★中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦李飛虹，賀定長(cháng)，周言，程仁杰，楊紅

1   引言

隨著(zhù)人工智能、大模型、云計算、云邊協(xié)同等技術(shù)的快速發(fā)展，傳統物聯(lián)網(wǎng)系統建設模式已難以滿(mǎn)足當前物聯(lián)網(wǎng)系統更深、更廣的數據監測需求。半導體行業(yè)的飛速發(fā)展為海量數據邊端處理提供了技術(shù)基礎，5G及Wi-Fi6等技術(shù)使得數據實(shí)時(shí)傳輸成為了現實(shí)。多模態(tài)數據集約化采集能夠使數據發(fā)揮其最大價(jià)值，因此本文研究了一種一體化邊緣計算安防控制器，可實(shí)現單設備完成邊緣計算、數據集約化采集、多模態(tài)數據采集等功能，能夠以極低成本和較高效率解決油氣生產(chǎn)場(chǎng)站物聯(lián)網(wǎng)數據采集難題。

油氣生產(chǎn)場(chǎng)站作為能源鏈的上游關(guān)鍵節點(diǎn)，其安全穩定運行直接關(guān)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(chǎng)站安防系統的核心組成部分，對提升場(chǎng)站的安全防護能力具有重要意義。作為油氣物聯(lián)網(wǎng)系統的數據源頭，其數據的質(zhì)量直接決定物聯(lián)網(wǎng)系統的運行效果。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(wèn)題。

2　一體化邊緣計算安防控制器的研究背景

隨著(zhù)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數據等先進(jìn)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應用。特別是在油氣物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，傳統的中心化數據處理模式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(cháng)的數據處理需求、實(shí)時(shí)性要求以及安全性挑戰。因此，邊緣計算作為一種新型計算模式，逐漸成為了安防領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

圖1 油氣生產(chǎn)中安全事故

邊緣計算是指將計算任務(wù)和數據存儲從中心化的數據中心推向網(wǎng)絡(luò )的邊緣，即設備或終端，以提高數據處理效率、降低網(wǎng)絡(luò )延遲并增強系統的安全性。在安防領(lǐng)域，一體化邊緣計算安防控制器的研究背景主要體現在以下幾個(gè)方面。

2.1　實(shí)時(shí)性需求

油氣物聯(lián)網(wǎng)系統往往需要對生產(chǎn)數據和場(chǎng)站安防數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，以實(shí)現對異常事件的快速響應。傳統的中心化數據處理模式由于網(wǎng)絡(luò )延遲和數據處理能力的限制，難以滿(mǎn)足這一需求。而邊緣計算能夠將計算任務(wù)推向數據產(chǎn)生的源頭，實(shí)現數據的實(shí)時(shí)處理和分析，滿(mǎn)足安防領(lǐng)域的實(shí)時(shí)性要求。

2.2　數據安全性挑戰

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)設備的普及，大量的生產(chǎn)和安防數據被傳輸到遠端進(jìn)行處理和存儲。然而，這種方式面臨著(zhù)數據泄露、被篡改等安全風(fēng)險。一體化邊緣計算安防控制器通過(guò)內置多層次的安全防護措施，如數據加密、訪(fǎng)問(wèn)控制、入侵檢測等，能夠有效保護數據的安全性，降低安全風(fēng)險。

2.3　多元化終端接入需求

在油氣物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，存在大量不同類(lèi)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，并實(shí)現與系統的協(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(lèi)型終端設備的接入和控制，滿(mǎn)足了多元化終端接入的需求。

2.4　計算資源優(yōu)化利用

傳統的中心化數據處理模式需要依賴(lài)高性能的數據中心來(lái)處理和分析大量的安防數據。這不僅增加了運營(yíng)成本，還可能導致計算資源的浪費。而邊緣計算能夠將計算任務(wù)分散到網(wǎng)絡(luò )的邊緣，實(shí)現了計算資源的優(yōu)化利用，提高了系統的整體性能和穩定性。

