中國石油集團(tuán)工程有限責(zé)任公司西南分公司

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的油氣田數(shù)字化工廠建設(shè)

杜毅 宋光紅中國石油集團(tuán)工程有限責(zé)任公司西南分公司

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的數(shù)字化信息為基礎(chǔ)，以功能完善的一體化軟件系統(tǒng)為手段，以綜合研究、分析決策等勘探開發(fā)核心業(yè)務(wù)需求為主要目的來實(shí)現(xiàn)工程信息跨專業(yè)、跨部門共享。中心數(shù)據(jù)庫作為油氣田數(shù)字工廠的核心和基礎(chǔ)，從業(yè)務(wù)流程梳理入手，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的概念模型設(shè)計(jì)，并且根據(jù)DBMS進(jìn)行物理模型設(shè)計(jì)，確定數(shù)據(jù)存儲方案，編寫相關(guān)SQL腳本。采用了一個(gè)中心、二個(gè)體系、三大工程的總體技術(shù)思路，通過基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)資源和應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)，搭建符合油氣田業(yè)務(wù)生產(chǎn)的三維數(shù)字工廠，實(shí)現(xiàn)油氣田二、三維一體化，地面地上一體化以及統(tǒng)一認(rèn)證、統(tǒng)一操作、統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型、統(tǒng)一維護(hù)的目標(biāo)。

虛擬現(xiàn)實(shí)；數(shù)字工廠；三維仿真；中心數(shù)據(jù)庫；模塊；管理

數(shù)字化工廠是以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，對整個(gè)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化仿真建模，對生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)控、評估和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)工廠數(shù)據(jù)的可視化查詢、業(yè)務(wù)系統(tǒng)的高效集成及生產(chǎn)自動化。結(jié)合國內(nèi)外油氣田三維數(shù)字工廠建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，采用一個(gè)中心、兩個(gè)體系（標(biāo)準(zhǔn)體系和安全體系）、三大工程（基礎(chǔ)設(shè)施工程、數(shù)據(jù)資源工程、應(yīng)用系統(tǒng)工程）的總體框架[1]，進(jìn)行符合油氣田三維數(shù)字工廠基本要求的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

1基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

油氣田三維數(shù)字工廠基于統(tǒng)一通信技術(shù)，在工廠建設(shè)統(tǒng)一的AD域、IP電話、一號通、RTX系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)等通信設(shè)施，提高工程內(nèi)部與外部的溝通協(xié)調(diào)效率，為項(xiàng)目快速建設(shè)爭取了時(shí)間。

對于網(wǎng)絡(luò)安全，利用廣域網(wǎng)加密和用戶識別的端點(diǎn)準(zhǔn)入控制，實(shí)現(xiàn)端到端的立體防護(hù)，保障生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全傳輸[2]。

采用了模塊化機(jī)房技術(shù)、虛擬化服務(wù)器技術(shù)以及桌面云等前沿IT技術(shù)建設(shè)三維數(shù)字工廠數(shù)據(jù)中心；同時(shí)建設(shè)數(shù)據(jù)容災(zāi)備份中心，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)異地容災(zāi)備份。

2數(shù)據(jù)資源建設(shè)

2.1 數(shù)據(jù)模型

基于EPDM和APDM的思想，構(gòu)建油氣田三維數(shù)字工廠數(shù)據(jù)模型，包括勘探開發(fā)全部專業(yè)，打通地上、地下數(shù)據(jù)，約定各專業(yè)數(shù)據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)和規(guī)范值，保證數(shù)據(jù)存儲和管理統(tǒng)一，達(dá)到了一次錄入、信息共享、數(shù)據(jù)一致的目標(biāo)。數(shù)據(jù)模型分為14大類數(shù)據(jù)：基本實(shí)體、物探、鉆井、錄井、測井、試油試采、樣品實(shí)驗(yàn)、地質(zhì)油藏、井下作業(yè)、油氣生產(chǎn)、采油氣工藝、動態(tài)監(jiān)測、地面建設(shè)、油氣集輸?shù)取?/p>

2.2 中心數(shù)據(jù)庫

2.2.1 建設(shè)思路

中心數(shù)據(jù)庫作為油氣田數(shù)字工廠的核心和基礎(chǔ)，決定著油氣田數(shù)字化工作的成敗。為此，從業(yè)務(wù)流程梳理入手，結(jié)合數(shù)據(jù)模型，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的概念模型設(shè)計(jì)[3]，并且根據(jù)DBMS進(jìn)行物理模型設(shè)計(jì)，確定數(shù)據(jù)存儲方案，編寫相關(guān)SQL腳本，建立中心數(shù)據(jù)庫，具體建設(shè)思路如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫建設(shè)思路

