陳 勇 ，孫文磊，譚遠(yuǎn)華，鄭 雄

CHEN Yong1 , SUN Wen-lei1 , TAN Yuan-hua2, ZHENG Xiong3

（1.新疆大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047；2.紅有軟件有限責(zé)任公司，克拉瑪依 834000；3.西部鉆探 克拉瑪依市井下作業(yè)公司，克拉瑪依 834000）

0 引言

石油作為國家的重要能源供應(yīng)，在國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起著無可替代的作用，隨著社會的發(fā)展和科技的進(jìn)步，對油田的建設(shè)、開采和管理提出了更高的要求。傳統(tǒng)的油田發(fā)展模式已經(jīng)越來越難以適應(yīng)現(xiàn)代社會和市場的要求，而要解決這一矛盾，加快構(gòu)建智慧油田顯然是一個不錯的選擇，智慧油田是數(shù)字油田的高級形式，數(shù)字油田主要是建立在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，主要是數(shù)據(jù)的采集；而智慧油田是建立在物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等眾多的先進(jìn)信息化技術(shù)基礎(chǔ)上的，甚至包括未來的新技術(shù)、新理念，智慧油田更多注重的是對數(shù)據(jù)的智慧處理，并以此為管理層和決策層提供及時準(zhǔn)確的決策依據(jù)。目前，國內(nèi)外的石油行業(yè)在構(gòu)建智慧油田的進(jìn)程中已有著長足的進(jìn)步，挪威國家石油公司與IBM合作建立的智慧油田項(xiàng)目使得其采收率大大提高，國內(nèi)的華北油田、新疆油田等油田在構(gòu)建數(shù)字油田的基礎(chǔ)上，也提出了構(gòu)建智慧油田的目標(biāo)。依托克拉瑪依智慧城市和新疆油田的智慧化建設(shè)，紅有軟件公司為智慧城市和智慧油田的建設(shè)提供整體的解決方案，承擔(dān)、完成了數(shù)字新疆油田建設(shè)，開發(fā)了100多套系統(tǒng)，經(jīng)過長期油田業(yè)務(wù)積累，具備了數(shù)字油田整體解決方案的能力。智慧油田通過云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、現(xiàn)代通訊、虛擬化等新技術(shù)的應(yīng)用，具有對油田的全方位感知能力，實(shí)現(xiàn)了油田的智能巡檢、自動感知、多種數(shù)據(jù)融合的功能，構(gòu)建綠色數(shù)據(jù)中心基本框架，建設(shè)和應(yīng)用實(shí)時生產(chǎn)監(jiān)控及操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)井場數(shù)據(jù)的自動化采集和傳輸，提高數(shù)據(jù)自動化采集率和對生產(chǎn)動態(tài)分析和優(yōu)化功能；并與油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)對油氣開采的生產(chǎn)運(yùn)行管理以及設(shè)備的綜合管理。

在克拉瑪依市構(gòu)建智慧城市和智慧油田的大環(huán)境下，運(yùn)用現(xiàn)代的科技手段來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工勞動已成為必然趨勢。在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，通過不同類型的傳感器實(shí)時采集每臺抽油機(jī)工作的關(guān)鍵參數(shù)并傳輸保存在數(shù)據(jù)庫中，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和現(xiàn)代通訊技術(shù)，把分布在各地的不同型號抽油機(jī)的相關(guān)信息全部整合在一個軟件中，通過與數(shù)據(jù)庫（儲存抽油機(jī)的工作參數(shù)信息）相連，可精確查詢每一臺抽油機(jī)的實(shí)時工作情況和其他相關(guān)信息，并通過三維可視化技術(shù)直觀呈現(xiàn)，方便管理人員對所有抽油機(jī)的情況進(jìn)行查詢了解，對管理決策提供一定的參考價值。本文以智慧油田的構(gòu)建為背景，在物聯(lián)網(wǎng)和虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)的基礎(chǔ)上，選取一種抽油機(jī)上的傳感器——井口壓力傳感器，以此為例來闡述抽油機(jī)裝備工況采集與可視化的整個系統(tǒng)構(gòu)成，為智慧油田的構(gòu)建提供了一定的參考價值。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)抽油機(jī)裝備工況采集

