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瑞斯康達科技發展股份有限公司

1　目標和概述

1.1　行業面臨的挑戰

圖1 生產現場面臨的挑戰

通過市場調研，我們發現油田企業的生產現場數字化程度比較高，但是依然存在一些問題：在系統建設方面，油井側所涉及的產品種類及數量非常多，導致了設備采購周期長，現場設備之間的接線比較復雜，導致了施工周期長；在運行維護方面，現場的工業交換機、工業路由器、工業收發器、無線網橋、RTU等設備種類及數量繁多，導致了質量管控難、潛在故障點多、登高作業風險高、運維工作量大、維護材料成本及維護費用居高不下；在生產管控方面，數據分析過度依賴人工經驗，數據分析的工作量大，技術人員數量多，對技術人員的要求非常高，培養高標準的技術人員花費大。同時能源消耗量高，現場缺乏對油井工況的實時分析，無法實現對油井生產過程中的精準調頻、智能間開；在擴展能力方面，油井側傳統的RTU設備不便于擴展，新增的設備需要重新部署系統，例如含水分析儀、動液面分析儀等，設備之間不能共享，導致了客戶的重復投資。井場側沒有無線專網覆蓋，不便于現場維護終端的快速接入和生產指揮中心與前端維護人員的即時語音以及高清視頻的數據通信，無法滿足油田快速、高效處理前端問題的需求。

1.2　主要目標

圖2 生產業務雙閉環雙擴展

目前，油田的生產業務，只有從生產現場到指揮中心的單閉環運行，這種方式不利于實時性要求高的業務處理。在本項目中，我們將通過邊緣計算，打造數據在現場的閉環運行，并把現場采集的數據，通過現場邊緣計算進行處理并生成指令，再下達給現場生產設備進行執行，同時監控傳感器運行的狀況，并把現場的相關有必要上傳的信息，上傳到云端，在云端實現算法設計研發、模型訓練迭代、工業APP管理以及批量部署。通過這種云邊協同的方式，本項目立足于油田生產現場運行管理，一方面，在現有設備的基礎上，打造“兩個閉環，兩個擴展”來優化資源建設和協同不同設備之間的運轉，持續智能升級。

1.3　整體概述

圖3 智能網關部署方案

瑞斯康達提出了邊緣注智智能網關的解決方案。該方案在硬件部署時，不會改變油田的網絡架構，也不會改變生產現場的接線方式和接線線序。對于老舊井改造，可以利舊，直接接入現有的RTU；對于新建井項目，在通信箱內部署智能網關，在油井控制柜部署采集網關，無線儀表和視頻業務可以通過Zigbee方式和網線接入一體化智能網關，智能電表和變頻器可以通過RS485接入采集網關。業務上行方式根據現場資源條件有多種選擇，可以通過網關接入無線網橋進行回傳，或者通過4G/5G方式接入運營商提供的APN網絡進行回傳，如果光纖到井口，可以與相鄰井場或廠站的工業網絡設備組建星型、鏈型、環型等多種網絡。

1.4　方案的功能與創新

1.4.1功能

（1）產品一體化：油井側數據采集控制與通信設備由傳統的RTU、工業交換機、工業路由器、工業收發器等升級為智能網關和采集網關，設備種類及數量減少的同時減少設備之間的連線，采集網關即插即用，安裝、更換無需現場配線，縮短了設備采購周期和施工周期，減少了設備層級，實現了業務快速開通。

（2）業務智能化：智能網關除了采集控制功能，還具備本地計算能力，可通過工業軟件將采集到的數據進行本地處理分析，毫秒級本地調參以及實時控制，降低了網絡帶寬的占用，同時節省了流量，當油井故障可自動停井，有效保護了客戶資產；同時智能網關支持遠程管理維護，減少了維護人員的工作量，降低了維護人員的工作壓力；Zigbee儀表可通過智能網關自動連接并識別，實現了資產臺賬自動維護更新，無需人工錄入。