綜上所述，一體化邊緣計算安防控制器通過(guò)融合集約化數據采集技術(shù)、多模態(tài)數據采集技術(shù)、邊緣計算等技術(shù)，實(shí)現對油氣生產(chǎn)場(chǎng)站實(shí)時(shí)生產(chǎn)數據和安防監控數據的深度融合。其依托邊緣計算能力實(shí)現對數據深度挖掘，并發(fā)現數據中潛在的威脅，提前產(chǎn)生相關(guān)預警信息，從而降低了生產(chǎn)安全風(fēng)險，提升了生產(chǎn)效率，降低了油氣物聯(lián)網(wǎng)系統建設成本。

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(mǎn)足油氣生產(chǎn)運行數據和安防監控數據集中化數據采集需求，本文提出了一種一體化邊緣計算安防控制器。該系統設計時(shí)采用高集成化設計方案，使之能夠實(shí)現單機采集攝像頭、幕簾探測器、流量計、無(wú)線(xiàn)儀表等設備的數據，同時(shí)其采用了以太網(wǎng)和4G冗余設計，可確保網(wǎng)絡(luò )的穩定性和隔離性。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(shù)采用了自主可控的技術(shù)，同時(shí)以邊緣計算、云邊協(xié)同、集約化數據采集為核心需求，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；在數據傳輸層采用了冗余式設計，確保了數據傳輸穩定可靠；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(guò)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(gè)領(lǐng)域。其主要設計特點(diǎn)包括以下內容：

一是可靠性設計：主控制器采用外部看門(mén)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)境下穩定運行；同時(shí)軟件上采用高實(shí)時(shí)性?xún)群说牟僮飨到y，確保了監控數據的準確性和實(shí)時(shí)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(guān)鍵領(lǐng)域應用中的數據安全，從而避免因技術(shù)后門(mén)產(chǎn)生惡意攻擊。

二是智能化設計：充分利用處理器內部的NPU、GPU等資源，優(yōu)化模型網(wǎng)絡(luò )結構和輸入參數，提升模型推理運算效率，并通過(guò)集成云邊協(xié)同、數據挖掘等技術(shù)，實(shí)現生產(chǎn)現場(chǎng)自動(dòng)化監控、智能預警和決策支持，實(shí)現生產(chǎn)運行數據和安防監控數據的深度融合，從而提升了生產(chǎn)現場(chǎng)數據利用率，降低了物聯(lián)網(wǎng)系統建設成本，提高了系統運維效率。

三是高擴展性設計：一體化邊緣計算安防控制器通過(guò)集成IEC61131-3運行時(shí)，支持二次編程功能，極大地擴展了該方案的使用范圍。同時(shí)設備可通過(guò)CAN總線(xiàn)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(lái)技術(shù)升級和場(chǎng)站規模的擴大。

四是安全性設計：在進(jìn)行總體架構設計時(shí)分別考慮了本方案涉及到的物理安全和數據安全需求，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；在數據安全層次上內置安全加密芯片支持對數據進(jìn)行加密傳輸和存儲。

3.2　關(guān)鍵技術(shù)設計和應用

一是視頻分析技術(shù)：通過(guò)RTSP協(xié)議實(shí)時(shí)拉取生產(chǎn)現場(chǎng)的高清視頻，通過(guò)運行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型對視頻流進(jìn)行實(shí)時(shí)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)數據采集技術(shù)：基于物模型技術(shù)為多形態(tài)設備構建統一的數據管理方式，將物模型與實(shí)際數據采集協(xié)議進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射，從而實(shí)現生產(chǎn)現場(chǎng)多模態(tài)數據的實(shí)時(shí)采集；同時(shí)利用多種傳感器監測場(chǎng)站內的溫度、壓力、液位等關(guān)鍵參數，對生產(chǎn)狀況和運行狀況進(jìn)行深度融合與多維度分析，及時(shí)發(fā)現危險事故的發(fā)生，從而提升生產(chǎn)安全。

三是安全通信技術(shù)：依托產(chǎn)品內置ESAM安全芯片，實(shí)現對敏感數據進(jìn)行加密處理，防止數據在傳輸和存儲過(guò)程中出現數據泄露；同時(shí)通訊鏈路側支持VPDN4G網(wǎng)絡(luò )，可與以太網(wǎng)進(jìn)行冗余互補，確保了通訊協(xié)同的穩定可靠。

