瑞斯康达科技发展股份有限公司

1　目标和概述

1.1　行业面临的挑战

图1 生产现场面临的挑战

通过市场调研，我们发现油田企业的生产现场数字化程度比较高，但是依然存在一些问题：在系统建设方面，油井侧所涉及的产品种类及数量非常多，导致了设备采购周期长，现场设备之间的接线比较复杂，导致了施工周期长；在运行维护方面，现场的工业交换机、工业路由器、工业收发器、无线网桥、RTU等设备种类及数量繁多，导致了质量管控难、潜在故障点多、登高作业风险高、运维工作量大、维护材料成本及维护费用居高不下；在生产管控方面，数据分析过度依赖人工经验，数据分析的工作量大，技术人员数量多，对技术人员的要求非常高，培养高标准的技术人员花费大。同时能源消耗量高，现场缺乏对油井工况的实时分析，无法实现对油井生产过程中的精准调频、智能间开；在扩展能力方面，油井侧传统的RTU设备不便于扩展，新增的设备需要重新部署系统，例如含水分析仪、动液面分析仪等，设备之间不能共享，导致了客户的重复投资。井场侧没有无线专网覆盖，不便于现场维护终端的快速接入和生产指挥中心与前端维护人员的即时语音以及高清视频的数据通信，无法满足油田快速、高效处理前端问题的需求。

1.2　主要目标

图2 生产业务双闭环双扩展

目前，油田的生产业务，只有从生产现场到指挥中心的单闭环运行，这种方式不利于实时性要求高的业务处理。在本项目中，我们将通过边缘计算，打造数据在现场的闭环运行，并把现场采集的数据，通过现场边缘计算进行处理并生成指令，再下达给现场生产设备进行执行，同时监控传感器运行的状况，并把现场的相关有必要上传的信息，上传到云端，在云端实现算法设计研发、模型训练迭代、工业APP管理以及批量部署。通过这种云边协同的方式，本项目立足于油田生产现场运行管理，一方面，在现有设备的基础上，打造“两个闭环，两个扩展”来优化资源建设和协同不同设备之间的运转，持续智能升级。

1.3　整体概述

图3 智能网关部署方案

瑞斯康达提出了边缘注智智能网关的解决方案。该方案在硬件部署时，不会改变油田的网络架构，也不会改变生产现场的接线方式和接线线序。对于老旧井改造，可以利旧，直接接入现有的RTU；对于新建井项目，在通信箱内部署智能网关，在油井控制柜部署采集网关，无线仪表和视频业务可以通过Zigbee方式和网线接入一体化智能网关，智能电表和变频器可以通过RS485接入采集网关。业务上行方式根据现场资源条件有多种选择，可以通过网关接入无线网桥进行回传，或者通过4G/5G方式接入运营商提供的APN网络进行回传，如果光纤到井口，可以与相邻井场或厂站的工业网络设备组建星型、链型、环型等多种网络。

1.4　方案的功能与创新

1.4.1功能

（1）产品一体化：油井侧数据采集控制与通信设备由传统的RTU、工业交换机、工业路由器、工业收发器等升级为智能网关和采集网关，设备种类及数量减少的同时减少设备之间的连线，采集网关即插即用，安装、更换无需现场配线，缩短了设备采购周期和施工周期，减少了设备层级，实现了业务快速开通。

（2）业务智能化：智能网关除了采集控制功能，还具备本地计算能力，可通过工业软件将采集到的数据进行本地处理分析，毫秒级本地调参以及实时控制，降低了网络带宽的占用，同时节省了流量，当油井故障可自动停井，有效保护了客户资产；同时智能网关支持远程管理维护，减少了维护人员的工作量，降低了维护人员的工作压力；Zigbee仪表可通过智能网关自动连接并识别，实现了资产台账自动维护更新，无需人工录入。

（3）软硬可扩展：智能网关支持多软件部署，例如柔性生产软件、智能刹车软件、视频分析软件，模型云端训练，可批量部署更新；同时智能网关内部具备模块扩展，可扩展AI加速板卡，实现了视频数据的智能分析；支持可信WLAN模块扩展，实现了生产现场可信无线网络覆盖。