（3）軟硬可擴展：智能網關支持多軟件部署，例如柔性生產軟件、智能剎車軟件、視頻分析軟件，模型云端訓練，可批量部署更新；同時智能網關內部具備模塊擴展，可擴展AI加速板卡，實現了視頻數據的智能分析；支持可信WLAN模塊擴展，實現了生產現場可信無線網絡覆蓋。

1.4.2創新

圖4 定頻運行存在的問題

改造前，抽油機采用定頻、恒速的運行方式，存在以下幾點問題：

（1）電流沖擊大：恒頻啟動沖擊電流巨大，沖擊電流對供電電網會產生影響，在下沖程周期中產生的倒發電現象會對電網產生較大波動。

（2）設備損害：強恒頻模式下，驢頭上下往復運動產生的機械沖擊大，對管路、泵體、閥門密封性會造成磨損破壞，機械設備因振動帶來損耗，增加了油井故障停機率。

（3）運行能耗高：在恒頻模式下，抽油機上下沖程運動時所需的載荷并不相同，即便有平衡塊儲能做功，對于載荷差的減小仍有限，抽油桿自重的升降所消耗的能量仍然很大。

圖5 柔性生產效果展示

改造后：

（1）油井應用智能調參：根據電參、載荷等數據自動尋找油井的最佳運行工況，減少無用功，降耗。

保護設備：在油井的一個沖次內，實現柔性變頻運行，減小抽油桿的彈性形變，降低抽油桿的疲勞度，減小震動摩擦，從而起到保護設備的作用，延長檢修周期。

工況優化：包括稠油井增產治理、出砂井增產治理、結蠟井除蠟治理、供液不足井間開治理等。

（2）轉接站應用

混輸泵調壓：保持輸油管道壓力穩定，減少輸油管道穿孔；保護螺桿泵，延長使用期限；計算螺桿泵泵效，實現預警。

稠油摻水：自動計算稠油摻水量，保證稠油在輸油管道中順暢管輸。

（3）注水站應用

環保注水：利用緩沖池緩存地下采出水，根據電價進行分階段注水，在不影響生產的前提下，可極大節約電費。

邊緣計算實現了井場的本地閉環運行，減小了對網絡的依賴，提高了穩定性和實時性。它摒棄了軟件跟著硬件走的傳統方式，實現了軟件定義硬件，根據軟件功能的需要接入硬件，硬件只是作為感知和執行單元，有利于硬件復用、降低成本和維護，方便軟件功能的擴展。

根據生產需要開發各種邊緣應用，它們可遠程部署、調參、狀態監控，管理和可維護性強。

它們實現了設備解耦，邊緣應用開發時，用戶只需關注業務邏輯，無需關注設備間的通信協議及數據轉換，極大降低了邊緣應用的開發難度。

2　方案介紹

2.1　方案描述

隨著社會經濟的高速發展和科學技術水平的不斷提升，我國互聯網技術自身更加快速、便捷以及超高性價比等優勢凸顯，逐漸成為人們重點關注的技術，同時移動通信領域也迎來了更為快速的發展。作為當前通信技術中的領先技術，5G+邊緣計算技術的發展與應用意義重大，推動油田生產進入智慧化的時代。

智慧油田是建立在物聯網的基礎之上，實現油田的智能化運行和科學化管理，從而提升油田的經濟效益。智慧油田在數字油田的基礎上，對數字油田的建設成果做了新的整合和創新，同時這也是未來油田發展的一個主要趨勢，智慧油田的建設包括地質、工程、管理、民生等方面，并且注重實現信息的融合和分享。

智慧油田是在數字油田的基礎上被提出來的全新的理念。現階段，智慧油田仍舊處于初始發展的階段，，作為數字油田的一種高級發展模式，智慧油田充分體現了能源行業發展的演進過程和必然趨勢。

