油田應用的邊緣控制器研究與設計

伍儒彬，張雅楠，孫 濤，李宏宏，劉長遠

（1.昆侖數(shù)智科技有限責任公司，北京 100007；2.中國石油新疆油田公司 采油二廠，新疆維吾爾自治區(qū) 克拉瑪依 834011）

0 引言

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新技術和新概念的不斷涌現(xiàn)，以及在各行業(yè)的成功應用案例，邊緣計算作為近十年提出的新技術和新概念，也不例外。邊緣計算技術在多個行業(yè)都有研究和應用。如李彬等提出的邊緣計算在電力領域的應用[1]；李子姝等對邊緣計算在移動領域做了較為全面的綜述[2]；在智能汽車領域，李智勇等對邊緣計算在汽車的關鍵任務計算進行了綜述。通過上述文獻可知，邊緣計算的主要目的是為了減輕數(shù)據(jù)中心或者控制中心的數(shù)據(jù)計算（或處理）負擔，讓具備一定計算能力的設備在現(xiàn)場對數(shù)據(jù)進行處理，將結(jié)果（或關鍵信息）傳輸?shù)娇刂浦行模詼p輕鏈路和控制中心的負擔。

在油氣田領域，隨著油田生產(chǎn)不斷向信息化、智能化發(fā)展，需要處理的數(shù)據(jù)和信息在不斷增加，對通信鏈路和控制中心的計算能力提出了極高的要求和挑戰(zhàn)。為減輕控制中心的計算和通信鏈路的通信負擔，本文以JETSONNANO為核心計算組件，提出并設計一種具備邊緣計算的控制器設備，使其具備邊緣計算功能，同時又具備現(xiàn)場邏輯控制功能。

1 邊緣計算控制器

當前，提供邊緣計算解決方案的主流廠商有英特爾、英偉達、華為、比特大陸等國內(nèi)外商業(yè)公司，根據(jù)其特點，本文將各廠商提供的解決方案或者平臺進行總結(jié)，詳見表1。

表1 邊緣計算控制器簡要一覽表Table 1 Brief list of edge computing controllers

由表1可知，不同的廠商側(cè)重于不同的應用場景。英特爾提供的產(chǎn)品側(cè)重于移動邊緣計算；英偉達側(cè)重于單通道或雙通道模式的視頻采集初步計算；瑞芯微更偏重于全功能的現(xiàn)場應用；比特大陸的算力更高，能量消耗，適合大流量，高算力需求的應用場景。

根據(jù)業(yè)務特點并結(jié)合應用的需求，初步選定英偉達的JETSON NANO平臺進行研究和設計，該平臺具有以下功能：

1）四核ARM Cortex-A57

2）支持Linux操作系統(tǒng)

3）128-Core 英偉達MAXWELL GPU

4）4G 64-bit LPDDR

5）支持千兆以太網(wǎng)

6）支持HDMI&USB3.0

7）支持PCIe總線擴展功能

8）豐富的串口和SPI&IIC總線接口功能

2 硬件設計

根據(jù)油田應用需求以及升級改造需要，提出兩種解決方案。一是以人工智能處理為主要功能的解決方案，側(cè)重于現(xiàn)場智能計算和數(shù)據(jù)處理，具有以下基本功能：高速通信總線功能接口（千兆以太網(wǎng)，HDMI，USB3.0）和低速通信總線接口（串口，CAN，無線通信等），具體實現(xiàn)架構可參考圖1。此方案主要應用于已有場站的信息化升級和改造工作，在原有的信息化基礎上，配備智能計算處理設備即可。第二種解決方案是以人工智能處理和現(xiàn)場工業(yè)控制于一體的邊緣控制器，該解決方案可以實現(xiàn)現(xiàn)場的智能計算（數(shù)據(jù)處理）與工業(yè)控制同步進行的功能，即不但是一個邊緣控制器，同時也具備RTU（遠程單元控制終端）的功能，其實現(xiàn)框架圖如圖2所示。智能計算部分由NANO核心板的資源進行計算和處理，而RTU控制器部分則由ARM核心資源進行命令控制和數(shù)據(jù)采集，兩者之間的通信可以根據(jù)業(yè)務需求通過以太網(wǎng)或者串口實現(xiàn)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和命令控制，其主從關系也可以通過軟件進行設定和控制，該解決方案可應用于新開發(fā)井口和場站的智能化建設。