首先由相關(guān)業(yè)務(wù)的專家進(jìn)行業(yè)務(wù)流程和數(shù)據(jù)流程的梳理和規(guī)范，并把規(guī)范化的業(yè)務(wù)流程交給模型專家；其次，模型專家根據(jù)規(guī)范的業(yè)務(wù)流程和數(shù)據(jù)流程，結(jié)合EPDM模型設(shè)計(jì)中心庫概念模型建立物理模型；最后通過SQL腳本和數(shù)據(jù)庫建設(shè)數(shù)字工廠中心數(shù)據(jù)庫。中心數(shù)據(jù)庫應(yīng)包括數(shù)據(jù)主庫、生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫、專業(yè)數(shù)據(jù)庫、項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫和專業(yè)軟件集成平臺5個(gè)部分。

專業(yè)數(shù)據(jù)庫建設(shè)主要解決數(shù)據(jù)源問題，通過規(guī)范各專業(yè)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確與及時(shí)，保證數(shù)據(jù)的一致性。同時(shí)通過專業(yè)數(shù)據(jù)庫支持各二級單位的生產(chǎn)管理和生產(chǎn)監(jiān)控。

生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)來源于各廠和專業(yè)數(shù)據(jù)庫，主要包括生產(chǎn)管理動態(tài)類信息與決策支持類的信息，主要功能是為生產(chǎn)管理者、項(xiàng)目管理者、領(lǐng)導(dǎo)決策者提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫是針對特定的區(qū)域、地質(zhì)構(gòu)造和研究目標(biāo)，為研究小組建立的工區(qū)數(shù)據(jù)庫，項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫直接支持專業(yè)應(yīng)用軟件的數(shù)據(jù)存取，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目組內(nèi)或項(xiàng)目組間的數(shù)據(jù)共享。

一體化專業(yè)軟件集成平臺主要解決數(shù)據(jù)與專業(yè)應(yīng)用軟件的集成問題，規(guī)范勘探開發(fā)研究的數(shù)據(jù)流程和工作流程，實(shí)現(xiàn)知識共享。

2.2.2 中心數(shù)據(jù)庫建設(shè)

根據(jù)目前數(shù)據(jù)庫管理軟件發(fā)展趨勢，管理軟件可選擇Oracle，地震等大塊數(shù)據(jù)體管理軟件可選擇Land Mark公司的Petro Bank軟件。

數(shù)據(jù)管理中心硬件包括數(shù)據(jù)主庫服務(wù)器、數(shù)據(jù)遷移服務(wù)器、超大容量磁盤存儲庫、近線存儲磁帶庫、數(shù)據(jù)加載服務(wù)器、備份服務(wù)器、備份磁帶庫和磁帶機(jī)、打印機(jī)、繪圖儀等。

中心數(shù)據(jù)庫是氣田數(shù)據(jù)資源管理的核心。完善中心數(shù)據(jù)庫的模型和結(jié)構(gòu)將會帶動專業(yè)庫和項(xiàng)目庫的建設(shè)，同時(shí)也會給歷史數(shù)據(jù)遷移提供解決思路。

3應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)

3.1 二、三維一體化平臺

二、三維一體化平臺是基于地面和地下一體化三維場景構(gòu)建的可視化集成平臺，也是一個(gè)自定義工作平臺，主要是對各個(gè)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)進(jìn)行功能集成，并能夠根據(jù)不同的用戶權(quán)限來配置相應(yīng)的功能。平臺與中心數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能及數(shù)據(jù)的圖形化、可視化、查詢、定位和展示。平臺具備友好的用戶操作模型、準(zhǔn)確的地理信息模型、豐富的標(biāo)注及設(shè)備模型。能夠直觀展示地面、地下場景，方便查看地層、油井等信息[4]。

在集成應(yīng)用方面，平臺可實(shí)現(xiàn)如下功能：①直接用勘探開發(fā)生產(chǎn)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，形成生產(chǎn)總況圖、生產(chǎn)趨勢線、生產(chǎn)日報(bào)等；②新建設(shè)備工單，審批工單流程，查看設(shè)備位置樹、設(shè)備統(tǒng)計(jì)信息等；③通過專題圖形式展示應(yīng)急資源、風(fēng)險(xiǎn)源的分布情況，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)源快速定位、應(yīng)急資源搜索以及相關(guān)資料的查詢；④直觀展示腐蝕監(jiān)測點(diǎn)分布情況及詳細(xì)信息等；⑤借助三維工藝流程動畫，與二維工藝流程圖進(jìn)行對照查看設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，提高工作效率。

3.2 設(shè)備設(shè)施管理系統(tǒng)

