雷金晶

中原油田普光分公司,　四川　達州　635000

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三維可視化技術(shù)在普光氣田的研究與應(yīng)用

雷金晶

中原油田普光分公司,四川達州635000

摘要：為實現(xiàn)氣田生產(chǎn)管理可視化,需將三維可視化技術(shù)與氣田開發(fā)、集輸、凈化、設(shè)備、安全、經(jīng)營等業(yè)務(wù)深度結(jié)合。本項目開發(fā)了基于三維地理信息、三維精細(xì)建模、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成、應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)與集成為一體的氣田三維可視化平臺,通過海量高精度三維模型預(yù)加載、分級動態(tài)加載技術(shù),構(gòu)建氣田管網(wǎng)和集氣站三維可視化場景；對各專業(yè)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行集成應(yīng)用,實現(xiàn)了氣田基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)調(diào)用，監(jiān)控視頻集成調(diào)用，井筒三維可視化，生產(chǎn)SCADA監(jiān)測數(shù)據(jù)在三維場景的實時展示，設(shè)備定位拆分等功能,使普光氣田的生產(chǎn)管理、應(yīng)急救援工作高效便捷化。

關(guān)鍵詞：普光氣田；三維可視化平臺；多源異構(gòu)數(shù)據(jù)；生產(chǎn)管理；應(yīng)急救援

0前言

普光氣田是我國目前發(fā)現(xiàn)的規(guī)模最大的海相整裝氣田,具有氣藏壓力高、埋藏深、高含硫、高含二氧化碳等特點,且地處復(fù)雜山地、人口密集、多雨潮濕、易腐蝕、易發(fā)地質(zhì)災(zāi)害,其開發(fā)生產(chǎn)一直是公認(rèn)的世界級難題。隨氣田開發(fā)生產(chǎn)的逐步深入,壓力下降、邊水推進、腐蝕加劇、設(shè)備老化、應(yīng)急救援難度大等不利于安全生產(chǎn)的因素逐漸增多,為實現(xiàn)生產(chǎn)精細(xì)化管理和氣田降本增效,用信息化手段提高綜合分析和輔助決策能力,2013年普光氣田啟動“智能氣田”建設(shè),其中一項重要內(nèi)容是將二/三維地理信息與氣田集輸管網(wǎng)/井站三維精細(xì)建模相結(jié)合,通過業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合,配合虛擬現(xiàn)實技術(shù),實現(xiàn)氣田生產(chǎn)管理可視化,并為應(yīng)急救援指揮提供有效的可視化支撐。

1研究內(nèi)容

1.1基于地理信息的三維可視化平臺

1.1.1平臺架構(gòu)

基于地理信息的三維可視化平臺由數(shù)據(jù)層、核心引擎、三維地理信息可視化場景、應(yīng)用層等部分組成。其中數(shù)據(jù)層包括構(gòu)建整個可視化場景模型數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)三類[1]。平臺的核心引擎由三維地理信息引擎、三維可視化引擎、數(shù)據(jù)集成引擎構(gòu)成。在核心引擎基礎(chǔ)之上進行三維地理信息可視化場景的構(gòu)建,最終為應(yīng)用層提供展示和接口支撐。

1.1.2三維地理信息引擎技術(shù)

該平臺三維地理信息引擎中所有的地理信息數(shù)據(jù)都需要進行高層信息的渲染,在渲染過程中需要結(jié)合高層數(shù)據(jù)進行動態(tài)計算,通過計算得出所有地理信息要素所在的三維坐標(biāo)信息,從而與地面實現(xiàn)無縫貼合[2]。同樣三維地理信息還需要具備空間數(shù)據(jù)處理功能,如地圖數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)組織、數(shù)據(jù)操縱、數(shù)據(jù)分析[3]等,根據(jù)這些要求設(shè)計并研發(fā)了三維地理信息功能。

1.1.3三維可視化引擎技術(shù)

三維可視化引擎是整個平臺的核心,通過多次技術(shù)分析選型,最終確定以O(shè)penGL技術(shù)架構(gòu)為基礎(chǔ),對高性能的三維圖像渲染、節(jié)點組織、地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、場景漫游、骨骼動畫、空間音效等進行深入研究,研發(fā)了包括數(shù)字地球模塊、三維地形模塊、三維場景模塊、操作模式模塊的三維可視化平臺[4]。

