基于多通信方式的安全型物联网网关技术在智慧油田建设中的研究与应用

孙 茜，徐 辉，王冬冬，余 冬，吕卓琳，于振山，康丙超

（华北石油通信有限公司，任丘 062550）

面临多样化的移动互联网与物联网应用场景的差异，本文从不同应用场景业务需求及面临的挑战出发，结合5G技术、智能数据采集处理与分析技术、轻量级物联网终端软硬件协同技术、工业信息控制安全技术等，开展了物联网网关产品在智慧油田建设中的研究与探讨，并建立通用智能感知信息处理系统架构，全方位立体支撑物联网各垂直行业业务，达到信息化里程碑的飞跃。

1 通用型AI信息处理集成网关

1.1 软硬件结构框架

提出了一种针对物联网网关的通用型AI信息处理集成架构（见图1）。随着互联网、大数据技术的迅猛发展，一个完整的物联网系统逐渐被细化定义成了感知、采集、传输、应用、决策分析五层，在这个研究项目中，利用电磁兼容、边缘计算和互联互通等关键技术，创新的将采集、传输、应用层部分功能集成在一个网关产品中，缩减管理层级，不再需要单独安装通信设备，在本地就可实现数据分析，支持IPv6/IPv4双栈通信协议，形成了能够应用于各行各业、通用型物联网AI信息处理集成架构，解决了物理数据采集与分析处理相分离的问题，极大地节省服务器端处理数据的环节，提高物联网系统的整体效率，降低后期运维成本和难度。

图1 通用型AI信息处理集成架构图

1.2 特性分析

（1）工业级设计，选用微功耗元器件。采用工业级标准设计，保障了网关产品从民用领域到工业领域的跨行业应用。

（2）模块化集成设计，根据实际需求可以做到深度定制。网关由通信模块、安全防护模块、数据集控模块、IO模块等部分组成，模块之间各自独立又互联互通。

（3）内嵌智能芯片，开创物联网前端人工智能新局面。自运算、数据建模、深度学习、神经网络等新技术的应用，使机器的自我诊断、预测性维护和优化运营变为可能，网关产品能够最大程度保障前端设备安全稳定的运行。

（4）创新集成安全防护技术，提高物联网系统的安全防护水平。网关产品强调硬件和软件的协同防护，首创在内部嵌入了安全防护模块，利用AES和ECC混合型数字加密等技术，实现了集中式数据加密、身份认证、攻击防护等功能，打造了物联网领域的最后一道安全防线。

（5）融合5G通信技术。网关在设计之初，就重点围绕5G的QoS等相关技术对通信电路板展开了研发设计。一是低功耗大连接；二是低延时高可靠。

2 垂直行业多领域适用

2.1 能源行业

适用于智慧油田油气生产与储运的各个环节，满足分布范围广、终端数量密集的油气生产环境，实现生产数据监测以及设备的远程控制，降低现场工作人员的安全风险和人工成本，达到减少事故发生、延长管道的使用寿命、经济合理的保证管道安全运行的目的，解决了偏远地区对网关稳定性、通信方式可靠性的要求。

油气生产自动化监测系统。将网关放置于智能综合控制柜内，负责对现场信号、工业设备的监测和控制，实现远程启停井、智能调频、自动调平衡、智能排采、功图算产、工况诊断等功能（图2）。

图2 网关工作流程示意图

与前端搭配设计的是上位机软件平台，采用大数据分析技术、WEB-GIS技术、XML解析技术、JSON解析技术、P2P分布利用与共享技术、“沙盒”数据访问技术等，实现地图本地化、数据分析、工业视频监控、电子巡井、生产报表、历史数据查询、接口管理、系统管理等功能（图3）。

图3 软件界面示意图

2.2 智慧民生

不仅仅局限于能源行业，智慧家庭系统也以物联网网关为核心，能够实现通讯设备、娱乐设备、家用电器、自动化设备、照明设备、保安（监控）装置及水电表、燃气表控制的协同工作，数据通过2G/3G/4G/5G网络上传至数据服务器，用户通过手机、PAD和PC等访问智慧家庭平台系统，实现远程监控和安防报警联动等功能（图4）。

图4 智慧家庭系统架构图

2.3 仓储物流

在车辆端安装物联网网关产品，实现车辆的实时定位，油箱、发动机等设备参数的实时上传，以及电子锁的远程控制等功能，尤其在危险品的运输和装卸过程中，能够做到危险品全流程可追溯（见图5）。

图5 系统架构图

以油田原油、成品油的拉运过程及监测为例。利用物联网网关对电子锁、车辆拉运进行监管，采集电子铅封锁设备的自动化参数，通过2G/3G/4G/5G等无线网络将数据回传至配套的系统监控平台，实现原油拉运全过程全时段管控。

2.4 环境监测

利用物联网网关采集水质、地下水位、土壤温度湿度、生态环境等重要指标数据，为生态特点和生态变化过程提供研究平台。同时为政府行业主管理部门有效地开发和保护环境资源，研究环境生态变化与城市水资源、环境质量、空气质量等之间的关系提供科学依据。

目前，在西北地区完成了新疆湿地环境监测的实验项目，为西北地区荒漠化治理提供科学的依据。主要包括水质监测和土壤监测两部分，实现了无人值守、长期连续在线监测，整体性能不会受监测环境的盐碱度、污染程度等各类恶劣环境的影响。

3 结束语

通用型AI集成网关的研发是智慧油田建设一个重要节点，它基于A11的标准架构设计，将采集、应用、传输合为一体，颠覆了传统的油气生产自动化格局，实现边界化人工智能，具备安装简单、维护简易等特点。华北石油通信有限公司与中国移动联合建立了华北油田第一个5G联创实验室，后续网关将融合5G技术，进一步服务于智慧油田的生产和民生建设中，并推广至各行各业，按照“中国制造2025”要求持续推进工业化和信息化深度融合，用“工匠精神”打造华北油田未来。