設(shè)備設(shè)施管理系統(tǒng)開發(fā)了資產(chǎn)管理、工作管理、物料管理、采購管理等功能模塊，與SAP系統(tǒng)、管控一體化系統(tǒng)、二三維平臺、AD域、OA系統(tǒng)等相關(guān)系統(tǒng)集成?？蓪?shí)現(xiàn)設(shè)備三維模型查看、圖像掛接、二維碼識別、郵件提醒、騰訊消息提醒等功能；對油氣處理裝置、供水、供電設(shè)施、IT設(shè)備資產(chǎn)以及物資的全生命周期實(shí)現(xiàn)可視化管理，規(guī)范設(shè)備管理流程。

3.3 應(yīng)急決策系統(tǒng)

對風(fēng)險(xiǎn)源、應(yīng)急資源和搶維修措施進(jìn)行統(tǒng)一管理，借助二、三維一體化平臺進(jìn)行應(yīng)急輔助指揮，快速查找應(yīng)急資源開展應(yīng)急搶險(xiǎn)工作，提高應(yīng)急搶險(xiǎn)能力。

（1）對風(fēng)險(xiǎn)源、應(yīng)急資源、HSE相關(guān)數(shù)據(jù)和應(yīng)急預(yù)案的統(tǒng)一管理。

（2）針對某個(gè)或某類危險(xiǎn)源制定搶維修措施，根據(jù)危險(xiǎn)類型和等級分配不同應(yīng)急資源，在險(xiǎn)情發(fā)生后進(jìn)行應(yīng)急搶修時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)用。

（3）借助三維可視化方面的優(yōu)勢，制作了三維應(yīng)急案例，將這些案例運(yùn)用在日常培訓(xùn)中，縮減演練成本。

3.4 腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)

在三維場景中展示腐蝕監(jiān)測點(diǎn)位置及腐蝕等級，生成腐蝕統(tǒng)計(jì)報(bào)表。對管道和設(shè)備的腐蝕狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并進(jìn)行科學(xué)分析和預(yù)測，為管理者提供全面清晰的概貌，實(shí)現(xiàn)天然氣的安全經(jīng)濟(jì)開發(fā)。

（1）對油氣田內(nèi)的腐蝕監(jiān)測點(diǎn)和監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，針對監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)的錄入，提供手動錄入和批量導(dǎo)入的功能。

（2）在現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提高報(bào)表分析的功能，對腐蝕信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

（3）結(jié)合可視化功能，展示腐蝕監(jiān)測點(diǎn)的分布情況，并可以對檢測點(diǎn)進(jìn)行定位查找，對腐蝕情況進(jìn)行分析展示。

3.5 勘探開發(fā)生產(chǎn)管理系統(tǒng)

勘探開發(fā)生產(chǎn)管理系統(tǒng)集成生產(chǎn)運(yùn)行、調(diào)度指揮、輔助決策于一體，與已建的中心數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，二、三維一體化平臺建立接口[5]，匯總展示生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

（1）采氣工程信息系統(tǒng)。系統(tǒng)與中心數(shù)據(jù)庫之間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)相互調(diào)用，并提供豐富的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、工藝、措施分析等，在系統(tǒng)進(jìn)入輔助決策、分析指導(dǎo)階段前，做大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，為輔助生產(chǎn)、指導(dǎo)生產(chǎn)、降本增效提供數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

（2）產(chǎn)能建設(shè)信息系統(tǒng)。系統(tǒng)將產(chǎn)能建設(shè)方案數(shù)據(jù)分解到每個(gè)月以及平均到每天，并及時(shí)跟蹤氣藏開發(fā)過程，跟蹤各氣井的動態(tài)特征，保證氣藏開發(fā)方案的實(shí)施。

（3）生產(chǎn)運(yùn)行輔助決策系統(tǒng)。系統(tǒng)通過圖形界面，直觀地反映油氣田各個(gè)方面的業(yè)務(wù)開展情況和生產(chǎn)運(yùn)行情況，讓生產(chǎn)管理人員及時(shí)掌握公司生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，為科學(xué)決策提供依據(jù)。

3.6 管控一體化系統(tǒng)

系統(tǒng)通過OPC Server發(fā)布實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，被授權(quán)的用戶可以在辦公網(wǎng)絡(luò)中查看現(xiàn)場實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及歷史曲線圖，為其他系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

（1）通過OPC接口，從生產(chǎn)控制系統(tǒng)中獲取現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對轉(zhuǎn)存在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，以圖形化、可視化的方式展示。

（2）集成設(shè)備設(shè)施管理系統(tǒng)和二、三維一體化平臺，在流程圖上直接調(diào)用設(shè)備詳細(xì)信息和三維模型，并基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫為油氣田的其它系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

（3）對生產(chǎn)過程中的緩蝕劑加注、化驗(yàn)室工作項(xiàng)目、日常培訓(xùn)及生產(chǎn)報(bào)表進(jìn)行維護(hù)管理。