普光氣田三維地形數(shù)據(jù)量龐大(現(xiàn)有普光氣田1 100 km2范圍的航空遙感影像,分辨率為0.2～0.4 m),為了實現(xiàn)基于網(wǎng)絡(luò)的海量空間數(shù)據(jù)展示,平臺采用了空間四叉分割技術(shù)對三維地形數(shù)據(jù)進行處理[5]。創(chuàng)建金字塔瓦片結(jié)構(gòu),瓦片文件內(nèi)建立空間索引信息,使平臺能夠根據(jù)當(dāng)前視角高度及視野范圍動態(tài)下載和加載合適的瓦片文件進行地形的渲染。由于地形影像數(shù)據(jù)占用的存儲空間較大,平臺使用DXTC紋理壓縮技術(shù)對瓦片中的影像數(shù)據(jù)進行壓縮,以節(jié)省傳輸帶寬和存儲空間[6]。該技術(shù)的應(yīng)用解決了大場景影像數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的優(yōu)化顯示問題,同時,平臺采用優(yōu)化多層次細(xì)節(jié)(LOD Levels of Detail)技術(shù),優(yōu)化精細(xì)模型加載算法,基于視錐體揀選技術(shù)實現(xiàn)集氣站與管網(wǎng)海量高精度三維模型預(yù)加載、分級動態(tài)加載,顯著提高顯示速度和流暢性[7]。

1.1.4三維可視化web應(yīng)用技術(shù)

為了降低運維成本和復(fù)雜度,減少用戶端的配置安裝,三維可視化應(yīng)用采用基于瀏覽器的B/S訪問模式,利用ActiveX技術(shù)研發(fā)三維可視化網(wǎng)絡(luò)訪問插件。

1.1.5平臺優(yōu)勢

該平臺具備所見即所得的場景編輯,高效的三維場景加載,流暢的網(wǎng)絡(luò)訪問,豐富的二次開發(fā)接口等。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn),在同類產(chǎn)品(unity 3 d、VRmap、converse 3D、citymaker、virtools、EV-Globe等)中存在較大優(yōu)勢,平臺性能對比見表1。

表1平臺性能對比

對比內(nèi)容三維可視化平臺性能和指標(biāo)國內(nèi)外GIS平臺性能和指標(biāo)模型加載限制不受大小控制,僅與機器配置有關(guān)。大部分GIS平臺受模型量大小控制(≤50M),超過會導(dǎo)致加載失敗、系統(tǒng)崩潰等模型調(diào)整靈活性模型既可以在3Dmax里設(shè)置坐標(biāo),也可以在平臺里手動修改坐標(biāo)位置整個場景的位置必須得在3DMax導(dǎo)出之前,設(shè)置好坐標(biāo)位置。發(fā)布方式BS、CS均可,支持web瀏覽器訪問,且技術(shù)成熟,運行穩(wěn)定。大部分僅支持CS端訪問,少部分支持web訪問,穩(wěn)定性較差工具插件提供豐富的空間數(shù)據(jù)測量工具。針對空間數(shù)據(jù)的測量工具較少接口基礎(chǔ)地理和三維模型以服務(wù)形式提供,方便二次開發(fā)。沒有二次開發(fā)接口或接口很少加載速度模型數(shù)量10000(500萬面數(shù)以上)的場區(qū)模型加載時間≤15s,web加載除去網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊蛩啬Ｐ偷募虞d時間≤15s模型數(shù)量10000(500萬面數(shù)以上)的場區(qū)模型加載時間在15～65s之間;web加載除去網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊蛩啬Ｐ偷募虞d時間≥30s渲染速度單幀渲染最大三角形數(shù)量≥300萬,視野范圍內(nèi)模型數(shù)量≥10000個時,渲染速度≥20FPS視野范圍內(nèi)模型數(shù)量≥10000個時,渲染速度≥350FPS響應(yīng)速度平臺在三維畫面相機平移、旋轉(zhuǎn)的響應(yīng)時間≤30ms,任意物件點選的響應(yīng)時間≤100ms平臺在三維畫面相機平移、旋轉(zhuǎn)的響應(yīng)時間100～3000ms,任意物件點選的響應(yīng)時間100～1500ms并發(fā)用戶量500200

1.2構(gòu)建普光氣田三維可視場景

1.2.1構(gòu)建三維數(shù)字地球

包括星空、地球、地球大氣層、多種樣式的太陽光暈、水域等,并通過DEM、DOM、DLG數(shù)據(jù)構(gòu)建大范圍三維彩色地景,顯示真實的地形地貌,并融合交通道路、河流、植被、居民地等矢量線劃信息[8]。

