探討油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)邊緣計算的實踐研究獲獎科研報告

探討油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)邊緣計算的實踐研究獲獎科研報告摘要：在無線通信技術與智能傳感器技術高速的發(fā)展背景下，油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應用使得生產現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集效率得到了大幅提升，并能夠有效地控制其生產過程。但是應用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，主要是通過遠程數(shù)據(jù)中心對相關數(shù)據(jù)進行計算與控制，常常受到通信延遲閾網(wǎng)絡帶寬的影響。針對物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)邊緣層設備進行邊緣計算，將邊緣網(wǎng)關計算與存儲作用有效發(fā)揮出來，通或孤立森林算法，來有效監(jiān)測異常數(shù)據(jù)與報警規(guī)則學習，并邏輯控制溫度與閥門開關，把原來云端處理作用向邊緣端進行下沉，降低網(wǎng)絡要求，為偏遠地區(qū)油田生產提供參考。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);邊緣計算;孤立森林

對于邊緣計算而言，是在網(wǎng)絡邊緣將一些具有計算、存儲和接入網(wǎng)絡功能的小型設備安裝與此，連接智能傳感器以及有線儀表與用戶等，不但可以有效拓展邊緣設備計算能力，并能對網(wǎng)絡負載進行縮小，避免數(shù)據(jù)時延。邊緣端物聯(lián)網(wǎng)上的各種上行數(shù)據(jù)以及下行的云計算中心數(shù)據(jù)是邊緣計算的主要對象。將邊緣計算應用于油田物聯(lián)網(wǎng)，使得油田安全生產大幅提升。

1油田物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算設計

由于油田作業(yè)的特殊性，多分布在一些交通不便，氣候惡劣的區(qū)域，網(wǎng)絡鏈接過程中，中斷現(xiàn)象比較普遍，難以將作業(yè)現(xiàn)場的生產數(shù)據(jù)進行及時回傳，采取相應的控制措施。同時油田作業(yè)現(xiàn)場在采集相關數(shù)據(jù)以及傳輸和業(yè)務邏等方面有著非常高的實時性要求，倘若這些都通過云端來完成，無法達到實時性的要求。同時，在邊緣計算下，能夠提供計算卸載，通信協(xié)議在邊緣端進行解析與轉換數(shù)據(jù)之后，能夠對感知層設備進行及時響應，過濾異常數(shù)據(jù)之后，進行規(guī)則學習，對報警閾值進行計算，出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)過程中，將報警觸發(fā)，避免過去云端計算過程中出現(xiàn)很多冗余的報警信息，將有效的信息進行淹沒，無法觸發(fā)報警等問題得到有效解決，增強相應，避免時延，有效提升安全生產的作用。智能感知層以及云計算層和邊緣計算層是油田物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算的整體架構組成。

2邊緣計算功能

2.1設備接入

基于IOTEdge為邊緣計算提供的有利環(huán)境，在IOTEdge中接入設備模塊而實現(xiàn)。在IOTEdge中接入的設備驅動屬于服務模塊獨立存在，常用的協(xié)議驅動由IOTEdge所提供，如Modbus，OPCUA驅動等，同時對于開發(fā)自定義驅動也提供支持。文中依照GRM私有通信協(xié)議，對自定義設備接入驅動進行自定義開發(fā)，并對數(shù)據(jù)流向以及其驅動功能進行自定義。該系統(tǒng)是在國際標準下開發(fā)的通用協(xié)議，并應用于油氣行業(yè)實踐中。其工作思路為，無線儀表數(shù)據(jù)經(jīng)由無線接收終端采集之后，并通過路由，形成ZigBee網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)，并在最近的網(wǎng)關進行傳輸，之后把這些數(shù)據(jù)進行云端傳送。ZigBee通信協(xié)議是儀表通信協(xié)議的前提，將應用協(xié)議數(shù)據(jù)嵌入到協(xié)議數(shù)據(jù)包內，幀頭與數(shù)據(jù)等兩部分是應用層協(xié)議數(shù)據(jù)的重要組成。

該文中進行邊緣物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的構建過程中，無線儀表數(shù)據(jù)的接收主要利用無線接收終端來完成，接著經(jīng)由通訊接口把數(shù)據(jù)向邊緣網(wǎng)關進行傳送，經(jīng)過相應處理向遠端中心服務器進行發(fā)送，利用API模式來接收相應的數(shù)據(jù)，并為用戶程序開發(fā)提供支持，數(shù)據(jù)通過相應接口直接讀取。根據(jù)上述兩種數(shù)據(jù)幀內容定義，在讀取儀表設備數(shù)據(jù)相應請求和應答過程中利用用戶驅動程序開發(fā)來實現(xiàn)，并實時的監(jiān)控數(shù)據(jù)。