3.7 視頻監(jiān)控集成系統(tǒng)

基于二、三維一體化平臺，對廠區(qū)的工業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、視頻會議系統(tǒng)進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)快速訪問，統(tǒng)一監(jiān)控，借助視頻系統(tǒng)為氣田的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供輔助決策。

（1）辦公區(qū)監(jiān)控視頻?？蓪z像頭進(jìn)行定位、查看，監(jiān)控視頻可以全屏顯示并能操控?cái)z像頭云臺。

（2）個(gè)人視頻。個(gè)人視頻主要實(shí)現(xiàn)多人會議，管理人員可方便地邀請?jiān)诰€用戶參加視頻會議。

（3）單兵視頻。在二、三維場景中顯示單兵視頻設(shè)備所在位置，分區(qū)域展示出所有單兵設(shè)備，并可以查看單兵設(shè)備信息、邀請加入視頻會議。

3.8 運(yùn)行維護(hù)管理系統(tǒng)

作為數(shù)字化工廠系統(tǒng)的運(yùn)維平臺，系統(tǒng)提供全方位的運(yùn)行維護(hù)管理服務(wù)。

（1）為整個(gè)數(shù)字工廠提供了統(tǒng)一認(rèn)證、統(tǒng)一授權(quán)的服務(wù)。

（2）提供服務(wù)臺的功能，用戶可以將使用過程的問題反饋到運(yùn)維系統(tǒng)，運(yùn)維人員收到用戶反饋情況后進(jìn)行跟蹤處理。

（3）提供實(shí)用性的運(yùn)維工具，包括數(shù)據(jù)加密工具、翻譯工具、特殊數(shù)據(jù)處理和更新工具等。

（4）提供系統(tǒng)運(yùn)行情況的監(jiān)測工具，比如服務(wù)器內(nèi)存使用情況監(jiān)測、服務(wù)器負(fù)載監(jiān)測、數(shù)據(jù)庫連接監(jiān)測等。

4應(yīng)用效果

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的數(shù)字化工廠通過與中心數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)共享，與各業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)了油氣田二、三維一體化，地面地上一體化以及統(tǒng)一認(rèn)證、統(tǒng)一操作、統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型、統(tǒng)一維護(hù)的目標(biāo)。

（1）通過對網(wǎng)絡(luò)和硬件的升級改造，提高了通訊質(zhì)量及信息安全性。服務(wù)器虛擬化技術(shù)，節(jié)約了物理服務(wù)器和電能，大大降低維護(hù)成本。

（2）中心數(shù)據(jù)庫和各業(yè)務(wù)系統(tǒng)高度集成，達(dá)到了統(tǒng)一身份認(rèn)證、統(tǒng)一授權(quán)管理，減少數(shù)據(jù)應(yīng)用出錯(cuò)率及提高工作效率的目標(biāo)。

（3）設(shè)備裝配、工藝流程模擬及應(yīng)急演練的可視化，在原有基礎(chǔ)上大大提高了培訓(xùn)的效果和質(zhì)量，節(jié)約了培訓(xùn)開支。

（4）對設(shè)備設(shè)施腐蝕數(shù)據(jù)和危險(xiǎn)源監(jiān)控，評估腐蝕情況及危險(xiǎn)等級，可有效降低事故發(fā)生率和人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)。

（5）對生產(chǎn)作業(yè)區(qū)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場周邊環(huán)境及生產(chǎn)情況，降低了巡井成本，能保障設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]劉衛(wèi)國．現(xiàn)代化、信息化、數(shù)字化、智能化及其相互關(guān)系[J]．中國鐵路，2011，（1）：83-86．

[2]劉兵，余忠仁，楊茂．?dāng)?shù)字氣田建設(shè)總體規(guī)劃及實(shí)施[J]．天然氣與石油，2010，28（3）：10-14．

[3]施宇鋒，徐寧．?dāng)?shù)字化工廠及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)綜述[J]．可編程控制器與工廠自動化，2011（11）：37-39．

[4]杜毅，杜通林，白俊波．基于二三維GIS技術(shù)構(gòu)建數(shù)字氣田協(xié)同業(yè)務(wù)平臺[J]．天然氣與石油，2013，31（6）：1-3．

[5]任曉峰，首曉潔，吳寶祥，等．蘇里格氣田井站數(shù)字化建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化[J].油氣田地面工程，2013，32（12）：69-70.

（欄目主持 李艷秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.8.004

杜毅：高級工程師，畢業(yè)于武漢測繪學(xué)院，目前從事測量及技術(shù)管理工作。

13908077938、243170376@qq.com

2015-06-02

基金論文：PDMS軟件二次開發(fā)與數(shù)字化平臺搭建（JCF-2013-28）。