1.4.2创新

图4 定频运行存在的问题

改造前，抽油机采用定频、恒速的运行方式，存在以下几点问题：

（1）电流冲击大：恒频启动冲击电流巨大，冲击电流对供电电网会产生影响，在下冲程周期中产生的倒发电现象会对电网产生较大波动。

（2）设备损害：强恒频模式下，驴头上下往复运动产生的机械冲击大，对管路、泵体、阀门密封性会造成磨损破坏，机械设备因振动带来损耗，增加了油井故障停机率。

（3）运行能耗高：在恒频模式下，抽油机上下冲程运动时所需的载荷并不相同，即便有平衡块储能做功，对于载荷差的减小仍有限，抽油杆自重的升降所消耗的能量仍然很大。

图5 柔性生产效果展示

改造后：

（1）油井应用智能调参：根据电参、载荷等数据自动寻找油井的最佳运行工况，减少无用功，降耗。

保护设备：在油井的一个冲次内，实现柔性变频运行，减小抽油杆的弹性形变，降低抽油杆的疲劳度，减小震动摩擦，从而起到保护设备的作用，延长检修周期。

工况优化：包括稠油井增产治理、出砂井增产治理、结蜡井除蜡治理、供液不足井间开治理等。

（2）转接站应用

混输泵调压：保持输油管道压力稳定，减少输油管道穿孔；保护螺杆泵，延长使用期限；计算螺杆泵泵效，实现预警。

稠油掺水：自动计算稠油掺水量，保证稠油在输油管道中顺畅管输。

（3）注水站应用

环保注水：利用缓冲池缓存地下采出水，根据电价进行分阶段注水，在不影响生产的前提下，可极大节约电费。

边缘计算实现了井场的本地闭环运行，减小了对网络的依赖，提高了稳定性和实时性。它摒弃了软件跟着硬件走的传统方式，实现了软件定义硬件，根据软件功能的需要接入硬件，硬件只是作为感知和执行单元，有利于硬件复用、降低成本和维护，方便软件功能的扩展。

根据生产需要开发各种边缘应用，它们可远程部署、调参、状态监控，管理和可维护性强。

它们实现了设备解耦，边缘应用开发时，用户只需关注业务逻辑，无需关注设备间的通信协议及数据转换，极大降低了边缘应用的开发难度。

2　方案介绍

2.1　方案描述

随着社会经济的高速发展和科学技术水平的不断提升，我国互联网技术自身更加快速、便捷以及超高性价比等优势凸显，逐渐成为人们重点关注的技术，同时移动通信领域也迎来了更为快速的发展。作为当前通信技术中的领先技术，5G+边缘计算技术的发展与应用意义重大，推动油田生产进入智慧化的时代。

智慧油田是建立在物联网的基础之上，实现油田的智能化运行和科学化管理，从而提升油田的经济效益。智慧油田在数字油田的基础上，对数字油田的建设成果做了新的整合和创新，同时这也是未来油田发展的一个主要趋势，智慧油田的建设包括地质、工程、管理、民生等方面，并且注重实现信息的融合和分享。

智慧油田是在数字油田的基础上被提出来的全新的理念。现阶段，智慧油田仍旧处于初始发展的阶段，，作为数字油田的一种高级发展模式，智慧油田充分体现了能源行业发展的演进过程和必然趋势。

数字油田的目标是实现油田经营、运作、管理的智能化，而智慧油田则是实现油田的智能化和人类智慧的完美结合。因此，数字油田到智慧油田的发展经历了从数据采集存储到数据的深度挖掘分析的转变过程，充分实现了对传统工艺的优化管理。此外，建设智慧油田关键在于充分结合现今5G、大数据、工业互联网、边缘计算及人工智能等技术，对油田的运行系统信息进行安全、有效的整合分析，开启智慧油田新篇章。

智慧油田主要涉及到生产和生活两个主要方面，按照职能划分其大致可以分为智慧工程、智慧管理、智慧地质、智慧民生几个方面。首先，所谓智慧工程指的是在工程建设中充分使用各种先进的技术手段。智慧油田建设中所涉及到的工程主要有勘探、钻井、采油、运输、道路、原油、电力、通讯等工程。其次，智慧管理旨在对石油的生产运营实现远程上的监督管理。它通过监控系统可以对各岗位实现实时动态的监督，当出现问题的时通过远程的诊断、分析，发现问题所在并做出及时有效的处理。这样的管理方式使得整个石油生产运作平台可以安全、健康地运行，同时还大大降低了能源的消耗，增加了产能。

基于5G技术的高带宽、低时延、大容量等技术特点，结合瑞斯康达科技发展股份有限公司的工业5G智能网关的技术特点，瑞斯康达提出了云边协同，数据赋能，助力油田生产智慧化发展的解决方案。

瑞斯康达云边协同，数据赋能，助力油田生产智慧化发展解决方案的体系架构，如图6所示，涵盖了数据感知、物联平台、数据应用、人工智能等全方位业务。整个体系架构分为应用层、平台层和感知层。感知层向下连接现场环境数据采集设备，向上和平台层对接。感知层的网关设备也是边缘计算节点，具有计算、网络和存储资源的功能，支持通过模板快速开通业务；平台层负责安全地接入感知层的环境数据采集设备，并对采集环境数据和告警事件进行存储和逻辑处理，并对应用层提供开放的接口，方便应用层对告警事件进行分析处理，及时发现异常情况，进行多级预警与报警，并进行及时、有效地处理，保障生产过程的安全性、稳定性；应用层负责将网关采集的仪表Zigbee数据进行统计，并与油田物资管理系统对接，实现井口仪表的全生命周期管理。