1.2.2構(gòu)建氣田三維可視化場景

三維場景建設(shè)范圍主要包括所有集氣站、污水站、閥室、集輸管網(wǎng)及其它相關(guān)附屬設(shè)備設(shè)施,以1∶1的比例建立三維仿真模型[9],附屬場景建設(shè)包括地表、建筑、綠化帶。直觀、逼真地展示氣田生產(chǎn)現(xiàn)場的三維場景,并能夠按照巡檢路線或者指定路線進行場景漫游。三維場景圖見圖1。

圖1　普光氣田三維場景圖

1.3集成基于模型的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)

氣田包括的數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,包括GIS空間數(shù)據(jù)、3D模型數(shù)據(jù)、工控實時數(shù)據(jù)、視頻流媒體數(shù)據(jù)、關(guān)系型結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、成果文檔數(shù)據(jù)、專業(yè)儀器或軟件產(chǎn)生的二進制數(shù)據(jù)體等。針對這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的特點,開展了異構(gòu)數(shù)據(jù)集成方法研究[10],使集成的數(shù)據(jù)資源實現(xiàn)完全透明的訪問,保證全局?jǐn)?shù)據(jù)共享,異構(gòu)數(shù)據(jù)互連互通。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),并對這兩種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)進行集成研究[11-13]。

1.3.1結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)

通過開發(fā)相應(yīng)專用工具負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與共享交互。數(shù)據(jù)共享交互遵循標(biāo)準(zhǔn)的、面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)的方式和部分行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(如OPC標(biāo)準(zhǔn)),基于企業(yè)服務(wù)總線ESB技術(shù),為跨地域、跨部門、跨平臺不同應(yīng)用系統(tǒng)、不同數(shù)據(jù)庫之間的互連互通提供包含提取、轉(zhuǎn)換、傳輸和加密等操作的數(shù)據(jù)交換服務(wù),實現(xiàn)擴展性良好的“松耦合”結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和數(shù)據(jù)集成。

1.3.2非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)

由于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)種類繁多,結(jié)構(gòu)差異大(如自控實時數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、測井?dāng)?shù)據(jù)體、流媒體數(shù)據(jù)),數(shù)據(jù)量大,因此,針對不同類型的數(shù)據(jù),采用不同的處理策略[14]。

首先,對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過文本特征、位置特征以及顯示特征對中間XML文檔進行基于XSLT規(guī)則的信息抽取,實現(xiàn)對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的精確管理。

其次,對于特殊的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),如影音文件,運用kmeans、希爾排序、快速排序算法,解決影音文件數(shù)據(jù)量大的問題；運用MPEG系列對影音進行編解碼,解決影音質(zhì)量的問題；在保證影音質(zhì)量的前提下,運用H.264協(xié)議對影音進行壓縮,解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。

2應(yīng)用展示

2.1基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)應(yīng)用展示

平臺可準(zhǔn)確展示氣田集氣站、閥室、管線、隧道、特種設(shè)備、井站周邊居民分布點、水源點、醫(yī)院、消防、H2S泄漏監(jiān)測點、應(yīng)急廣播點、搶險物資等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù),基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)展示見圖2。并將矢量數(shù)據(jù)發(fā)布到專有的空間數(shù)據(jù)服務(wù)Geo Server,對外提供標(biāo)準(zhǔn)WFS服務(wù)[15]。

圖2　基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)展示

2.2生產(chǎn)視頻監(jiān)控集成應(yīng)用展示

通過梳理氣田所有攝像頭數(shù)據(jù),對攝像頭建立三維模型,并將視頻設(shè)備參數(shù)和設(shè)備模型綁定,當(dāng)用戶需查看某個區(qū)域的監(jiān)控畫面時,可以在三維場景中快速找到對應(yīng)的攝像頭,也可以通過視頻監(jiān)控點樹狀結(jié)構(gòu)選取某一監(jiān)控點查看視頻監(jiān)控內(nèi)容[16],通過視頻監(jiān)控集成系統(tǒng)集成所有的視頻監(jiān)控源頭,統(tǒng)一向其他應(yīng)用系統(tǒng)提供基于URL的網(wǎng)絡(luò)視頻調(diào)用服務(wù)。

2.3開發(fā)集成應(yīng)用展示

2.3.1井筒三維可視化

利用井斜數(shù)據(jù)、井徑數(shù)據(jù)、套管數(shù)據(jù)、井下工具數(shù)據(jù),通過三維建模生成井筒的空間三維模型,完成井筒軌跡、井身結(jié)構(gòu)、管柱結(jié)構(gòu)的可視化展現(xiàn)[17]。模型包括各層套管和井下各種工具。

