張瑞杰 王大維 張恒生

關鍵詞：油田注水系統(tǒng);數(shù)據(jù);可視化;設計

1 油田注水系統(tǒng)概述

在陸上油田的開發(fā)中，經過多年開采后，我國諸多油田已進入注水開采階段。注水系統(tǒng)作為油田生產系統(tǒng)的主要組成部分，通過對地層進行注水作業(yè)，可有效地補充地層能量，對提高原油采收率，維持油田高產、穩(wěn)產起到了重要的保障作用。油田注水系統(tǒng)是一種大型的密閉流體網絡系統(tǒng)，通常由注水站、注水管網、配水間和注水井組成。注水站的來水經其中的注水泵升壓、計量后，注入到注水管網中，并由管網送水至各配水間，在配水間通過閥門控制，達到各注水井的配注流量后注入各注水井，最后注入到地層中[1]。

2 數(shù)據(jù)可視化設計概述

數(shù)據(jù)可視化設計的目的是建立數(shù)據(jù)與用戶間信息傳遞的橋梁，采用構建數(shù)據(jù)與圖形元素間映射的方式使復雜的數(shù)據(jù)易于理解和使用[2]。目前，較常見的數(shù)據(jù)可視化設計多集中在以下幾方面：（1） 印刷在傳統(tǒng)紙質媒體或顯示在靜態(tài)網頁的靜態(tài)數(shù)據(jù)信息的圖表，在設計過程中主要進行較多的藝術和美觀方面的考量;（2） 交互式的Web 開發(fā)，多針對某一時代性具有寓意的主題來進行展示，會有大量圖形元素展示，并以動效的方式進行;（3） 商業(yè)智能方向的可視化設計，主要著眼于歷史數(shù)據(jù)的分析和展示，以輔助決策;（4） 針對具體的科研項目進行可視化開發(fā)，針對性強但開發(fā)維護成本相對較高，在生物學、醫(yī)學、地理和工程模擬等領域有非常廣泛的應用。目前，國內的大型數(shù)據(jù)可視化設計的應用在電力、交通、物流等行業(yè)中較為集中，在石油行業(yè)也有部分應用。在石油行業(yè)中應用數(shù)據(jù)可視化設計，可對生產過程中產生的大量數(shù)據(jù)進行處理，以多種方式在工程技術管理人員面前呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，從而使工作人員及時獲取信息，提高工作效率。

3 油田注水系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化設計意義

通過數(shù)據(jù)可視化的方法將不易理解的油田注水系統(tǒng)數(shù)據(jù)映射為使用者所容易觀察與理解的視覺圖像，讓系統(tǒng)使用者能從歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)的新形式展示中提高對信息的分析和感知能力，對于現(xiàn)有問題的產生原因有更深入的了解，有利于解決方案的提出，同時能預測甚至防止新問題的產生。使數(shù)據(jù)的使用者對于生產設備運轉狀況和生產信息有更全面地把握和理解。通過數(shù)據(jù)可視化設計的開發(fā)，對數(shù)據(jù)映射出的圖形元素進行顯示方式、層級、位置等規(guī)劃，使用戶可以清楚地了解系統(tǒng)的整體運行狀況和各局部節(jié)點的實時生產數(shù)據(jù)、歷史趨勢，預測接下來的生產狀況，提供現(xiàn)場生產數(shù)據(jù)的可視化讀取方案，使工作人員在短時間內無法接受的信息轉化為可接受的信息。通過可視化大幅提升數(shù)據(jù)的可讀性，使數(shù)據(jù)出呈現(xiàn)合理的信息密度。使用戶可以對數(shù)據(jù)進行高效的監(jiān)控與分析，為注水系統(tǒng)工作者的管理和決策提供依據(jù)。