圖1 智能計算設備硬件實現(xiàn)框架圖Fig.1 Framework diagram of hardware implementation of smart computing equipment

圖2 邊緣計算及遠程控制設備硬件實現(xiàn)框架圖Fig.2 Hardware implementation framework diagram of edge computing and remote control equipment

硬件設計的一些具體細節(jié)部分可參考文獻[4]和文獻[5]。針對NANO核心板的設計，需要注意以下設計要素：

1）HDMI顯示設計。標準的HDMI顯示，屬于高速總線類型，在設計時需要遵循對應的協(xié)議標準，項目對此功能進行分類，其信號可分為差分對信號、檢測保護信號、簡單通信信號、電源供電信號。

其中，差分對信號需要對應的交流電容進行信號耦合，并提供ESD保護；檢測信號需要與電源供電信號進行聯(lián)動處理；電源供電部分最好進行單獨處理。

2）USB設計與實現(xiàn)。NANO的USB設計部分分為3個層面，分別是USB2.0USB3.0USB下載專用接口。USB2.0與USB3.0需要注意端口供電的控制，即電流超出時，系統(tǒng)需要對外部端口供電進行斷電處理，不要影響系統(tǒng)其他功能的使用。USB3.0也有交流耦合電容，需要注意與ESD器件的連接處理，而USB內(nèi)部下載專用接口則需要注意電源準備好的PG信號告知核心板，否則該功能無法實現(xiàn)。

3）電平轉(zhuǎn)換設計與實現(xiàn)。因NANO核心板提供的IO接口或通信功能接口多數(shù)為1.8V，需要對端口電平進行必要的轉(zhuǎn)換才能使用，外部功能端口多數(shù)是3.3V TTL電平或5V TTL電平。采用TI公司SN74AVC4T245芯片進行實現(xiàn)，具體如圖3所示。

圖3 電平高低轉(zhuǎn)換電路圖Fig.3 Circuit diagram of level high-low conversion

圖3中通過DIR的高低來實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的傳輸方向，具體方向設計定義可參考對應的芯片手冊。

4）電源供電設計與實現(xiàn)。電源是整個產(chǎn)品成敗的關鍵，擬定電源功耗為15W，同時根據(jù)業(yè)務需要，可無縫切換到20W（電源模塊PIN腳兼容，只需要更換電源模塊即可）；支持隔離功能，并對框架中的各級供電進行必要的分級處理設計，即5V，3.3V，1.8V，通過逐級降壓實現(xiàn)功能，24V轉(zhuǎn)換為5V，5V轉(zhuǎn)換為3.3V，3.3V轉(zhuǎn)換為1.8V，確保電壓整體的平穩(wěn)和參考地平面的一致性。

另外，核心板供電電路的核心要素是當核心板沒有連接在主板上，整個系統(tǒng)的電源不能工作，利用核心板提供的電源控制功能和系統(tǒng)復位信號來控制電源芯片的工作，確保整個硬件的供電穩(wěn)定性。

3 軟件設計

基于前文提出的兩個方案，均采用Linux系統(tǒng)進行軟件設計和實現(xiàn)。因方案二相對于方案一是一種包含關系，軟件設計側(cè)重于按方案二的硬件架構進行整體的設計和規(guī)劃。其設計可以通過兩種方式實現(xiàn)，一種是基于英偉達官方提供的原生態(tài)系統(tǒng)（提供的也是Linux系統(tǒng)）下進行修改和軟件功能實現(xiàn)，其好處是開發(fā)周期較短，但弊端也顯而易見，需要按照其官方的文檔、架構和開發(fā)格式進行功能實現(xiàn)和設計；另一種是基于某個穩(wěn)定版本的Linux系統(tǒng)進行架構重整和軟件功能實現(xiàn)，其好處是系統(tǒng)可以按照實現(xiàn)的功能進行架構重整，整個代碼量可控，設計無需遵循官方的格式和規(guī)范進行，不足之處是需要投入更多的時間和精力對底層驅(qū)動進行調(diào)試和實現(xiàn)。

