导语

随着大数据云计算时代的来临，数据已经成为企业的重要资产，在油田勘探开发、经营管理中发挥着至关重要的作用。

近年来，物联网技术迅猛发展，新型信息传感设备以及各类有线、无线网络技术在石油勘探、生产与储运环境中逐渐普及使用。采油厂作为石油石化行业中油田开采的主要单位，在生产管理中积累了大量数据，如何将这些海量数据科学管理，实现对油田终端设备的远程控制，用数据辅助油田开发、生产管理及经营决策，是当前油田开采领域进行数字化转型的关键方向。

本文将基于某油田采油厂数字化转型项目的实践经验，分享 EMQ 云边协同工业物联网（IIoT）解决方案的应用。

油气生产的现状及挑战

油田信息化建设经过多年发展，已经开发并上线了众多应用系统，并积累了大量的业务数据。

但是，这些海量的数据资源由于建设时期不同，采用了不同的技术架构，造成了数据存储分散、冗余过度、数据源不唯一、一致性较差等问题，影响了数据的共享应用以及数据价值的深度挖掘。

传统采油厂通过现场专用无线或者有线网络，将油井中的油压、油温、载荷、电量等数据实时传送到 RTU 或者 PLC 中，再通过本地 SCADA 系统进行汇聚后存储在生产作业区或者联合站的控制室内的数据库。厂区中心机房需要定期从场站控制机房的数据库中同步数据，实现对多个作业区的数据汇聚。

随着企业对实时数据消费需求越来越高，对边缘数据库的访问频率要求也随之增加，在实际运行过程中逐渐暴露出以下问题：

• 场站数据采集与数据存储软硬件老化，更新成本高；

• 随着采集数据量不断增加，整体性能开始无法满足日益增长的数据需求；

• 厂区无法得到实时数据，对场站的实时管理监控能力不足；

• 现场技术维护人员工作强度大，人工成本高。

解决方案

为了实现对采油厂终端设备实时数据的采集和有效管理，本项目采用了 EMQ 云边协同 IIoT 解决方案。主要包括以下软件：

边缘工业软网关

本项目采用 Neuron 作为工业软网关，将工业数据传输协议解析成为标准的 MQTT 协议，并发布到中心 Broker 集群。

在南向数据采集方面，Neuron 通过 Modbus-TCP 与串口服务器/DTU 通讯，完成对现场仪表的常规数据采集、读仪表参数、示功图采集、电量图采集和专项数据采集等；Neuron 支持 Modbus-TCPServer、Modbus-TCPClient 两种模式。

Neuron 支持 10000+数据点的秒级采集功能，同时可以实现数据的双向传递，进行数据上报及对仪表设备的指令下发。

边缘计算单元

边缘计算单元 eKuiper 是轻量级物联网边缘分析、流式处理开源软件，可以运行在各类资源受限的边缘设备上。eKuiper 结合边缘流式数据处理的特点，采用基于数据源（source）-业务处理逻辑（rule）-目标（sink）的规则引擎来进行流式计算。

在该解决方案中 eKuiper 定时从电子围栏、视频监控等各类第三方应用中拉取数据，经过规则处理后，以 MQTT 协议转发数据到中心控制室的 EMQX Enterprise。

中心 Broker

中心 Broker 采用企业级物联网接入中间平台 EMQX Enterprise，可以实现以下功能：

• 通过 MQTT 协议接入从 Neuron、eKuiper 以及其他支持 MQTT、HTTP 协议的设备上报的采集数据，并进行统一数据汇聚与数据存储；

• 提供内置规则引擎支持将设备上报数据分发到多种第三方存储，包括时序数据库（InfluxDB、TDengine 等）、关系型数据库（MySQL、PostgreSQL、SQLServer 等）；

• 规则引擎通过调用 HTTP API 的方式推送数据到第三方应用；

• 上层应用通过 MQTT 订阅的方式，读取现场设备上报到 EMQX Enterprise 的数据；上层应用也可以通过数据库存储获取数据；

• 支持指令下发，上层应用通过 EMQX Enterprise HTTP API 功能，指令最终下发到 Neuron，Neuron 再通过 Modbus-TCP 向现场设备下发指令。