4 油田注水系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化設計思路

4.1 著重降低信息密度的可視化設計

油田注水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化特點體現(xiàn)在節(jié)點類型多、管線結構模擬復雜、數(shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)量極大等方面，如果對生成的可視化對象進行傳統(tǒng)的圖表羅列式展現(xiàn)，會使信息密度過大，導致可視化設計使用不友好，從而降低生產管理效率。因此，在進行油田注水系統(tǒng)的多類型數(shù)據(jù)可視化設計時，在構建數(shù)據(jù)至圖形元素映射的過程中需要著重進行信息密度的降低，以提升數(shù)據(jù)可讀性。

4.2 加入注意力引導的可視化設計

目前普遍認為，在人類的信息認知過程中，人不具有同時認知所有信息的能力，僅有選擇性地注意所有信息中的一部分，認知系統(tǒng)通過限制進入的信息量來避免超負荷。這種選擇性注意被歸結為通道容量（Channel Capacity）的不足，即人類沒有能力同時處理所有感覺到的信息，注意是一個容量有限的信息處理系統(tǒng)的必然結果。由于注水系統(tǒng)工作人員需要長時間使用數(shù)據(jù)可視化程序，產生的工作疲勞導致工作人員注意力不易集中，通道容量逐漸下降，單位時間內可認知到的信息量隨工作時長增加而逐漸減少。同時可視化程序生成的可交互圖形元素數(shù)量大，位置相對密集，部分圖形元素具有強時效性，這些情況使用戶產生了關注重要節(jié)點數(shù)據(jù)，忽略無效信息的迫切需求。因此，需要在交互界面設計上對用戶進行注意力引導，以使用戶的有限注意力資源可高效應用于需要進行認知的可視化圖形，避免多個形式類似的圖形元素彼此之間構成“噪聲”干擾，影響用戶的認知效率。在注意力引導的過程中，可以利用“彈窗效應”，通過與界面其他位置不同的動效或音效的提示迅速將用戶的注視點轉移至關鍵區(qū)域，如重點提示區(qū)域、數(shù)據(jù)異常變動區(qū)域或報警區(qū)域，使相應可視化區(qū)域的展現(xiàn)形式以相對大幅度的動效產生變化。但因油田注水系統(tǒng)可視化程序具有多節(jié)點、大數(shù)據(jù)特性，過多的動效和音效頻繁出現(xiàn)會對用戶的使用造成干擾，故在對用戶的注意力進行引導時需要對動效和音效的使用進行一定程度上的節(jié)制[3]。

在對界面布局進行設計時，同樣應當充分考慮用戶的注意力分布，Staufer 認為人的視覺注意在屏幕上分布并不均勻。在屏幕左上角的注意力約占40%，而在右下角的注意力最低[4]。依此按照重要性的不同，對各個不同可視化組件的布局進行設計具有一定實踐意義，以期達到突出重點，使用戶的注意力集中在更重要的可視化圖形元素上。

5 油田注水系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化設計的技術支撐

5.1 技術架構與技術棧

在油田注水系統(tǒng)數(shù)字化過程中出現(xiàn)的信息密度過大問題，也出現(xiàn)在電網、氣象監(jiān)測、物流等數(shù)據(jù)監(jiān)測量大的行業(yè)中。各行業(yè)在早期多使用C / S 架構進行可視化開發(fā)，但隨著移動互聯(lián)網發(fā)展和相關技術的進步，在可視化開發(fā)中占有優(yōu)勢的B / S 架構逐漸進入可視化開發(fā)人員的視野中。其中，如html5 與JavaScript 等技術混用的方案發(fā)展日趨成熟，在各行業(yè)中被廣泛應用，但該技術棧在油田注水系統(tǒng)可視化開發(fā)中還鮮有應用。基于相關技術棧開發(fā)的軟件具有跨平臺優(yōu)勢，體現(xiàn)在無需下載客戶端占據(jù)內存，只需準備好瀏覽器并連入網絡即可使用，這簡化了用戶操作流程，優(yōu)化了用戶體驗。開發(fā)一個版本，即可在不同平臺使用，取消了針對不同平臺兼容性的重復性開發(fā)，從而能大幅度降低開發(fā)支出和運維成本，基于B / S 架構的開發(fā)模式也使數(shù)據(jù)傳輸共享的效率獲得了提高。同時，該技術棧的跨平臺特性也兼容了對移動端的支持。在不專門進行移動端開發(fā)的情況下，即允許用戶在移動設備上隨時隨地對油田注水系統(tǒng)可視化軟件進行使用。這一具有創(chuàng)新性的技術應用拓寬了工作人員的工作活動范圍，解決了現(xiàn)場工作人員在操作可視化軟件時的諸多限制（如工作地點被限制在特定臺式機旁），為注水系統(tǒng)現(xiàn)場的工作管理賦予了提效空間。

