边缘计算解决方案

项目背景与行业困境剖析

        随着油田积极响应“十四五”信息化建设的号召，大步迈向数字化转型与智能化发展的新征程，生产运行及管理模式正经历着深刻的重塑。传统的生产方式逐渐被“少人或无人值守、集中监控、按需巡检”的高效模式所取代，组织机构也朝着扁平化方向发展，两级管理模式成为新的趋势。在这一变革过程中，油气生产物联网系统面临着前所未有的挑战与机遇。 以往，油田所采用的基于服务器端运算的示功图诊断和量油系统，在实际应用中暴露出诸多棘手问题。以长庆油田为例，其功图采集依赖作业区 SCADA 服务器，诊断和量液依靠厂工艺地质专家平台系统。然而，由于服务器容量和采集点数的限制，每口井每天功图最大采集数量仅为 144 张（设置为 10 分钟采集一张），再加上网络传输等不利因素的干扰，实际采集张数仅在 30 - 90 张左右。这种采集数量的严重不足，导致了以点概面的错误判断，计产算法的误差不断累积，使得诊断和计量的准确率大打折扣，计产结果无法有效指导生产，常常需要人工通过系数修正产液量，耗费大量人力物力且效果不佳。 此外，整体架构与工业互联网 4.0 的先进架构格格不入。在大规模采集井数和复杂运算的双重压力下，SaaS 端应用人工智能、大数据算法后，服务器计算客户端不堪重负，频繁出现挂死、不计算等严重问题，维护工作量剧增，成为油田生产的一大瓶颈。而且，客户端采用的系数修正法在面对各类井的复杂模型时显得力不从心，一旦井身数据等基础资料发生变化，计产和诊断结果的误差便会显著增大，严重影响了生产决策的科学性和准确性。

公司综合实力彰显

        北京地航时代科技有限公司自 2002 年成立以来，始终坚守在油气田智能化领域的前沿阵地，不断深耕探索。公司总部坐落于北京市海淀区中关村科技园区，这里汇聚了丰富的科技资源和创新氛围，为公司的发展提供了坚实的支撑。同时，公司在西安设立的物联网研发中心，凭借当地的人才优势和科研实力，成为了技术创新的重要引擎。 作为国家双软和高新认证企业，北京地航时代科技有限公司拥有一支实力雄厚的软件研发、实施和销售团队。他们具备丰富的行业经验和专业知识，能够精准把握市场需求，为客户提供高质量的产品和服务。在中石油、中石化和中海油等行业巨头中，公司已经成功建立起成熟的销售渠道，产品和服务得到了广泛的认可和应用。 经过多年的不懈努力，公司积累了深厚的专业背景和优秀的团队人员。在技术研发方面，公司取得了令人瞩目的成果，拥有 2 项专利和 25 项软件著作权，核心产品均顺利获得中石油物资装备准入资格。在人才培养和技术合作领域，公司与中国石油大学（北京）紧密合作，成为其研究生培养基地和社会实践基地，通过产学研的深度融合，不断提升自身的技术创新能力和人才储备水平。公司始终秉持着通过研发及迭代基于边缘计算技术的油气井物联网智能设备，助力国内外油气田实现智能化生产、优化管理、降本增效的使命，在油气田智能化领域持续发力，不断前行。

产品创新与技术突破

• 边缘计算整体解决方案架构：公司精心打造的边缘计算整体解决方案，整合了一体化无线示功仪、边缘传输模块和边缘计算网关等关键部件，形成了一个高效协同的系统。一体化无线示功仪作为大数据的基础来源，能够精准地测量每个机采周期悬点载荷、位移数据，并合成示功图，同时根据载荷动态变化自动判断井的起停状态，记录最后一次启停井时间，为后续的分析提供了可靠的数据基础。边缘传输模块和边缘计算网关则承担着数据采集、存储、控制执行、指令下发、报警及传输等一系列综合功能。它们采用宽温宽压设计，接口光电隔离，具备极高的运行及传输稳定性，能够在复杂恶劣的油气田环境中稳定运行，确保数据的准确采集和及时传输。

• 功能革新与痛点攻克：这一解决方案有效解决了功图采集密度不足、大数据应用基础薄弱、机采井系统效率无法测量、抽油机现场人工启停不便、恶劣环境下设备易损坏以及现场维护和智能化程度低等一系列行业难题。通过实现功图数据的边缘端诊断和计量，支持算法下发和设备联动，能够对每张功图进行深入分析，诊断、计量准确率高达 95%以上。这使得油气田生产能够第一时间发现异常情况，为提升措施制定及处置效率提供了有力支持，确保措施效果跟踪准确可靠，真正实现了替代传统计量手段，达到降本增效的显著效果。