在IOTEdge的集成開發(fā)環(huán)境Docker鏡像前提下，開發(fā)用戶驅動，如程序編碼以及編譯打包，云端上傳程序和邊緣設備布置，查看數(shù)據(jù)以及查看日志運行等是設備驅動開發(fā)的主要流程。

2.2孤立森林法異常數(shù)據(jù)檢測

孤立森林（IsolationForest）檢測算法不再對正常的樣本點進行描述，對異常點進行孤立，利用“容易被孤立的離群點”來定義異常數(shù)據(jù)，由此便可認為呈現(xiàn)稀疏分布，與密度高距離較遠的群體點。于樣本特征方為內，稀疏分布的區(qū)域提示該區(qū)發(fā)生事件幾率不高，覺得數(shù)據(jù)在這些區(qū)域中屬于異常數(shù)據(jù)。

對于孤立森林算法而言，該方法為不斷異常數(shù)據(jù)進行進度檢測的方法，不必進行標記樣本訓練，然而樣本特征必須變量必須是連續(xù)的，樣本數(shù)據(jù)集通過隨機遞歸地分割，孤立全部的樣本點，受隨機分割方法影響，異常點一般路徑均較短。

2.3邊緣端過程控制

過去油田物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應用過程中，傳感器負責對油井生產過程中的各種數(shù)據(jù)進行采集，在光纜或者3G/4G網(wǎng)絡下，向遠端數(shù)據(jù)中心服務器進行數(shù)據(jù)傳輸，并轉換處理相關數(shù)據(jù)，分析運算，接著再利用網(wǎng)絡把通過處理的數(shù)據(jù)指令，向現(xiàn)場儀表層進行傳輸，進而更好的控制現(xiàn)場。過去這種物聯(lián)網(wǎng)架構，主要依靠網(wǎng)絡來實現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的處理，并進行相應的控制，如果發(fā)生網(wǎng)絡中斷，勢必會出現(xiàn)業(yè)務中斷，影響安全生產。倘若在邊緣端將云端計算以及存儲資源進行下沉，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并開展邏輯控制，能夠更好的保證業(yè)務正常開展，不會發(fā)生中斷，避免安全問題出現(xiàn)。文中基于邊緣端具有的計算，存儲和IOTEdge，對油田物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算模式的構建。近段邊緣層和云端計算層協(xié)同處理的構建模式，基于輕量級存儲環(huán)境SQLite與邊緣計算環(huán)境來實現(xiàn)。通過預處理儀表感知層的數(shù)據(jù)，并進行相應的檢測與修正，實現(xiàn)控制現(xiàn)場的效果，開展故障診斷，向云端傳輸檢測的數(shù)據(jù)結果以及過程控制邏輯，于云端開展深入的計算，并向用戶進行展示，判斷與使用，如此一來達到了分層立體式的數(shù)據(jù)協(xié)同處理過程。

3生能評估

為了評估在邊緣側進行異常數(shù)據(jù)處理和函數(shù)計算邏輯控制的精度和運行效率，分別從異常數(shù)據(jù)檢測處理計算時間和算法精度兩個方面進行評估。

3.1異常檢測計算時間對比

將檢測程序運行于邊緣端以及云端，共進行十次運行，獲知運行過程中的平均消耗時間。依照邊緣端運行時間進行分析，檢測單個的數(shù)據(jù)異常，時間在1.05秒，這樣一來，與生產應用要求相符合，并與云數(shù)據(jù)過濾作用充分結合，能夠向云端進行異常數(shù)據(jù)上傳，同時上傳報警規(guī)則，使網(wǎng)絡運行成本得到了有效控制。

邏輯控制功能在函數(shù)計算中的時間相應也非常短，屬于秒級，通過這些認為，云計算功能利用邊緣計算設備，完全符合生產要求。

3.2檢測算法精度分析

正常數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)進行監(jiān)測，通常變化范圍不大，同時這些都是在某區(qū)間固定的數(shù)據(jù)，所以評估算法精度時，根據(jù)具體監(jiān)測的兩倍數(shù)據(jù)個數(shù)，形成序列精度監(jiān)測，具體監(jiān)測的數(shù)值在0.82-1.1，不同的數(shù)據(jù)一共18個。依照具體數(shù)據(jù)最大值與最小值和相關的數(shù)據(jù)個數(shù)進行精度分析，對數(shù)據(jù)存在的變化間隔進行計算，并根據(jù)間隔數(shù)據(jù)形成0.692-1.237的一個區(qū)間，評價其精度時利用混淆矩陣來完成。依照應用實際進行分析，誤報率較小，但是卻存在較大的漏報率。

結語

為了更好的解決油田物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算問題，進行相應架構的提出，不僅可以介入行業(yè)數(shù)據(jù)驅動，同時還實現(xiàn)監(jiān)控與管理云端設備作用。同時在邊緣端設備基礎上，將監(jiān)測數(shù)據(jù)中最值間隨機數(shù)生成孤立森林，來檢測相應的異常數(shù)據(jù)，并進行異常報