智慧油田的構(gòu)建是由多個層級組成的，其中非常重要的一個就是感知層，近年來包括物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、新一代互聯(lián)網(wǎng)在內(nèi)的現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，為智慧油田的建設(shè)提供了可靠的技術(shù)支撐，高速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)代通訊技術(shù)使得感知層的構(gòu)建快速而有效。就物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧油田構(gòu)建中的運(yùn)用而言，所涉及的關(guān)鍵技術(shù)有：通訊技術(shù)和傳感器技術(shù)。而這兩個關(guān)鍵技術(shù)中又有其各自需要解決的問題：

1.1 現(xiàn)代通訊技術(shù)

通過傳感器采集的抽油機(jī)裝備工況信息，最終需傳輸?shù)奖O(jiān)控終端保存?？紤]到抽油機(jī)裝備的數(shù)量眾多，傳感器所采集的數(shù)據(jù)也將是海量的，如何將數(shù)量眾多的信息安全、準(zhǔn)確的傳輸?shù)奖O(jiān)控終端是現(xiàn)代通訊技術(shù)需要解決的問題。

目前運(yùn)用的主要有有線傳輸和無線傳輸兩種方法。有線傳輸具有的特點(diǎn)是：傳輸穩(wěn)定、可承載的數(shù)據(jù)流量巨大，但因抽油機(jī)的分布范圍廣泛，采用有線傳輸將需要鋪設(shè)大量的傳輸線路，耗費(fèi)巨大的人力物力財(cái)力，將大大增加智慧油田的購建成本。無線傳輸具有的優(yōu)點(diǎn)是：綜合成本低、組網(wǎng)靈活、可擴(kuò)展性好，考慮油田抽油機(jī)裝備的現(xiàn)實(shí)分布情況，無線傳輸更適合于智慧油田的構(gòu)建，但無線傳輸也有其不足之處，因無線傳輸本身的非定向性，數(shù)據(jù)的傳播的是開放的，因此如何做好數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院捅Ｃ苄詫⑹切畔魉椭斜仨氁紤]的問題；也因無線傳輸?shù)拈_放性，數(shù)據(jù)的傳輸過程容易受到環(huán)境干擾，所以如何保證無線傳輸?shù)目垢蓴_能力將決定著整個物聯(lián)網(wǎng)感知結(jié)果的穩(wěn)定性和可靠性。

1.2 傳感器技術(shù)

利用傳感器所采集的抽油機(jī)信息必須是管理人員最關(guān)心的信息，對整個抽油機(jī)裝備實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)端監(jiān)控和智能感知全覆蓋，需采用數(shù)量眾多且種類不同的傳感器，因此如何更穩(wěn)定、更經(jīng)濟(jì)、更準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)傳感器信息的采集和處理將面臨以下四方面的問題：

1）不同類型的傳感器所采集的數(shù)據(jù)格式不同，如何對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一整合將是構(gòu)建智慧油田必須解決問題之一。

2）每一種傳感器在數(shù)據(jù)的采集過程中由于不同的原因都會產(chǎn)生一定的誤差，因此需要控制傳感器的數(shù)據(jù)采集誤差，通過合理的求解算法，盡可能的提高數(shù)據(jù)采集精度，使其保持在誤差允許的范圍。

3）因抽油機(jī)的裝備數(shù)量眾多，構(gòu)建智慧油田所需安裝的各種類型的傳感器數(shù)量也將是巨大的，且抽油機(jī)的分布范圍廣，供電極為不便，因此如何降低 傳感器等其他設(shè)備的功耗將對構(gòu)建智慧油田的成本控制產(chǎn)生重大影響。

4）因油田環(huán)境的特殊性，所安裝的傳感器需有抗干擾、抗油、抗水、抗腐蝕等特點(diǎn)，保證傳感器工作的穩(wěn)定性。

傳感器的種類雖然不同，但構(gòu)成參數(shù)采集、處理、傳送的工作模塊基本相同。本文以抽油機(jī)井口壓力傳感器為例，闡述抽油機(jī)裝備信息采集系統(tǒng)的信息提取過程，抽油機(jī)井口壓力傳感器工作模塊的構(gòu)成及工作流程如圖1所示。