• 油井边缘计算核心技术：在油井边缘计算设计原理方面，公司以井场为运算单元，运用地航灰度算法，对功图液量进行精确计算。在计算过程中，首先对采集到的示功图进行细致处理，将其转化为示功图图形，提取特征并转化为 32×64 的灰度矩阵，然后分成 8 块进行统计特征比对，计算灰度矩阵的灰度统计特征，如灰度均值、灰度方差、灰度偏度、灰度峰度、灰度能量、灰度嫡等，以此构成示功图灰度统计特征向量，完成示功图的预处理、特征提取和故障类型分类。之后，在边缘计算 RTU 采用图形归一化方法进行二次标准化处理，将具有不同规格、不同比例的图形归并成具有相同规格、相同比例的图形，方便后续特征提取和计算。通过完成特征数据库文件转换，实现硬件级文件编码，将数据特征库存储大小从传统的 2G 极限压缩，极大地提高了硬件级数据比对计算响应速度，确保每张功图的诊断准确率，以及积分后结果输出的准确率。同时，公司积极研究基于卷积神经网络在 ARM 架构中运行的可行性和数据学习处理速度，不断优化边缘控制平台神经网络算法，提升系统的智能化水平。

• 硬件设计与性能优势：边缘计算网关在硬件设计上独具匠心，充分考虑了油气田现场的复杂环境和多样化需求。它采用嵌入式设计，内嵌 Linux OS，内置多种通信技术，支持 RS232、RS485、以太网、4G 无线网络等多种通信方式，确保在不同网络环境下都能稳定通信。其硬件结构设计合理，包括存储单元、cpu 单元耦合设计、连接器设计和功能结构设计等方面，均经过精心优化。例如，在存储单元设计上，采用默认容量为 256M 字节的 NAND FLASH 和 512M 字节的 DDR3L，满足了数据存储的需求；在连接器设计上，所有 I0 全部引出，包括 GPI0 引出 107 个，差分时钟一组，USB 专用口 2 个等，方便与其他设备连接和扩展。在性能方面，边缘计算网关具有快速的计算能力，采用 Arm 架构 64 位处理器，能够迅速处理来自油气生产现场的大量不同类型数据，如功图数据、抽油机生产数据等，算力足以支持对不少于 3 口井的每张功图数据进行高效算法分析。同时，它具备工业级可靠性能，宽温宽压设计使其能适应各种恶劣的现场环境，接口光电隔离有效防止雷电破坏及外部电磁信号干扰。此外，它还拥有数据规范集成转换功能，能够针对油气行业实现不同油田协议转换，支持 A11 数据规范、长庆数字化规范（非标准规范）互转，还可转换多个工业协议，实现了真正意义上的系统集成与简化，方便与其他系统协同工作。在多平台接入能力方面，它既可以接入本地的 HMI 显示、SCADA 组态软件，也可以接入 OPC UA 的 MES 系统等上位机管理软件，还能同时接入多个 ModbusTcp\MQTT 协议的工业物联网云平台，为油气田生产提供了全方位的数据交互和管理支持。

  应用案例成果斐然

          在实际的油田生产中，北京地航时代科技有限公司的边缘计算设备在多个油田井场取得了显著的应用成果。例如，在某油田的塬 283 - 52、塬 282 - 52、盐 55 - 45 三个井场，公司成功安装了边缘计算设备，并对井场的 9 口单井的功图数据进行了全面采集、分析和运算。 在安装过程中，边缘计算设备被巧妙地安装在每个井场的 RTU 柜子中，并与井场 RTU 建立了稳定的网络连接。通过设置 RTU 采集频率为数据变化采集模式，边缘计算设备能够精准地从井场 RTU 中提取功图数据与冲程、冲次数据，并运用先进的算法进行高效运算。在初次安装时，工作人员通过笔记本电脑网络传输模块进行了细致的配置，包括设置 ip 地址、功图采集模式等，并在边缘计算网关中配置了油井基础参数，启动算法程序。程序启动后，边缘计算网关便能够根据采集到的数据，迅速计算出工况数据和液量数据，并将其稳定地传输至边缘计算平台，方便工作人员进行诊断量液结果的查看和分析。此后，通过边缘计算平台，工作人员还可以实现远程维护，大大提高了工作效率和设备的可靠性。 通过实际数据对比，边缘计算设备的优势得以充分体现。在与单量车计量 6 小时的产液量对比中，如盐 54 - 44 井，单量车计量产量为 1.62，边缘计算产量为 1.58；盐 54 - 45 井，单量车计量产量为 0.67，边缘计算产量为 0.63；盐 55 - 45 井，单量车计量产量为 1.03，边缘计算产量为 1.06。在与拉油井组油管量罐计量全天产液量的对比中，塬 285 - 52 井，量罐日产量为 9.22，边缘计算产量为 9.17；塬 282 - 53 井，量罐日产量为 9.3，边缘计算产量为 9.24。在现场的 8 口井与单量、量罐、SCADA 系统等多种计量方式的对比中，边缘计算产量与计产液量对比误差率均在较小范围内，如盐 54 - 44 井单量车计量误差率为 2.47%，盐 54 - 45 井单量车计量误差率为 5.97%，盐 55 - 45 井单量车计量误差率为 2.91%等，充分证明了边缘计算设备在计量准确性方面的显著优势。 此外，边缘计算方式在智能间开功能方面也发挥了重要作用。它能够实时获取开井时间、准确产液量和工况变化趋势，通过对产液量的连续判断和人工智能算法，有效识别泵充满程度，结合工况细微变化制定最合理的工作制度。这不仅适用于低产井，对于正常生产井同样效果显著，能够智能匹配抽油机最佳工作参数，实现节能降耗、增产增效，真正实现了智能间开。通过边缘端的实时高频采集及分析计算，依托边缘控制平台，实现了功图的实时准确诊断和智能预警报警功能。例如，能够及时发现机采井出现的杆断脱、油管漏等传统诊断法难以察觉的工况问题，并通过及时采取措施，有效挽回了产能损失。同时，通过对单井产液量的实时连续监控和预测，为精细化管理提供了有力手段，根据液量异常及细微变化，智能控制并精细调整注采措施，实施智能间开生产，平均单井可增产 1% - 3%。在降低成本方面，应用智能物联网设备代替了传统的计量间、井组计量装置和井口流量计等设备，边缘计算网关设备平均单价投资仅 5000 元，而传统计量间每套 60 万元、井组计量装置每套 50 万元、井口流量计每套 1.2 万元且寿命较短，大大降低了计量投资成本。在管理优化方面，该技术适应于各类机采井工况及工作制度，有效减少了巡井次数和采油工人数，降低了对专家的依赖度，促进了管理模式的转变，实现了减人不减产、降低整体投资的目标，为油气田生产带来了全方位的效益提升。