數字油田的目標是實現油田經營、運作、管理的智能化，而智慧油田則是實現油田的智能化和人類智慧的完美結合。因此，數字油田到智慧油田的發展經歷了從數據采集存儲到數據的深度挖掘分析的轉變過程，充分實現了對傳統工藝的優化管理。此外，建設智慧油田關鍵在于充分結合現今5G、大數據、工業互聯網、邊緣計算及人工智能等技術，對油田的運行系統信息進行安全、有效的整合分析，開啟智慧油田新篇章。

智慧油田主要涉及到生產和生活兩個主要方面，按照職能劃分其大致可以分為智慧工程、智慧管理、智慧地質、智慧民生幾個方面。首先，所謂智慧工程指的是在工程建設中充分使用各種先進的技術手段。智慧油田建設中所涉及到的工程主要有勘探、鉆井、采油、運輸、道路、原油、電力、通訊等工程。其次，智慧管理旨在對石油的生產運營實現遠程上的監督管理。它通過監控系統可以對各崗位實現實時動態的監督，當出現問題的時通過遠程的診斷、分析，發現問題所在并做出及時有效的處理。這樣的管理方式使得整個石油生產運作平臺可以安全、健康地運行，同時還大大降低了能源的消耗，增加了產能。

基于5G技術的高帶寬、低時延、大容量等技術特點，結合瑞斯康達科技發展股份有限公司的工業5G智能網關的技術特點，瑞斯康達提出了云邊協同，數據賦能，助力油田生產智慧化發展的解決方案。

瑞斯康達云邊協同，數據賦能，助力油田生產智慧化發展解決方案的體系架構，如圖6所示，涵蓋了數據感知、物聯平臺、數據應用、人工智能等全方位業務。整個體系架構分為應用層、平臺層和感知層。感知層向下連接現場環境數據采集設備，向上和平臺層對接。感知層的網關設備也是邊緣計算節點，具有計算、網絡和存儲資源的功能，支持通過模板快速開通業務；平臺層負責安全地接入感知層的環境數據采集設備，并對采集環境數據和告警事件進行存儲和邏輯處理，并對應用層提供開放的接口，方便應用層對告警事件進行分析處理，及時發現異常情況，進行多級預警與報警，并進行及時、有效地處理，保障生產過程的安全性、穩定性；應用層負責將網關采集的儀表Zigbee數據進行統計，并與油田物資管理系統對接，實現井口儀表的全生命周期管理。

圖6 解決方案的體系架構圖

（1）感知層

工業5G智能網關解決了“云計算”資源過度集中、時延等短板，實現了“云、邊、端”的資源和任務的合理分配。對于油田生產來說，傳感器、物聯網、機器學習等相關技術與產品的發展和普及，是邊緣計算在這個領域成為可能的重要基礎。這些技術允許通過自動化處理更多任務。

工業5G智能網關，作為物聯網技術和人工智能的核心基礎技術之一，可結合“傳感”“智能”和“數據”的核心部件，在感知層實現云-端交互與協同計算，將輕量級人工智能算法下沉至傳感終端。

瑞斯康達工業5G智能網關，基于開源指令集架構，嵌入式AI加速設計，支持實時運算，支持深度學習框架與深度學習模型。

通用網關通過豐富的端口形態和現場總線協議接入各類油井現場設備，包括環境數據采集設備、智能電源管理、智能門鎖控制、Wi-Fi控制以及生產相關的儀表，利用自帶的計算能力可以實現協議解析、數據采集和數據清洗工作；其根據用戶需要還可以提供邊緣計算能力，運行用戶自有腳本和程序，實現對前端數據的本地響應和處理，實現對抽油機井、井口設備、管匯設備、分離設備的統一數據采集和實時監控；其可以提供豐富的告警策略，支持根據故障模式為維護人員提供包括故障診斷、處理建議在內的動態策略，同時可提供油氣生產實時工況診斷和預測服務，針對包括抽油機井桿柱脫落、上下碰泵、氣鎖、供液不足等異常工況，提供基于機器學習的自動工況分類，以及基于專家標注和人工智能分析的實時工況診斷和預測，提升了油田設備的正常運轉時間，降低了惡性故障的發生頻率，助力了油氣產量和質量的提升；其可將采集到的數據按照指定要求通過北向MQTT協議向云平臺上報。