圖1 井口壓力傳感器模塊及工作流程

2 基于VRP的抽油機(jī)裝備三維可視化

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將復(fù)雜和抽象的數(shù)據(jù)以非量化的、直觀的形式呈現(xiàn)給用戶，使用戶以最自然的方式實(shí)現(xiàn)與作業(yè)對象的交互技術(shù)?？梢暬╒isualization）是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一，是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)。它涉及到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多個領(lǐng)域，成為研究數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)處理、決策分析等一系列問題的綜合技術(shù)，它以人們慣于接受的表格、圖形、圖像等方法并輔以信息處理技術(shù)將客觀事物及其內(nèi)在的聯(lián)系進(jìn)行表現(xiàn)，其結(jié)果便于人們記憶和理解?？梢暬瘜τ谛畔⒌奶幚砗捅磉_(dá)方式有其他方式無法取代的優(yōu)勢，其特點(diǎn)可總結(jié)為可視性、交互性和多維性。

本文運(yùn)用數(shù)字化建模技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，借助VRP和3ds Max等軟件，在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)之上，構(gòu)建抽油機(jī)裝備工況交互式三維可視化環(huán)境模型，為智慧油田的構(gòu)建提供借鑒。其系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的路線圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的路線圖設(shè)計(jì)

3 抽油機(jī)裝備工況采集與可視化實(shí)現(xiàn)

3.1 信息采集模塊設(shè)計(jì)

因油氣資源的分布范圍廣泛，且多在人煙稀少的野外，導(dǎo)致了抽油機(jī)井的分布范圍廣泛，甚至在戈壁、沙漠之中，給抽油機(jī)的尋井工作帶來諸多不便。在構(gòu)建智慧油田的大環(huán)境下，在數(shù)字油田的建設(shè)基礎(chǔ)上，運(yùn)用先進(jìn)的傳感器技術(shù)、無線通訊、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，對分布在不同地區(qū)的抽油機(jī)工況進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測，信息自動采集，通過無線通訊技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控站并保存，在監(jiān)控終端運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)把采集的抽油機(jī)參數(shù)實(shí)時立體顯示在監(jiān)控平臺上，極大的提高了對分布范圍廣泛的抽油機(jī)井的監(jiān)控效率，方便了油田的管理工作。

對一臺抽油機(jī)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控需采集抽油機(jī)的電參數(shù)，井口壓力，抽油機(jī)的光桿功率隨位移變化的曲線，一個沖程周期內(nèi)抽油機(jī)的有功功率曲線、電流曲線，抽油機(jī)的平衡率，抽油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)。針對不同的參數(shù)及不同的工作環(huán)境需采用不同類型及型號的傳感器，選擇傳感器時，為保證數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確可靠，需考慮抽油機(jī)獨(dú)特的工作環(huán)境，產(chǎn)品須具有抗腐蝕、防油、防水等性能，還需考慮傳感器采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、精確性、抗干擾性等性能。

3.2 工況可視化設(shè)計(jì)

通過不同類型和型號的傳感器，將抽油機(jī)的關(guān)鍵工作參數(shù)采集并通過無線傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，保存在監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)庫中。運(yùn)用3ds Max軟件對抽油機(jī)的工作環(huán)境進(jìn)行建模，并通過接口軟件導(dǎo)入到VRP中，制作抽油機(jī)裝備工況交互式三維可視化環(huán)境模型，并將其和采集的抽油機(jī)裝備信息數(shù)據(jù)庫連接，便于查詢每一臺抽油機(jī)的實(shí)時工作信息。

3ds Max是一款專業(yè)的三維動畫渲染和制作軟件，可構(gòu)建出非常精美的三維場景模型。但過于精美的畫質(zhì)往往會導(dǎo)致所構(gòu)建的三維模型面片數(shù)過高，將占用大量的計(jì)算機(jī)資源，從而嚴(yán)重影響后期的虛擬場景的運(yùn)行速度，更嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致虛擬場景無法運(yùn)行。因此，在保證模型美觀性前提下，應(yīng)盡可能的精簡模型的面片數(shù)。模型場景的整體面片數(shù)越少，占用系統(tǒng)資源越少，整個系統(tǒng)的運(yùn)行速度也越快，場景的運(yùn)行也更流暢。

