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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、云邊協同等技術的快速發展，傳統物聯網系統建設模式已難以滿足當前物聯網系統更深、更廣的數據監測需求。半導體行業的飛速發展為海量數據邊端處理提供了技術基礎，5G及Wi-Fi6等技術使得數據實時傳輸成為了現實。多模態數據集約化采集能夠使數據發揮其最大價值，因此本文研究了一種一體化邊緣計算安防控制器，可實現單設備完成邊緣計算、數據集約化采集、多模態數據采集等功能，能夠以極低成本和較高效率解決油氣生產場站物聯網數據采集難題。

油氣生產場站作為能源鏈的上游關鍵節點，其安全穩定運行直接關系到下游能源安全和經濟發展。一體化邊緣計算安防控制器作為場站安防系統的核心組成部分，對提升場站的安全防護能力具有重要意義。作為油氣物聯網系統的數據源頭，其數據的質量直接決定物聯網系統的運行效果。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展，物聯網、云計算、大數據等先進技術在各個領域得到了廣泛應用。特別是在油氣物聯網領域，傳統的中心化數據處理模式已經無法滿足日益增長的數據處理需求、實時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，逐漸成為了安防領域的研究熱點。

圖1 油氣生產中安全事故

邊緣計算是指將計算任務和數據存儲從中心化的數據中心推向網絡的邊緣，即設備或終端，以提高數據處理效率、降低網絡延遲并增強系統的安全性。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在以下幾個方面。

2.1　實時性需求

油氣物聯網系統往往需要對生產數據和場站安防數據進行實時處理和分析，以實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絡延遲和數據處理能力的限制，難以滿足這一需求。而邊緣計算能夠將計算任務推向數據產生的源頭，實現數據的實時處理和分析，滿足安防領域的實時性要求。

2.2　數據安全性挑戰

隨著物聯網設備的普及，大量的生產和安防數據被傳輸到遠端進行處理和存儲。然而，這種方式面臨著數據泄露、被篡改等安全風險。一體化邊緣計算安防控制器通過內置多層次的安全防護措施，如數據加密、訪問控制、入侵檢測等，能夠有效保護數據的安全性，降低安全風險。

2.3　多元化終端接入需求

在油氣物聯網領域，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網系統，并實現與系統的協同工作。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　計算資源優化利用

傳統的中心化數據處理模式需要依賴高性能的數據中心來處理和分析大量的安防數據。這不僅增加了運營成本，還可能導致計算資源的浪費。而邊緣計算能夠將計算任務分散到網絡的邊緣，實現了計算資源的優化利用，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融合集約化數據采集技術、多模態數據采集技術、邊緣計算等技術，實現對油氣生產場站實時生產數據和安防監控數據的深度融合。其依托邊緣計算能力實現對數據深度挖掘，并發現數據中潛在的威脅，提前產生相關預警信息，從而降低了生產安全風險，提升了生產效率，降低了油氣物聯網系統建設成本。

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

為了滿足油氣生產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。該系統設計時采用高集成化設計方案，使之能夠實現單機采集攝像頭、幕簾探測器、流量計、無線儀表等設備的數據，同時其采用了以太網和4G冗余設計，可確保網絡的穩定性和隔離性。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采用了自主可控的技術，同時以邊緣計算、云邊協同、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生產各個領域。其主要設計特點包括以下內容：

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，確保了產品能夠在惡劣環境下穩定運行；同時軟件上采用高實時性內核的操作系統，確保了監控數據的準確性和實時性。處理器、存儲器采用自主可控國產化器件作為核心，能夠確保在關鍵領域應用中的數據安全，從而避免因技術后門產生惡意攻擊。

二是智能化設計：充分利用處理器內部的NPU、GPU等資源，優化模型網絡結構和輸入參數，提升模型推理運算效率，并通過集成云邊協同、數據挖掘等技術，實現生產現場自動化監控、智能預警和決策支持，實現生產運行數據和安防監控數據的深度融合，從而提升了生產現場數據利用率，降低了物聯網系統建設成本，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協議實時拉取生產現場的高清視頻，通過運行神經網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。

二是多模態數據采集技術：基于物模型技術為多形態設備構建統一的數據管理方式，將物模型與實際數據采集協議進行關聯映射，從而實現生產現場多模態數據的實時采集；同時利用多種傳感器監測場站內的溫度、壓力、液位等關鍵參數，對生產狀況和運行狀況進行深度融合與多維度分析，及時發現危險事故的發生，從而提升生產安全。

三是安全通信技術：依托產品內置ESAM安全芯片，實現對敏感數據進行加密處理，防止數據在傳輸和存儲過程中出現數據泄露；同時通訊鏈路側支持VPDN4G網絡，可與以太網進行冗余互補，確保了通訊協同的穩定可靠。

四是數據分析技術：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數據進行深度融合和分析。通過大數據分析技術，可挖掘監控數據中的潛在價值，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、化工等領域生產現場和以下應用場景：

一是實時監控：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測，進而識別生產現場設備的運行狀況、環境參數等關鍵信息，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數據進行實時處理和分析，發現異常情況時可及時發出預警，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。四是數據分析與優化：通過一體化邊緣計算安防控制器對生產現場的大量數據進行分析和挖掘，挖掘數據中的潛在價值，為場站的安全運行和管理優化提供了數據支持。

4.2　發展趨勢

隨著物聯網相關技術的不斷進步和物聯網系統應用需求的不斷提高，油氣物聯網系統的數據采集對實時性、全面性、深度性和廣度性提出了越來越高的需求，同時對物聯網系統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網系統的發展需求，其發展趨勢將體現在以下幾個方面：

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

二是智能物聯網技術應用：通過將一體化邊緣計算安防控制器與云邊協同、智能互聯等技術結合，實現生產現場設備間高效互聯互通，從而實現設備間數據、硬件、軟件等資源的高度共享應用，從而提升物聯網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，從而有效實現存儲、算力合理化布局，有效降低智能物聯網系統建設成本，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充分考慮了物理安全和信息安全，采用了先進的數據加密技術、身份認證技術來降低數據被監聽和竊取的風險。在未來數據安全將會是物聯網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站的數據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、通信技術和數據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油氣場站的高效監控和管理。未來隨著智能化升級、物聯網技術應用以及云計算與邊緣計算的結合等發展趨勢的實現，一體化邊緣計算安防控制器將發揮更加重要的作用。

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，主要從事網絡管理工作。

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

周　言（1988-），男，四川遂寧人，中級工程師，學士，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，主要從事網絡安全管理工作。

楊　紅（1977-），女，四川遂寧人，技師，大專，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《自動化博覽》2024年3月刊