四是數據分析技術(shù)：依托一體化邊緣計算安防控制器自身強大的數據采集和處理能力，充分利用一體化邊緣計算安防控制器采集的多模態(tài)數據進(jìn)行深度融合和分析。通過(guò)大數據分析技術(shù)，可挖掘監控數據中的潛在價(jià)值，可提升場(chǎng)站的管理效率和安全水平。

4　應用場(chǎng)景及發(fā)展趨勢

4.1　應用場(chǎng)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(lǐng)域生產(chǎn)現場(chǎng)和以下應用場(chǎng)景：

一是實(shí)時(shí)監控：通過(guò)一體化邊緣計算安防控制器對高清攝像頭和傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，進(jìn)而識別生產(chǎn)現場(chǎng)設備的運行狀況、環(huán)境參數等關(guān)鍵信息，確保了場(chǎng)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)數據進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和分析，發(fā)現異常情況時(shí)可及時(shí)發(fā)出預警，提醒管理人員采取相應措施。

三是遠程訪(fǎng)問(wèn)與控制：通過(guò)一體化邊緣計算安防控制器實(shí)現遠程訪(fǎng)問(wèn)和控制，方便管理人員隨時(shí)了解場(chǎng)站情況，提高了管理效率。四是數據分析與優(yōu)化：通過(guò)一體化邊緣計算安防控制器對生產(chǎn)現場(chǎng)的大量數據進(jìn)行分析和挖掘，挖掘數據中的潛在價(jià)值，為場(chǎng)站的安全運行和管理優(yōu)化提供了數據支持。

4.2　發(fā)展趨勢

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步和物聯(lián)網(wǎng)系統應用需求的不斷提高，油氣物聯(lián)網(wǎng)系統的數據采集對實(shí)時(shí)性、全面性、深度性和廣度性提出了越來(lái)越高的需求，同時(shí)對物聯(lián)網(wǎng)系統的建設成本和核心技術(shù)自主可控也提出了越來(lái)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)系統的發(fā)展需求，其發(fā)展趨勢將體現在以下幾個(gè)方面：

一是智能化升級：通過(guò)將多種智能算法或深度學(xué)習網(wǎng)絡(luò )模型集成在一體化邊緣計算安防控制器中，從而實(shí)現更多的智能化應用；集成人工智能技術(shù)和云邊協(xié)同技術(shù)，實(shí)現更高級別的自動(dòng)化監控和預警功能。通過(guò)云邊協(xié)同技術(shù)實(shí)現算力資源、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。

二是智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用：通過(guò)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(shù)結合，實(shí)現生產(chǎn)現場(chǎng)設備間高效互聯(lián)互通，從而實(shí)現設備間數據、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(luò )傳輸技術(shù)，將一體化邊緣計算安防控制器與云計算、云存儲等技術(shù)相結合，實(shí)現數據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據存儲和計算能力，從而有效實(shí)現存儲、算力合理化布局，有效降低智能物聯(lián)網(wǎng)系統建設成本，有效提升系統運行效率。

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(shí)充分考慮了物理安全和信息安全，采用了先進(jìn)的數據加密技術(shù)、身份認證技術(shù)來(lái)降低數據被監聽(tīng)和竊取的風(fēng)險。在未來(lái)數據安全將會(huì )是物聯(lián)網(wǎng)系統面臨的最大難題，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據的安全，確保監控系統的安全穩定運行。

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(chǎng)站的數據采集能力和管理效率具有重要意義。通過(guò)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(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和數據分析技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，一體化邊緣計算安防控制器可以實(shí)現油氣場(chǎng)站的高效監控和管理。未來(lái)隨著(zhù)智能化升級、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用以及云計算與邊緣計算的結合等發(fā)展趨勢的實(shí)現，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(jiǎn)介：

李飛虹（1989-），男，四川遂寧人，助理工程師，學(xué)士，現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(luò )管理工作。

賀定長(cháng)（1986-），男，四川成都人，高級工程師，學(xué)士，現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(shù)管理工作。

周　言（1988-），男，四川遂寧人，中級工程師，學(xué)士，現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(luò )安全管理工作。

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

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摘自《自動(dòng)化博覽》2024年3月刊