★中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦李飛虹，賀定長，周言，程仁杰，楊紅

1   引言

隨著人工智能、大模型、云計算、云邊協(xié)同等技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設模式已難以滿足當前物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)更深、更廣的數(shù)據(jù)監(jiān)測需求。半導體行業(yè)的飛速發(fā)展為海量數(shù)據(jù)邊端處理提供了技術基礎，5G及Wi-Fi6等技術使得數(shù)據(jù)實時傳輸成為了現(xiàn)實。多模態(tài)數(shù)據(jù)集約化采集能夠使數(shù)據(jù)發(fā)揮其最大價值，因此本文研究了一種一體化邊緣計算安防控制器，可實現(xiàn)單設備完成邊緣計算、數(shù)據(jù)集約化采集、多模態(tài)數(shù)據(jù)采集等功能，能夠以極低成本和較高效率解決油氣生產(chǎn)場站物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集難題。

油氣生產(chǎn)場站作為能源鏈的上游關鍵節(jié)點，其安全穩(wěn)定運行直接關系到下游能源安全和經(jīng)濟發(fā)展。一體化邊緣計算安防控制器作為場站安防系統(tǒng)的核心組成部分，對提升場站的安全防護能力具有重要意義。作為油氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源頭，其數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接決定物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運行效果。因此，設計一款高效、智能的一體化邊緣計算安防控制器是當前亟待解決的問題。

2　一體化邊緣計算安防控制器的研究背景

隨著信息技術的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等先進技術在各個領域得到了廣泛應用。特別是在油氣物聯(lián)網(wǎng)領域，傳統(tǒng)的中心化數(shù)據(jù)處理模式已經(jīng)無法滿足日益增長的數(shù)據(jù)處理需求、實時性要求以及安全性挑戰(zhàn)。因此，邊緣計算作為一種新型計算模式，逐漸成為了安防領域的研究熱點。

圖1 油氣生產(chǎn)中安全事故

邊緣計算是指將計算任務和數(shù)據(jù)存儲從中心化的數(shù)據(jù)中心推向網(wǎng)絡的邊緣，即設備或終端，以提高數(shù)據(jù)處理效率、降低網(wǎng)絡延遲并增強系統(tǒng)的安全性。在安防領域，一體化邊緣計算安防控制器的研究背景主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1　實時性需求

油氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)往往需要對生產(chǎn)數(shù)據(jù)和場站安防數(shù)據(jù)進行實時處理和分析，以實現(xiàn)對異常事件的快速響應。傳統(tǒng)的中心化數(shù)據(jù)處理模式由于網(wǎng)絡延遲和數(shù)據(jù)處理能力的限制，難以滿足這一需求。而邊緣計算能夠?qū)⒂嬎闳蝿胀葡驍?shù)據(jù)產(chǎn)生的源頭，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時處理和分析，滿足安防領域的實時性要求。

2.2　數(shù)據(jù)安全性挑戰(zhàn)

隨著物聯(lián)網(wǎng)設備的普及，大量的生產(chǎn)和安防數(shù)據(jù)被傳輸?shù)竭h端進行處理和存儲。然而，這種方式面臨著數(shù)據(jù)泄露、被篡改等安全風險。一體化邊緣計算安防控制器通過內(nèi)置多層次的安全防護措施，如數(shù)據(jù)加密、訪問控制、入侵檢測等，能夠有效保護數(shù)據(jù)的安全性，降低安全風險。

2.3　多元化終端接入需求

在油氣物聯(lián)網(wǎng)領域，存在大量不同類型的傳感器、控制器、攝像頭等終端設備。這些設備需要能夠方便地接入油氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并實現(xiàn)與系統(tǒng)的協(xié)同工作。一體化邊緣計算安防控制器采用標準化的接口和協(xié)議，支持多種類型終端設備的接入和控制，滿足了多元化終端接入的需求。

2.4　計算資源優(yōu)化利用

傳統(tǒng)的中心化數(shù)據(jù)處理模式需要依賴高性能的數(shù)據(jù)中心來處理和分析大量的安防數(shù)據(jù)。這不僅增加了運營成本，還可能導致計算資源的浪費。而邊緣計算能夠?qū)⒂嬎闳蝿辗稚⒌骄W(wǎng)絡的邊緣，實現(xiàn)了計算資源的優(yōu)化利用，提高了系統(tǒng)的整體性能和穩(wěn)定性。

綜上所述，一體化邊緣計算安防控制器通過融合集約化數(shù)據(jù)采集技術、多模態(tài)數(shù)據(jù)采集技術、邊緣計算等技術，實現(xiàn)對油氣生產(chǎn)場站實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)和安防監(jiān)控數(shù)據(jù)的深度融合。其依托邊緣計算能力實現(xiàn)對數(shù)據(jù)深度挖掘，并發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中潛在的威脅，提前產(chǎn)生相關預警信息，從而降低了生產(chǎn)安全風險，提升了生產(chǎn)效率，降低了油氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設成本。

