柜”两层结构来管理设备，支持在系统中添加机房、机柜和设备。

地图视图：网络设备综合智能管理系统支持以遥感地图为背景，通过图形化的方式，对设备状态及拓扑关系进行统一展示，也可以按片区、按地域、按层级等多种布局方式划分网络分层展示。拓扑图以不同颜色设备图标展现设备实时状态，用户可以对设备、子网、告警、链路进行交互式管理，极大的降低了地理跨度大，设备规模大的运维部门的运维难度。

3.3 分析管理功能

统计分析：支持多项统计功能，从多个角度对被管理设备进行分析，帮助用户全面把握网络状况为决策提供依据。

大屏展示：相比于传统图表与数据仪表盘，大屏展示以用更生动、友好的形式，即时呈现隐藏在瞬息万变且庞杂数据背后的业务洞察。通过实时直观的可视化视屏墙来帮助业务人员发现、诊断业务问题。

4 推广应用情况

4.1 取得的成果

基于油田工业控制系统网络态势感知技术的软件系统，有机融合物联网的各种网络设备、服务器及传感设备，统一图形化地实时展示整个系统的网络拓扑结构及所有设备的工作状态。系统主要从三个角度实现了油田工业控制网络状态感知功能：设备状态感知、网络状态感知和分析管理。油田工业控制系统网络态势感知系统结构如图1的所示。

图1 油田工业控制系统网络态势感知系统结构图

设备状态感知功能利用各种通信协议、网络管理协议，针对各种网络设备、物联网设备主动采集或被动接收设备状态及性能数据。感知结果通过实时告警、历史数据统计分析、设备面板视图、监控日志等形式展现。

网络状态感知功能通过图形化的方式，从网络拓扑图、机房机柜、GIS地图、实际业务视图、网络安全接入等角度，综合展示整个网络的运行状况，帮助用户实时了解网络状态、直观分析故障原因、快速定位故障源头。

分析管理功能通过对历史数据的报表分析、对历史告警的经验积累和智能推送、对系统总体态势指标的定制化组合，向网络运维人员、管理人员提供友好、美观的交互界面和运维管理功能。

4.2 应用分析

系统实际应用中，从技术组件方面主要由以及五大部分组成：NGINX负载均衡、Tomcat应用、dubbo+zookeeper集群（服务中心）、mysql，消息队列。

系统从业务逻辑方面可分为6层：数据展现层、应用层、服务层、数据层、感知层、设备层。其中：

数据展现层展现各种统计数据、告警数据、网络拓扑等。展现层通过WebService，socket和应用层的进行通信。

应用层根据需求实现，提供对数据的展现、增加、修改、删除、统计分析展现等功能。

服务层根据业务共性抽象出的微服务。数据层为服务层各个组件的提供对数据库操作的标准接口。设备层为系统要监控的具体的物理设备，包括：网络设备、PC机/服务器、存储设备、视频监控设备、传感器、移动设备等。

5 结束语

文章就面向油田工业控制系统网络的态势感知系统的推广和应用进行了研究和分析，并结合实际需求，对系统的研究内容以及功能进行设计和完善，并对关际推广应用成效进行探讨，为油田的可持续发展目标的实际提供支持。