5.2 無刷新技術

注水管網的拓撲結構設計是油田注水系統(tǒng)可視化設計的重要內容，普通規(guī)模的油田注水系統(tǒng)具有數(shù)千個節(jié)點和數(shù)千段管線。用戶在此類具有較多交互單元的拓撲結構頁面中進行單元素交互時，不希望頁面中其他已加載完成的部分發(fā)生變化或重新加載。因此為滿足開發(fā)需求，需要實現(xiàn)頁面刷新數(shù)據(jù)。目前，解決此類問題的常用方案是使用Ajax 技術，在不刷新頁面的情況下，向服務器端發(fā)送請求，和服務器端進行交互，從而更改客戶端頁面中的數(shù)據(jù)或狀態(tài)，來響應用戶與此類交互單元的頻繁交互行為，進行高效的可視化展示。目前，諸多油氣企業(yè)的數(shù)字化推進面臨原有平臺與新開發(fā)平臺不兼容問題，較為常見的解決方式是將原有平臺內容遷移至新開發(fā)平臺，使原有平臺內容作為新平臺的子模塊，這種操作方式將會面臨較大的開發(fā)成本問題，進而會降低部分企業(yè)推動可視化開發(fā)的積極性。這種情況下，如果利用WebBrowser 等新式控件，允許用戶在窗體中使用導航Web 頁面，將新開發(fā)內容以插件形式集成于現(xiàn)有軟件中，使開發(fā)成本有限的企業(yè)具備低成本實現(xiàn)數(shù)字化的管理能力。

5.3 可視化庫

隨著近年來html5 等技術的迅速發(fā)展，大量適用于可視化設計開發(fā)的相關框架和可視化庫層出不窮，這使得可視化開發(fā)成本大幅降低，為合理成本下的高質量可視化設計提供了空間。其中國內百度團隊開發(fā)的Echarts、阿里團隊開發(fā)的AntV 系列都是其中著名的技術產品。在油田注水系統(tǒng)可視化設計開發(fā)中可以利用此類可視化庫更好地滿足用戶需求，油田注水系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化設計在實現(xiàn)數(shù)據(jù)展示功能的同時，能夠兼顧用戶的交互體驗、情感、認知規(guī)律、視覺偏好和操作習慣[5]。

6 結語

針對新時期油田注水系統(tǒng)所面臨的數(shù)據(jù)問題，對油田注水系統(tǒng)進行的可視化研究會提供切實可行的創(chuàng)新解決方案，使生產作業(yè)的反饋過程以數(shù)字化方式完成，消除數(shù)據(jù)傳遞過程中的人力浪費，讓管理人員更好地理解和使用數(shù)據(jù)，從大量原來沒有被利用起來的數(shù)據(jù)中感知到有用信息，做出高效且有依據(jù)的決策判斷，使企業(yè)效率提高、管理更為順暢、生產質量更有保障。結合設計考量和技術創(chuàng)新應用的研究對降低用戶疲勞感、提高用戶數(shù)據(jù)使用效率、增加用戶使用舒適度均有積極作用，對油田注水領域數(shù)字化建設具有較好的實踐意義。