3　一體化邊緣計算安防控制器設計

3.1　一體化邊緣計算安防控制器總體架構設計

為了滿足油氣生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)和安防監(jiān)控數(shù)據(jù)集中化數(shù)據(jù)采集需求，本文提出了一種一體化邊緣計算安防控制器。該系統(tǒng)設計時采用高集成化設計方案，使之能夠?qū)崿F(xiàn)單機采集攝像頭、幕簾探測器、流量計、無線儀表等設備的數(shù)據(jù)，同時其采用了以太網(wǎng)和4G冗余設計，可確保網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和隔離性。該一體化邊緣計算安防控制器總體架構如圖2所示。

圖2 一體化邊緣計算安防控制器總體架構

該一體化邊緣計算安防控制器核心技術采用了自主可控的技術，同時以邊緣計算、云邊協(xié)同、集約化數(shù)據(jù)采集為核心需求，在硬件接口層充分考慮接入設備的多形態(tài)特性，設計了多種具備隔離的通訊接口；在數(shù)據(jù)傳輸層采用了冗余式設計，確保了數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠；在應用層充分考慮設備管理需求、遠程運維需求、多形態(tài)應用接口需求。通過本方案形成的一體化邊緣計算安防控制器可廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn)各個領域。其主要設計特點包括以下內(nèi)容：

一是可靠性設計：主控制器采用外部看門狗電路，外設器件均采用工業(yè)級器件；與外部連接的接口均內(nèi)置I/O隔離電路、防高壓竄入電路，確保了產(chǎn)品能夠在惡劣環(huán)境下穩(wěn)定運行；同時軟件上采用高實時性內(nèi)核的操作系統(tǒng)，確保了監(jiān)控數(shù)據(jù)的準確性和實時性。處理器、存儲器采用自主可控國產(chǎn)化器件作為核心，能夠確保在關鍵領域應用中的數(shù)據(jù)安全，從而避免因技術后門產(chǎn)生惡意攻擊。

二是智能化設計：充分利用處理器內(nèi)部的NPU、GPU等資源，優(yōu)化模型網(wǎng)絡結構和輸入?yún)?shù)，提升模型推理運算效率，并通過集成云邊協(xié)同、數(shù)據(jù)挖掘等技術，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場自動化監(jiān)控、智能預警和決策支持，實現(xiàn)生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)和安防監(jiān)控數(shù)據(jù)的深度融合，從而提升了生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)利用率，降低了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設成本，提高了系統(tǒng)運維效率。

三是高擴展性設計：一體化邊緣計算安防控制器通過集成IEC61131-3運行時，支持二次編程功能，極大地擴展了該方案的使用范圍。同時設備可通過CAN總線接口擴展RS485、DI、DO等接口，使之具備良好的擴展性，可適應未來技術升級和場站規(guī)模的擴大。

四是安全性設計：在進行總體架構設計時分別考慮了本方案涉及到的物理安全和數(shù)據(jù)安全需求，首先在硬件電路側與外部交互接口均設計了保護電路，電路接口均采用了防反插設計；在數(shù)據(jù)安全層次上內(nèi)置安全加密芯片支持對數(shù)據(jù)進行加密傳輸和存儲。

3.2　關鍵技術設計和應用

一是視頻分析技術：通過RTSP協(xié)議實時拉取生產(chǎn)現(xiàn)場的高清視頻，通過運行神經(jīng)網(wǎng)絡模型對視頻流進行實時分析，檢測視頻中是否存在火焰、煙霧等特征，從而判斷是否存在危險事故。

二是多模態(tài)數(shù)據(jù)采集技術：基于物模型技術為多形態(tài)設備構建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理方式，將物模型與實際數(shù)據(jù)采集協(xié)議進行關聯(lián)映射，從而實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場多模態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集；同時利用多種傳感器監(jiān)測場站內(nèi)的溫度、壓力、液位等關鍵參數(shù)，對生產(chǎn)狀況和運行狀況進行深度融合與多維度分析，及時發(fā)現(xiàn)危險事故的發(fā)生，從而提升生產(chǎn)安全。

三是安全通信技術：依托產(chǎn)品內(nèi)置ESAM安全芯片，實現(xiàn)對敏感數(shù)據(jù)進行加密處理，防止數(shù)據(jù)在傳輸和存儲過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)泄露；同時通訊鏈路側支持VPDN4G網(wǎng)絡，可與以太網(wǎng)進行冗余互補，確保了通訊協(xié)同的穩(wěn)定可靠。

四是數(shù)據(jù)分析技術：依托一體化邊緣計算安防控制器自身強大的數(shù)據(jù)采集和處理能力，充分利用一體化邊緣計算安防控制器采集的多模態(tài)數(shù)據(jù)進行深度融合和分析。通過大數(shù)據(jù)分析技術，可挖掘監(jiān)控數(shù)據(jù)中的潛在價值，可提升場站的管理效率和安全水平。