（2）平臺層

瑞斯康達云邊協同，數據賦能，助力油田生產智慧化發展解決方案管理平臺，可實現對各種工業APP軟件的管理，在平臺側可實現算法模型的研發、模型訓練迭代、工業APP的管理以及批量的部署，同時可實現油井、站庫環境量終端的接入，并可對生產儀表、設備進行管理；可對智能電源進行管理以及對智能門鎖、Wi-Fi模塊進行控制，可通過邊緣物聯代理設備的準入、管理及控制，搭建邊緣計算框架，配合邊緣物聯代理裝置實現業務計算邊緣化，實現智慧油井物聯網全景化展現。

圖7 全景化展現

在油井井口、聯合站、注水站、儲油庫側部署工業5G智能網關產品，工業5G通用網關模塊化設計，不同用戶可根據業務需求配置不同類型的模塊，配合各種場景專用的工業APP軟件，實現數據的采集、處理、通信、存儲等功能。如油井口側工業5G智能網關下行通過ZigBee接口連接載荷、角位移、壓力變送器、溫度變送器、流量計等儀表，通過RS485接口連接智能電表、變頻器，采集油井示功圖、載荷、回壓、井口溫度、電流、電壓有效值、有功功率、無功功率、功率因數、上下沖程最大電流值、上下沖程功率、平衡率、日用電量、累計電量、沖次、系統狀態與采集時間等數據，并且可對油井示功圖進行分析處理，再與本地示功圖的模型對比，本地邊緣計算，毫秒級調參，實現了油井能耗降低，同時柔性生產延長了油井的檢修周期，降低了客戶的維護成本。

工業5G智能網關上行接口非常豐富，在光纜覆蓋的場景下可通過光口連接光纜進行數據傳輸。光纖組網方式靈活多樣，可組建環型網絡、星型網絡、鏈型網絡，在5G信號覆蓋的場景下可借助運營商提供的5G專網實現數據的安全傳輸，解決了用戶布纜中遇到的征地協調難、資金投入大、建設周期長等問題。

2.2　方案優勢

2.2.1產品高度集成

2.2.1產品高度集成相對于傳統的RTU/PLC+通信設備的組網結構，工業5G智能網關具備數據采集、協議轉換、網絡通信、邊緣計算、存儲等功能，一臺設備取代了傳統的多臺設備（RTU/PLC、工業交換機、工業網橋、工業4G路由器等），對于油田企業而言，在降低了設備投資的基礎上，同時也降低了設備的運維成本。

2.2.2業務快速開通

工業5智能網關上行支持5G網絡，5G網絡的高帶寬、大容量、低時延等特點完全能夠滿足油田企業生產現場對網絡的要求，包括數據的采集上傳以及遠程的控制，無需敷設光纜，真正解決了油田企業敷設光纜帶來的建設成本高、征地用地協調難、施工安全風險高等難題。

2.2.3數據傳輸安全可靠

在5G網絡的發展中，網絡切片技術可為運營商提供基于單一物理設施的多虛擬網絡運行服務。5G網絡切片能夠滿足個性化的業務需求，以需求為基礎自動構建彼此隔離的網絡實體，以保證專網客戶數據傳輸的安全可靠。

2.3　產品特點

瑞斯康達工業5G智能網關采用多核ARM的CPU系統，配備實時工業以太網接口、5G模塊、Wi-Fi、工業PON、工業串口、以太網電口和以太網光接口、人工智能加速NPU單元，以及安全監測單元；軟件采用Linux操作系統，具有開放的軟件架構、網絡路由功能、工業互聯網接入功能，支持容器化部署，具備深度學習推理能力，可滿足高性能、高實時性、高靈活性的使用場景。