图6 解决方案的体系架构图

（1）感知层

工业5G智能网关解决了“云计算”资源过度集中、时延等短板，实现了“云、边、端”的资源和任务的合理分配。对于油田生产来说，传感器、物联网、机器学习等相关技术与产品的发展和普及，是边缘计算在这个领域成为可能的重要基础。这些技术允许通过自动化处理更多任务。

工业5G智能网关，作为物联网技术和人工智能的核心基础技术之一，可结合“传感”“智能”和“数据”的核心部件，在感知层实现云-端交互与协同计算，将轻量级人工智能算法下沉至传感终端。

瑞斯康达工业5G智能网关，基于开源指令集架构，嵌入式AI加速设计，支持实时运算，支持深度学习框架与深度学习模型。

通用网关通过丰富的端口形态和现场总线协议接入各类油井现场设备，包括环境数据采集设备、智能电源管理、智能门锁控制、Wi-Fi控制以及生产相关的仪表，利用自带的计算能力可以实现协议解析、数据采集和数据清洗工作；其根据用户需要还可以提供边缘计算能力，运行用户自有脚本和程序，实现对前端数据的本地响应和处理，实现对抽油机井、井口设备、管汇设备、分离设备的统一数据采集和实时监控；其可以提供丰富的告警策略，支持根据故障模式为维护人员提供包括故障诊断、处理建议在内的动态策略，同时可提供油气生产实时工况诊断和预测服务，针对包括抽油机井杆柱脱落、上下碰泵、气锁、供液不足等异常工况，提供基于机器学习的自动工况分类，以及基于专家标注和人工智能分析的实时工况诊断和预测，提升了油田设备的正常运转时间，降低了恶性故障的发生频率，助力了油气产量和质量的提升；其可将采集到的数据按照指定要求通过北向MQTT协议向云平台上报。

（2）平台层

瑞斯康达云边协同，数据赋能，助力油田生产智慧化发展解决方案管理平台，可实现对各种工业APP软件的管理，在平台侧可实现算法模型的研发、模型训练迭代、工业APP的管理以及批量的部署，同时可实现油井、站库环境量终端的接入，并可对生产仪表、设备进行管理；可对智能电源进行管理以及对智能门锁、Wi-Fi模块进行控制，可通过边缘物联代理设备的准入、管理及控制，搭建边缘计算框架，配合边缘物联代理装置实现业务计算边缘化，实现智慧油井物联网全景化展现。

图7 全景化展现

在油井井口、联合站、注水站、储油库侧部署工业5G智能网关产品，工业5G通用网关模块化设计，不同用户可根据业务需求配置不同类型的模块，配合各种场景专用的工业APP软件，实现数据的采集、处理、通信、存储等功能。如油井口侧工业5G智能网关下行通过ZigBee接口连接载荷、角位移、压力变送器、温度变送器、流量计等仪表，通过RS485接口连接智能电表、变频器，采集油井示功图、载荷、回压、井口温度、电流、电压有效值、有功功率、无功功率、功率因数、上下冲程最大电流值、上下冲程功率、平衡率、日用电量、累计电量、冲次、系统状态与采集时间等数据，并且可对油井示功图进行分析处理，再与本地示功图的模型对比，本地边缘计算，毫秒级调参，实现了油井能耗降低，同时柔性生产延长了油井的检修周期，降低了客户的维护成本。

工业5G智能网关上行接口非常丰富，在光缆覆盖的场景下可通过光口连接光缆进行数据传输。光纤组网方式灵活多样，可组建环型网络、星型网络、链型网络，在5G信号覆盖的场景下可借助运营商提供的5G专网实现数据的安全传输，解决了用户布缆中遇到的征地协调难、资金投入大、建设周期长等问题。

2.2　方案优势

2.2.1产品高度集成

2.2.1产品高度集成相对于传统的RTU/PLC+通信设备的组网结构，工业5G智能网关具备数据采集、协议转换、网络通信、边缘计算、存储等功能，一台设备取代了传统的多台设备（RTU/PLC、工业交换机、工业网桥、工业4G路由器等），对于油田企业而言，在降低了设备投资的基础上，同时也降低了设备的运维成本。

2.2.2业务快速开通

工业5智能网关上行支持5G网络，5G网络的高带宽、大容量、低时延等特点完全能够满足油田企业生产现场对网络的要求，包括数据的采集上传以及远程的控制，无需敷设光缆，真正解决了油田企业敷设光缆带来的建设成本高、征地用地协调难、施工安全风险高等难题。