  资质认证与用户认可

          公司的产品在质量和性能方面经过了严格的检测和验证，拥有一系列权威的资质文件。其产品通过了专业的质量检测，符合 QSY 10722 - 2019《油气生产物联网系统建设规范》等相关标准。在用户实验报告及评价方面，在长庆油田、青海油田等多个油田的实际应用中，均取得了优异的成绩。 在长庆油田，第五采油厂应用边缘计算方法实现油井功图诊断、计量及智能控制方法研究项目中，公司研发的设备按照合同要求，以嵌入式和边缘端采集及计算思想为主线，成功研发了集成边缘计算、协议转换、数据采集、数据传输、结果传输及通信为一体的井场智能边缘计算 RTU 设备。采用基于图像识别灰度算法，对每个油井井场的每张功图都进行采集和计算，诊断准确率不低于 95%，计产准确率不低于 90%，满足了油田的生产需求，得到了用户的高度认可。在长庆油田第八采油厂的边缘计算测试中，罐量计产与边缘计算计产对比准确率达到 93.75%以上，边缘计算设备功图诊断及量液准确率达到 90%以上，再次证明了产品的可靠性和准确性。 在青海油田，无论是第一采油厂还是第二采油厂的测试中，边缘计算网关计产与罐量计产对比准确率均在 92%以上，如砂西 22 - 8 井测试准确率为 92.4%，跃 9431 向井测试准确率为 98%，乌北 2 - 10 井测试准确率为 93%，乌北 6 - 19 井测试准确率为 95%等。这些数据充分表明，公司的边缘计算设备在不同油田的复杂环境下都能稳定运行，为油气田生产提供了可靠的技术支持，赢得了用户的信任和好评。

  未来发展蓝图展望

          展望未来，北京地航时代科技有限公司在边缘计算项目上制定了宏伟的发展规划，致力于实现油气井脑机接口的不断升级。 在脑机接口 1.0 - 计算控制阶段，公司已经成功实现了油水井的边缘计算、边缘控制、智能间开等关键功能，并且在边缘计算平台中研发了神经网络智能算法，能够实现模型数据的远程更新和油气井的边缘控制，为油气田生产提供了初步的智能化支持。 随着技术的不断进步，公司将迈向脑机接口 2.0 - 分析预测阶段。在此阶段，公司计划通过深度学习平台建立单井工况模型，结合工艺和地质数据，实现油水井连片智能分析、产量预测和措施效果分析，进一步提升油气田生产的智能化管理水平，为生产决策提供更加科学准确的依据。 在脑机接口 3.0 - 自主决策阶段，公司将着力建立通用分析模型，根据模型和实际应用情况自动计算最佳采收强度，智能制定油水井措施，并将参数下发至边缘计算物联网设备，实现生产过程的自主优化和智能调控，提高油气田的生产效率和经济效益。 最终，公司将朝着脑机接口 4.0 - 自我进化的目标迈进。以提高产量、延长油气井生命周期为核心目标，依托边缘端知识图谱和专家库，形成进化算法，实现油气井间脑机融合感知，打造一个高度智能化、自适应的油气田生产生态系统，为油气田行业的发展带来革命性的变革。 北京地航时代科技有限公司始终秉持“技术导向、生产为主”的理念，紧密结合油田现场实际，以切实解决用户的实际需求为出发点和落脚点，不断推动边缘计算技术在油气田领域的落地应用和创新发展。通过持续的技术研发和产品优化，公司有望在油气田智能化技术领域保持领先地位，引领行业发展潮流，为油气田生产的高效、安全、可持续发展注入强大动力，真正发挥数据在油气田生产中的价值，实现油气田生产管理的智能化飞跃。