設備可靠性滿足工作溫度范圍-40℃～+85℃，工業4級EMC電磁防護國家標準。設備通過主機+模塊化設計可有效降低成本，并實現多種工業接口靈活適配，滿足五類工業企業的設備，例如AGV、PLC、DCS、機器人、電力繼保裝置接入和協同運行。設備突破多核心自動調度技術，融合實時系統和非實時系統優點，實現30種工業現場總線或工業以太網協議與5G協議轉換，具備系統功能完整性檢查和存儲安全加密特性防止黑客入侵。設備基于深度學習技術可解決復雜應用場景下的流量識別和整形，滿足區分不同業務類型和優先級等迫切需求。設備通過采用多核心自動調度技術，結合DPDK快速轉發和TSN技術，5G工業網關處理轉發時延最低可達4ms，配合3GPP R16可實現工業互聯網＋5G全網環境下時間敏感的網絡能力。

2.4　應用效果

2.4.1降本增效

工業5G智能網關集成了數據采集、協議轉換、網絡通信、邊緣計算、存儲等功能，部署在生產現場（油井口），取代了傳統的RTU+網絡設備的架構，同時支持光纖、5G等多種上行方式，解決了油田企業敷設光纜帶來的建設成本高、征地用地協調難、施工安全風險高等難題，除了降低了油田企業購買設備的成本外，同時運維人員從之前的管理多臺設備到現在的管理一臺設備，也降低了運維人員的工作壓力，真正意義上為油田企業實現降本增效。

2.4.2設備運行狀況實時監測

工業5G智能網關具備本地計算處理能力，采集的生產設備的數據通過本地的分析處理，可與本地已建立的預警模型進行對比分析，實現對生產設備的安全預警，對于保障生產設備的安全運行、避免惡性重大事故的發生有重要的意義。

2.4.3設備故障自動診斷

工業5G智能網關通過采集現場儀表的數據以及故障機理建立起故障模型，同時通過智能網關的學習、大數據分析，實現故障預警和故障診斷，從而為生產設備的檢修決策和檢修實施提供了依據。

2.4.4提升節能降耗水平

工業5G智能網關通過采集現場儀表的數據，進行井下動液面、示功圖以及能耗分析，并利用大數據、云計算等先進信息方法與系統，配合智能網關邊緣計算、毫秒級調參的優勢，在油井側采用變頻技術，實現油井的柔性生產，幫助客戶降低了生產能耗。

2.4.5智能化生產

在油田企業現有的數字化、信息化建設的基礎上，工業5G智能網關引進更先進的信息技術、工業技術和管理手段，實現精確感知生產數據、優化生產過程、減少人工干預，并通過科學合理的分步實施，最終使油田企業具備自分析、自診斷、自趨優、自管理、自恢復、自學習的能力，進一步提高了效率，降低了成本。

3　代表性及推廣價值

在油氣開采行業中，該解決方案利用邊緣網關部署邊緣計算，實現就近數采、就近運算、就近控制，能更好地支撐井、站、庫以及管網等現場本地業務的實時智能化處理與執行。目前，已經在油田進行了規模化現場實踐，部署數量500余口油井、混輸泵，整體降低生產成本20%以上。

3.1　創新性

（1）邊緣計算實現了井場的本地閉環，減小了對網絡的依賴，提高了穩定性和實時性。

（2）摒棄了軟件跟著硬件走的傳統方式，實現了軟件定義硬件，根據軟件功能的需要接入硬件，硬件只是作為感知和執行單元，有利于硬件復用、降低成本和維護，方便軟件功能的擴展。

（3）根據生產需要開發各種邊緣應用，它們可遠程部署、調參、狀態監控，管理和可維護性強。

（4）實現了設備解耦，邊緣應用開發時，用戶只需關注業務邏輯，無需關注設備間的通信協議及數據轉換，極大降低了邊緣應用的開發難度。

3.2　商業價值

邊緣計算已經在油田進行了規模化實踐，其在節省人工、節能降耗、增產創收、設備保護等方面都取得了不錯的效果，后期隨著油田生產的需要和認識的提高，可增加更多邊緣應用，助力油田增效增產。

摘自《自動化博覽》2024年第二期暨《邊緣計算2024專輯》