邊緣控制器的軟件功能實現(xiàn)是指將硬件的功能端口通過對應的驅(qū)動或API應用映射到操作系統(tǒng)中，其簡要框架如圖4所示。軟件實現(xiàn)的主要工作在于協(xié)調(diào)應用接口，內(nèi)核接口以及LIB庫之間的調(diào)度、數(shù)據(jù)傳輸、命令下達傳遞工作。

圖4 軟件整體結(jié)構框架Fig.4 The overall structure of the software framework

英偉達官方提供了HDMI以及千兆網(wǎng)絡、USB功能為系統(tǒng)原生的驅(qū)動，不需要進行開發(fā)，對系統(tǒng)進行裁剪和檢測信號功能處理即可，而ZIGBEE與485功能處理需要建立好對應的LIB文件及通信協(xié)議即可實現(xiàn)。

1）人工智能功能開發(fā)與實現(xiàn)

系統(tǒng)可采用Kubernetes、Nginx、postgres等大數(shù)據(jù)平臺和容器化技術，結(jié)合集群及數(shù)據(jù)庫技術，使用分布式技術對深度學習任務進行調(diào)度，同時可對算法、模型進行管理，并具有部署、分發(fā)、監(jiān)控等功能。

AI管理系統(tǒng)可提供可視化的AI訓練、業(yè)務應用開發(fā)、數(shù)據(jù)接入、算法管理等功能，同時提供展示界面，用于展示實時視頻和報警信息。

2）Docker功能

為便于現(xiàn)有已開發(fā)好的功能快速轉(zhuǎn)移到新平臺或新產(chǎn)品中，在NANO核心資源充足的情況下，可以加載Docker功能。Docker提供了簡單的建模方式以及邏輯上的分離，可以做到單個容器運行單個應用，如此可節(jié)省軟件的開發(fā)周期。

當NANO核心處理器資源足夠，又需要將原來開發(fā)的應用移植到NANO邊緣計算設備中，此時采用Docker為最佳選擇，其實現(xiàn)過程如下：

第一步：Docker安裝。

第二步：確定主從關系（即客戶端和服務器）。

第三步：確定依賴關系，掛載點，優(yōu)先級，資源度量等參數(shù)。

第四步：啟動Docker，并進行相關應用掛載。

3）處理器之間的協(xié)同處理

當NANO處理器與ARM處理器存在協(xié)同處理時，需要確定一個主從關系。確定主從關系的原則是：智能計算為主要任務的時候，由NANO處理器作為主處理器，ARM處理器為協(xié)助處理器；而現(xiàn)場控制為主要任務的時候，由ARM處理器作為主處理器，NANO處理器為協(xié)助處理器。其協(xié)同處理過程如下：

第一步：啟動協(xié)同處理。

第二步：確定主處理器與協(xié)助處理器。

第三步：開啟協(xié)同處理程序。

第四步：開啟心跳互相監(jiān)控程序。

第五步：是否結(jié)束協(xié)同處理，是，跳轉(zhuǎn)第六步；否，繼續(xù)現(xiàn)有程序和進程。

第六步：結(jié)束協(xié)同處理，結(jié)束相關程序和進程。

4 結(jié)語

基于本文提出的解決方案而實現(xiàn)的邊緣計算控制器在油田現(xiàn)場已成功應用，其基本目標也得到實現(xiàn)，減少數(shù)據(jù)中心或中央控制中心計算負擔，減輕通信鏈路的數(shù)據(jù)傳輸負擔效果得以體現(xiàn)，為未來的應用場景提供了硬件基礎和技術積累。下一步，基于人工智能技術在油田的應用還有待繼續(xù)研究和挖掘。一是智慧化程度的功能提升，比如產(chǎn)量預估、自然災害預警等；二是智能算法的魯棒性有待繼續(xù)提高，智能算法對不同區(qū)域不同場景的應用需要進行重新調(diào)整和布置。