2.3.2單井靜態(tài)數(shù)據(jù)集成展示

以普光氣田綜合數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源,平臺可以便捷地查詢單井的鉆、測、錄、試井和取心、作業(yè)、施工投產(chǎn)數(shù)據(jù)[18],并通過分析鉆井、測井、錄井、試氣等成果資料和相關(guān)原始數(shù)據(jù)體,研究相關(guān)數(shù)據(jù)成圖/成像技術(shù),在三維井筒模型上設(shè)計開發(fā)了測井解釋成果圖、固井質(zhì)量圖、綜合錄井圖、成像解釋成果圖、巖心綜合圖、井身結(jié)構(gòu)圖、井身軌跡圖等圖形展示軟件模塊,用于輔助方案設(shè)計和生產(chǎn)動態(tài)分析[19]。

2.4生產(chǎn)動態(tài)集成應(yīng)用展示

2.4.1氣田生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時展示

通過組態(tài)軟件,獲取SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)實時運行數(shù)據(jù),對外按照標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)議提供數(shù)據(jù)服務(wù),工業(yè)隔離網(wǎng)關(guān)采用專有網(wǎng)絡(luò)隔離技術(shù),可阻斷任何網(wǎng)絡(luò)形式的連接,實現(xiàn)單項通訊保證控制網(wǎng)的安全生產(chǎn),同時使用內(nèi)嵌的工業(yè)通訊軟件,接收生產(chǎn)控制網(wǎng)發(fā)布的生產(chǎn)數(shù)據(jù),并對外二次發(fā)布[20]。歷史數(shù)據(jù)庫也依據(jù)內(nèi)嵌的工業(yè)通訊軟件連接網(wǎng)關(guān)發(fā)布的數(shù)據(jù)服務(wù),最終實現(xiàn)生產(chǎn)控制網(wǎng)中實時數(shù)據(jù)的安全獲取,工藝流程總圖見圖3。并通過Web Service方式對實時及歷史數(shù)據(jù)進行發(fā)布,供辦公網(wǎng)絡(luò)中的各業(yè)務(wù)系統(tǒng)使用。

圖3　D 402站工藝流程總圖

2.4.2生產(chǎn)動態(tài)數(shù)據(jù)集成應(yīng)用

生產(chǎn)動態(tài)分為生產(chǎn)報表和生產(chǎn)報警兩部分。其中,生產(chǎn)報表以曲線和列表等方式展示生產(chǎn)數(shù)據(jù)；生產(chǎn)報警通過設(shè)定限值,對生產(chǎn)參數(shù)進行連續(xù)追溯,當(dāng)超過設(shè)定限制時,系統(tǒng)進行報警提示,有效監(jiān)控氣田生產(chǎn)動態(tài)。

2.5設(shè)備集成應(yīng)用管理

通過集成設(shè)備基礎(chǔ)參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、檢維修記錄等數(shù)據(jù),實現(xiàn)了基于設(shè)備三維模型上的查詢、定位、監(jiān)控功能；并對設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造的高精度渲染,可在PC端上真實展現(xiàn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和拆裝過程,便于生產(chǎn)培訓(xùn)和設(shè)備檢維修指導(dǎo)，設(shè)備實時運行信息展示見圖4。

圖4　設(shè)備實時運行信息展示

3結(jié)論與認(rèn)識

1)建立健全了普光氣田三維地理信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù),可快速查詢道路橋梁、井站居民分布、管道基礎(chǔ)信息,為應(yīng)急指揮管理提供信息保障。

2)開發(fā)了基于地理信息系統(tǒng)的三維可視化平臺,集成多源異構(gòu)數(shù)據(jù),實現(xiàn)了氣田生產(chǎn)、安全、設(shè)備、開發(fā)、經(jīng)營等業(yè)務(wù)統(tǒng)一查詢、調(diào)用數(shù)據(jù)、預(yù)警報警、視頻聯(lián)動等功能,使氣田生產(chǎn)經(jīng)營達到可視化管理水平,提高工作效率。

3)該項目中三維可視化平臺、基礎(chǔ)地理信息和氣田三維模型均以服務(wù)形式提供,適用于任何需要GIS平臺和站場三維仿真的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)調(diào)用,節(jié)約重復(fù)開發(fā)成本,提高開發(fā)周期。

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收稿日期：2015-12-08

作者簡介：雷金晶(1988-)，女,湖北仙桃人，工程師，學(xué)士，主要從事天然氣開發(fā)和信息技術(shù)工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.017