對抽油機(jī)的模型進(jìn)行優(yōu)化前后的模型面片數(shù)如圖3所示。

圖3 抽油機(jī)模型面數(shù)和頂點(diǎn)數(shù)優(yōu)化前后對比

通過圖3可以看出，在對模型進(jìn)行精簡優(yōu)化后，抽油機(jī)模型的面片數(shù)和頂點(diǎn)數(shù)大幅降低，但模型的美觀性和完整性并沒有受影響。越少的模型個數(shù)和面片數(shù)占用系統(tǒng)的資源越少，場景的加載速度也越快，流暢性也越高。

在3ds Max中制作好的場景將最終場景通過接口軟件調(diào)入VRP中，再對場景進(jìn)行微調(diào)，最終場景圖如圖4所示。

圖4 VRP中調(diào)整后的場景

模型調(diào)整后，創(chuàng)建相機(jī)，通過繪制的運(yùn)動路徑設(shè)置相機(jī)的運(yùn)動方式以及設(shè)置添加虛擬人等，實(shí)現(xiàn)平臺的漫游操作，使得整個場景看起來更加逼真。

在VRP-builder中，將調(diào)整好的模型和傳感器采集的抽油機(jī)關(guān)鍵參數(shù)數(shù)據(jù)庫鏈接，每一臺抽油機(jī)都對應(yīng)著一組特定的數(shù)值，里面記錄著抽油機(jī)的型號、地理位置、工作參數(shù)等信息，并制作腳本語言。三維場景的交互動作可以通過VRP腳本來實(shí)現(xiàn)，即根據(jù)系統(tǒng)的任務(wù)要求和場景設(shè)定，將VRP腳本文件分為4組（歡迎界面腳本、全景巡視腳本、抽油機(jī)任務(wù)腳本、界面交互腳本）。VRP編程腳本如圖5所示，所有的交互功能均依靠編輯的腳本文件程序控制，編輯好所有的腳本文件后，點(diǎn)擊VRP軟件上方的按鍵，將制作好的文件打包成可獨(dú)立運(yùn)行的EXE文件并測試，運(yùn)行后如圖6所示，通過鼠標(biāo)控制視角的遠(yuǎn)近和方位，也可通過設(shè)置的相機(jī)對整個場景進(jìn)行漫游。

圖5 VRP編程腳本

當(dāng)鼠標(biāo)移動到某一臺抽油機(jī)上時，其所對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)就可顯示出來，當(dāng)移動到另一臺抽油機(jī)上時它所對應(yīng)的數(shù)據(jù)就顯示出來，且所有的抽油機(jī)相關(guān)參數(shù)都以固定的頻率進(jìn)行刷新，以保證所顯示的數(shù)據(jù)能夠真實(shí)的反映每臺抽油機(jī)的實(shí)時工作狀況。

圖6 工況查詢

5 結(jié)束語

本文在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用3ds Max與VRP等軟件相結(jié)合的方式完成對抽油機(jī)裝備工況查詢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)，并利用VRP軟件平臺實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。所開發(fā)的平臺即可作為裝備工況信息查詢系統(tǒng)，實(shí)時查看每臺抽油機(jī)的工作信息和關(guān)鍵工作參數(shù)，又可作為油田的視景仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油田的三維視景仿真漫游功能，為數(shù)字油田和智慧油田的構(gòu)建提供借鑒。

展望未來，作為智慧油田的一部分，整個系統(tǒng)還可與GIS（地理信息系統(tǒng)）結(jié)合，構(gòu)建1：1的真實(shí)場景，當(dāng)某一個抽油機(jī)出現(xiàn)問題時，就可在監(jiān)控平臺上突出表現(xiàn)出來，發(fā)出警報(bào)并顯示出該抽油機(jī)的故障信息和地理位置，利用GPS系統(tǒng)對維修人員的響應(yīng)速度進(jìn)行監(jiān)測，做到快速發(fā)現(xiàn)、精準(zhǔn)定位、快速處置，將經(jīng)濟(jì)損失降到最低，免去了人工尋井帶來的種種弊端，解放了勞動力，提高了生產(chǎn)效率。

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