2.2.3数据传输安全可靠

在5G网络的发展中，网络切片技术可为运营商提供基于单一物理设施的多虚拟网络运行服务。5G网络切片能够满足个性化的业务需求，以需求为基础自动构建彼此隔离的网络实体，以保证专网客户数据传输的安全可靠。

2.3　产品特点

瑞斯康达工业5G智能网关采用多核ARM的CPU系统，配备实时工业以太网接口、5G模块、Wi-Fi、工业PON、工业串口、以太网电口和以太网光接口、人工智能加速NPU单元，以及安全监测单元；软件采用Linux操作系统，具有开放的软件架构、网络路由功能、工业互联网接入功能，支持容器化部署，具备深度学习推理能力，可满足高性能、高实时性、高灵活性的使用场景。

设备可靠性满足工作温度范围-40℃～+85℃，工业4级EMC电磁防护国家标准。设备通过主机+模块化设计可有效降低成本，并实现多种工业接口灵活适配，满足五类工业企业的设备，例如AGV、PLC、DCS、机器人、电力继保装置接入和协同运行。设备突破多核心自动调度技术，融合实时系统和非实时系统优点，实现30种工业现场总线或工业以太网协议与5G协议转换，具备系统功能完整性检查和存储安全加密特性防止黑客入侵。设备基于深度学习技术可解决复杂应用场景下的流量识别和整形，满足区分不同业务类型和优先级等迫切需求。设备通过采用多核心自动调度技术，结合DPDK快速转发和TSN技术，5G工业网关处理转发时延最低可达4ms，配合3GPP R16可实现工业互联网＋5G全网环境下时间敏感的网络能力。

2.4　应用效果

2.4.1降本增效

工业5G智能网关集成了数据采集、协议转换、网络通信、边缘计算、存储等功能，部署在生产现场（油井口），取代了传统的RTU+网络设备的架构，同时支持光纤、5G等多种上行方式，解决了油田企业敷设光缆带来的建设成本高、征地用地协调难、施工安全风险高等难题，除了降低了油田企业购买设备的成本外，同时运维人员从之前的管理多台设备到现在的管理一台设备，也降低了运维人员的工作压力，真正意义上为油田企业实现降本增效。

2.4.2设备运行状况实时监测

工业5G智能网关具备本地计算处理能力，采集的生产设备的数据通过本地的分析处理，可与本地已建立的预警模型进行对比分析，实现对生产设备的安全预警，对于保障生产设备的安全运行、避免恶性重大事故的发生有重要的意义。

2.4.3设备故障自动诊断

工业5G智能网关通过采集现场仪表的数据以及故障机理建立起故障模型，同时通过智能网关的学习、大数据分析，实现故障预警和故障诊断，从而为生产设备的检修决策和检修实施提供了依据。

2.4.4提升节能降耗水平

工业5G智能网关通过采集现场仪表的数据，进行井下动液面、示功图以及能耗分析，并利用大数据、云计算等先进信息方法与系统，配合智能网关边缘计算、毫秒级调参的优势，在油井侧采用变频技术，实现油井的柔性生产，帮助客户降低了生产能耗。

2.4.5智能化生产

在油田企业现有的数字化、信息化建设的基础上，工业5G智能网关引进更先进的信息技术、工业技术和管理手段，实现精确感知生产数据、优化生产过程、减少人工干预，并通过科学合理的分步实施，最终使油田企业具备自分析、自诊断、自趋优、自管理、自恢复、自学习的能力，进一步提高了效率，降低了成本。

3　代表性及推广价值

在油气开采行业中，该解决方案利用边缘网关部署边缘计算，实现就近数采、就近运算、就近控制，能更好地支撑井、站、库以及管网等现场本地业务的实时智能化处理与执行。目前，已经在油田进行了规模化现场实践，部署数量500余口油井、混输泵，整体降低生产成本20%以上。

3.1　创新性

（1）边缘计算实现了井场的本地闭环，减小了对网络的依赖，提高了稳定性和实时性。

（2）摒弃了软件跟着硬件走的传统方式，实现了软件定义硬件，根据软件功能的需要接入硬件，硬件只是作为感知和执行单元，有利于硬件复用、降低成本和维护，方便软件功能的扩展。

（3）根据生产需要开发各种边缘应用，它们可远程部署、调参、状态监控，管理和可维护性强。

（4）实现了设备解耦，边缘应用开发时，用户只需关注业务逻辑，无需关注设备间的通信协议及数据转换，极大降低了边缘应用的开发难度。

3.2　商业价值

边缘计算已经在油田进行了规模化实践，其在节省人工、节能降耗、增产创收、设备保护等方面都取得了不错的效果，后期随着油田生产的需要和认识的提高，可增加更多边缘应用，助力油田增效增产。

摘自《自动化博览》2024年第二期暨《边缘计算2024专辑》