云边协同管理软件

EMQ 边缘管理平台是基于 EMQ 核心产品构建的基础 IoT 平台框架，提供云边协同、EMQX 集群管理等 IoT 平台核心功能。

由于边缘设备众多，手动进行 SSH 连接或者 Web 访问登录配置每一台边缘设备要耗费很大的工作量，很多时候用户需要从云端对边缘设备提供的 HTTP 服务进行访问（边缘设备一般没有公网 IP），方便用户在局域网内通过浏览器查看服务的状态或者进行相应的设置。

通过 EMQ 云边协同管理平台建立基于 TCP 或 MQTT 协议实现的边缘端设备发现与管理的云边通道，可以通过底层 API 实现由云到边服务的访问。

通过在中心控制室部署 EMQ 云边协同管理平台，通过统一的入口、界面来管理所有连接的设备，在中心侧实现对 Neuron 的数据采集功能、查看数据点实时值以及告警日志查询等功能，对 eKuiper 的数据流配置、规则配置以及实时监控等功能。

KubeEdge

本项目采用 KubeEdge 来对边缘应用进行编排。KubeEdge 是一个开源的容器编排系统系统，可将本机容器化应用编排和管理扩展到边缘端设备。它基于 Kubernetes 构建，为网络和应用程序提供核心基础架构支持，并在云端和边缘端部署应用，同步元数据。

在本项目中，KubeEdge 主要应用场景如下:

• 对边缘节点进行统一纳管

• 边缘应用的安装与更新

• 限制应用（如：Neuron、eKuiper）使用的服务器资源，如：CPU、内存

• 通过 KubeEdge 保障应用的高可用

利用了最新的物联网、边缘计算及云边协同技术，通过 KubeEdge+Neuron+eKuiper+EMQX Enterprise 的组合应用，该方案实现了包括石油行业各类仪器仪表的并发接入，在场站端实现了多厂家各类设备数据格式的标准化、统一化，对边缘应用实现了自治与集中管理，为构筑智能应用提供了健壮的系统架构和高质量的数据支撑。

统一的数据接入平台也为后端组态软件开发提供了灵活的数据接口，减小了系统集成的复杂度，大大降低了研发成本，帮助采油厂更加快速地开发创新的业务应用。

此外，EMQX Enterprise 支持可弹性扩展的集群模式，随着业务增长可以不停机拓展集群规模，单个集群可以处理百万 TPS 的消息并发。随着智能仪器仪表的扩充，在业务场景对数据采集频率更快的趋势下，数据架构层也能保持良好的可扩展性和稳定性。轻前端、重后端的统一平台架构，也减少了现场采集与存储系统的复杂性，降低了运维成本。

项目成果

EMQ 为该采油厂提供的基于物联网和云边协同技术的石油石化解决方案，有效解决了传统模式软件升级困难、采集环节多、受部署位置影响严重、运维工作强度大成本高等问题。

通过对实时采集到的高质量业务数据进行远程设备操作、井筒放置位置优化分析、监测作业环境控制排放、远程辅助检修等新业务应用，实现了采油厂的降本增效与业务创新。

在经济效益方面：

• 节约采集系统运维费约 33 万元/年。

• 节约点位接入费，约 14.25 万元/年。

• 已接入机柜间温湿度数据 14 处、输油管线 8 处、抽油井 45 口、拉油罐 8 处。共节约数据接入费约 8.25 万元。

在社会效益方面：

• EMQ 基于物联网和云边协同技术的石油石化解决方案具有轻量化、高可靠、低延时、高吞吐量等特点，有效提升业务实时性。

• 采用云化部署，简化数据采集环节，提升数据传输效率，提高数据稳定性，为数据传输开通高速通道，在油田开采领域内具有首创性及示范意义。

• 减少现场硬件布置，降低运维难度，实现了统一采集、统一处理、统一存储，从源头规范化数据，便于数据共享，改变了原有的格局。

• 拥有自主知识产权，实现了自主可控、高效可靠的新形态的数据采集系统，有效降低传统运维成本。

• 为石油石化采油厂数字化转型提供技术支持，支撑后期数字化建设高质量发展，为日后深度数据应用提供数据支撑。

• 通过 EMQ 云边协同的实时数据采集与管理系统，将现场设备在中心控制室进行统一管控，现场运维负载度与人员成本可降低 70%以上。