4　應用場景及發(fā)展趨勢

4.1　應用場景

一體化邊緣計算安防控制器可廣泛應用于石油、化工等領域生產(chǎn)現(xiàn)場和以下應用場景：

一是實時監(jiān)控：通過一體化邊緣計算安防控制器對高清攝像頭和傳感器進行實時監(jiān)測，進而識別生產(chǎn)現(xiàn)場設備的運行狀況、環(huán)境參數(shù)等關鍵信息，確保了場站安全。

二是異常檢測與預警：利用一體化邊緣計算安防控制器的智能分析算法對多模態(tài)數(shù)據(jù)進行實時處理和分析，發(fā)現(xiàn)異常情況時可及時發(fā)出預警，提醒管理人員采取相應措施。

三是遠程訪問與控制：通過一體化邊緣計算安防控制器實現(xiàn)遠程訪問和控制，方便管理人員隨時了解場站情況，提高了管理效率。四是數(shù)據(jù)分析與優(yōu)化：通過一體化邊緣計算安防控制器對生產(chǎn)現(xiàn)場的大量數(shù)據(jù)進行分析和挖掘，挖掘數(shù)據(jù)中的潛在價值，為場站的安全運行和管理優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持。

4.2　發(fā)展趨勢

隨著物聯(lián)網(wǎng)相關技術的不斷進步和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應用需求的不斷提高，油氣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集對實時性、全面性、深度性和廣度性提出了越來越高的需求，同時對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設成本和核心技術自主可控也提出了越來越高的要求。一體化邊緣計算安防控制器充分考慮了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展需求，其發(fā)展趨勢將體現(xiàn)在以下幾個方面：

一是智能化升級：通過將多種智能算法或深度學習網(wǎng)絡模型集成在一體化邊緣計算安防控制器中，從而實現(xiàn)更多的智能化應用；集成人工智能技術和云邊協(xié)同技術，實現(xiàn)更高級別的自動化監(jiān)控和預警功能。通過云邊協(xié)同技術實現(xiàn)算力資源、軟件資源協(xié)同利用，從而構建全新一代智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

二是智能物聯(lián)網(wǎng)技術應用：通過將一體化邊緣計算安防控制器與云邊協(xié)同、智能互聯(lián)等技術結合，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場設備間高效互聯(lián)互通，從而實現(xiàn)設備間數(shù)據(jù)、硬件、軟件等資源的高度共享應用，從而提升物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)整體的智能能力。

三是云計算與邊緣計算結合：依托5G、Wi-Fi6等網(wǎng)絡傳輸技術，將一體化邊緣計算安防控制器與云計算、云存儲等技術相結合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分布式存儲和處理能力的擴展；借助于一體化邊緣計算安防控制器邊緣計算能力，依托云存儲和云計算的強大數(shù)據(jù)存儲和計算能力，從而有效實現(xiàn)存儲、算力合理化布局，有效降低智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設成本，有效提升系統(tǒng)運行效率。

四是安全防護能力增強：一體化邊緣計算安防控制器在設計時充分考慮了物理安全和信息安全，采用了先進的數(shù)據(jù)加密技術、身份認證技術來降低數(shù)據(jù)被監(jiān)聽和竊取的風險。在未來數(shù)據(jù)安全將會是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)面臨的最大難題，因此一體化邊緣計算安防控制器可以有效地強化設備本身和傳輸數(shù)據(jù)的安全，確保監(jiān)控系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

5　結論

一體化邊緣計算安防控制器的設計與應用對于提升場站的數(shù)據(jù)采集能力和管理效率具有重要意義。通過遵循可靠性、智能化、擴展性和安全性等設計原則，結合邊緣計算技術、傳感器技術、通信技術和數(shù)據(jù)分析技術等關鍵技術，一體化邊緣計算安防控制器可以實現(xiàn)油氣場站的高效監(jiān)控和管理。未來隨著智能化升級、物聯(lián)網(wǎng)技術應用以及云計算與邊緣計算的結合等發(fā)展趨勢的實現(xiàn)，一體化邊緣計算安防控制器將發(fā)揮更加重要的作用。

作者簡介：

李飛虹（1989-），男，四川遂寧人，助理工程師，學士，現(xiàn)就職于中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦，主要從事網(wǎng)絡管理工作。

賀定長（1986-），男，四川成都人，高級工程師，學士，現(xiàn)就職于中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦，主要從事信息技術管理工作。

周　言（1988-），男，四川遂寧人，中級工程師，學士，現(xiàn)就職于中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦，主要從事自控管理工作。

程仁杰（1990-），男，黑龍江佳木斯人，中級工程師，碩士，現(xiàn)就職于中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦，主要從事網(wǎng)絡安全管理工作。

楊　紅（1977-），女，四川遂寧人，技師，大專，現(xiàn)就職于中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦，主要從事視頻監(jiān)控監(jiān)督管理工作。

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摘自《自動化博覽》2024年3月刊