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★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(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)模式已難以滿足當(dāng)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(dǎo)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(shù)基礎(chǔ)，5G及Wi-Fi6等技術(shù)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(shè)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(guān)鍵節(jié)點，其安全穩(wěn)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(shè)計一款高效、智能的一體化邊緣計算安防控制器是當(dāng)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(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。特別是在油氣物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)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(lǐng)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(wù)和數(shù)據(jù)存儲從中心化的數(shù)據(jù)中心推向網(wǎng)絡(luò)的邊緣，即設(shè)備或終端，以提高數(shù)據(jù)處理效率、降低網(wǎng)絡(luò)延遲并增強系統(tǒng)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(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(yīng)。傳統(tǒng)的中心化數(shù)據(jù)處理模式由于網(wǎng)絡(luò)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?wù)推向數(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(lǐng)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(shè)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(fēng)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(fēng)險。

2.3　多元化終端接入需求

在油氣物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，存在大量不同類型的傳感器、控制器、攝像頭等終端設(shè)備。這些設(shè)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(biāo)準(zhǔn)化的接口和協(xié)議，支持多種類型終端設(shè)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(dǎo)致計算資源的浪費。而邊緣計算能夠?qū)⒂嬎闳蝿?wù)分散到網(wǎng)絡(luò)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(shù)、多模態(tài)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、邊緣計算等技術(shù)，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(guān)預(yù)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(tǒng)建設(shè)成本。

3　一體化邊緣計算安防控制器設(shè)計

3.1　一體化邊緣計算安防控制器總體架構(gòu)設(shè)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(shè)計時采用高集成化設(shè)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(shè)備的數(shù)據(jù)，同時其采用了以太網(wǎng)和4G冗余設(shè)計，可確保網(wǎng)絡(luò)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(gòu)如圖2所示。

圖2 一體化邊緣計算安防控制器總體架構(gòu)

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(shè)備的多形態(tài)特性，設(shè)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(shè)計，確保了數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠；在應(yīng)用層充分考慮設(shè)備管理需求、遠程運維需求、多形態(tài)應(yīng)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(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各個領(lǐng)域。其主要設(shè)計特點包括以下內(nèi)容：

一是可靠性設(shè)計：主控制器采用外部看門狗電路，外設(shè)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(zhǔn)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(guān)鍵領(lǐng)域應(yīng)用中的數(shù)據(jù)安全，從而避免因技術(shù)后門產(chǎn)生惡意攻擊。

二是智能化設(shè)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(luò)結(jié)構(gòu)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(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場自動化監(jiān)控、智能預(yù)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(shè)成本，提高了系統(tǒng)運維效率。

三是高擴展性設(shè)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(shè)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(yīng)未來技術(shù)升級和場站規(guī)模的擴大。

四是安全性設(shè)計：在進行總體架構(gòu)設(shè)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(cè)與外部交互接口均設(shè)計了保護電路，電路接口均采用了防反插設(shè)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(guān)鍵技術(shù)設(shè)計和應(yīng)用

一是視頻分析技術(shù)：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(luò)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(shù)：基于物模型技術(shù)為多形態(tài)設(shè)備構(gòu)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(guān)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(guān)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(shù)：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(cè)支持VPDN4G網(wǎng)絡(luò)，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(shù)：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(shù)，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(yīng)用場景及發(fā)展趨勢

4.1　應(yīng)用場景

一體化邊緣計算安防控制器可廣泛應(yīng)用于石油、化工等領(lǐng)域生產(chǎn)現(xiàn)場和以下應(yīng)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(shè)備的運行狀況、環(huán)境參數(shù)等關(guān)鍵信息，確保了場站安全。

二是異常檢測與預(yù)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(yù)警，提醒管理人員采取相應(yīng)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(guān)技術(shù)的不斷進步和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)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(shè)成本和核心技術(shù)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(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型集成在一體化邊緣計算安防控制器中，從而實現(xiàn)更多的智能化應(yīng)用；集成人工智能技術(shù)和云邊協(xié)同技術(shù)，實現(xiàn)更高級別的自動化監(jiān)控和預(yù)警功能。通過云邊協(xié)同技術(shù)實現(xiàn)算力資源、軟件資源協(xié)同利用，從而構(gòu)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(shù)應(yīng)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(shù)結(jié)合，實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備間高效互聯(lián)互通，從而實現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)、硬件、軟件等資源的高度共享應(yīng)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(jié)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(jié)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(shè)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(shè)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(shù)、身份認(rèn)證技術(shù)來降低數(shù)據(jù)被監(jiān)聽和竊取的風(fēng)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(shè)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(jié)論

一體化邊緣計算安防控制器的設(shè)計與應(yīng)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(shè)計原則，結(jié)合邊緣計算技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和數(shù)據(jù)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(shù)應(yīng)用以及云計算與邊緣計算的結(jié)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(xué)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(luò)管理工作。

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

周　言（1988-），男，四川遂寧人，中級工程師，學(xué)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(luò)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