趙忠軍，王 春，范亞蘋

(1.中國石化中原油田分公司采油一廠，河南濮陽 4575712.中國石化安全工程研究院，山東青島 266071)

油田企業(yè)安全生產(chǎn)三維數(shù)字化系統(tǒng)研究與應用

趙忠軍1，王 春2，范亞蘋2

(1.中國石化中原油田分公司采油一廠，河南濮陽4575712.中國石化安全工程研究院，山東青島266071)

運用虛擬現(xiàn)實和三維數(shù)字化技術(shù)對油田企業(yè)操作仿真、管網(wǎng)三維管理和消防桌面推演進行可視化開發(fā)，闡述了基于交互的可視化操作培訓和管線可視化管理，研究了基于災害場景和應急預案的桌面虛擬演練系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠有效提升油田企業(yè)的安全生產(chǎn)和管理水平。

三維數(shù)字化 油田企業(yè) 操作仿真 管線可視化 桌面演練

隨著油田開采難度的不斷增大，油田開發(fā)過程中的各種作業(yè)工藝越來越復雜，安全生產(chǎn)問題日益突出。安全生產(chǎn)成為油田企業(yè)提升市場競爭力的關鍵要素之一[1]。如何提高油田企業(yè)安全生產(chǎn)水平，消除油田安全生產(chǎn)過程中存在的盲區(qū)，已成為關系我國石油工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的主要問題[2]。虛擬現(xiàn)實、三維數(shù)字化、云平臺等信息技術(shù)的飛速發(fā)展為油田企業(yè)安全生產(chǎn)帶來一系列革命性的變化。由于虛擬現(xiàn)實及三維數(shù)字化技術(shù)的種種優(yōu)勢，國內(nèi)外很多企業(yè)、科研院所都展開了這方面的研究[3]。謝倫貝謝公司創(chuàng)建了一體化系統(tǒng)可視化平臺；?？松梨趧?chuàng)建了虛擬鉆井中心，殼牌公司建立了實時作業(yè)中心(RTOC)，挪威國家石油公司實現(xiàn)了全業(yè)務管理的數(shù)字化[4]。清華大學的任愛珠等人[5]研究了利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬油田火災事故下人員疏散情況等。

本文基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)(Virtual Reality, VR)和網(wǎng)絡協(xié)同技術(shù)，結(jié)合油田企業(yè)安全生產(chǎn)的實際需求，從油田作業(yè)操作仿真培訓，管網(wǎng)三維可視化管理，協(xié)同虛擬演練等不同方面開發(fā)基于三維技術(shù)的數(shù)字化系統(tǒng)，為企業(yè)的安全生產(chǎn)提供技術(shù)支撐。

1 安全生產(chǎn)三維數(shù)字化系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

在架構(gòu)設計層面，根據(jù)數(shù)據(jù)、引擎、業(yè)務分離的原則，為了保持各個子系統(tǒng)的整體性和兼容性，將共享統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準和渲染引擎作為底層，根據(jù)最終業(yè)務需求的不同在上層表現(xiàn)出一定的差異。將系統(tǒng)的架構(gòu)分為4層：數(shù)據(jù)層、核心引擎層、應用層和表現(xiàn)層，如圖1所示。

數(shù)據(jù)層是整個系統(tǒng)的基礎，基于SQL Server數(shù)據(jù)庫進行管理，主要包括設備/管線三維模型，操作培訓課件，典型事故數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，應急預案及現(xiàn)場處置方案和設備的屬性數(shù)據(jù)。整個數(shù)據(jù)層基于數(shù)據(jù)庫進行了數(shù)據(jù)表單的設計，索引機制建立，屬性關聯(lián)設置等，統(tǒng)一管理支持三維場景數(shù)據(jù)的高效渲染與調(diào)度。

核心引擎層位于數(shù)據(jù)層之上，3個子系統(tǒng)基于統(tǒng)一的核心引擎。核心引擎是為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)交互、三維渲染、渲染控制、數(shù)據(jù)庫操作及GIS分析等核心服務，是整個系統(tǒng)的中樞。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的最重要的一個核心就是三維渲染引擎，本系統(tǒng)使用可視化交互式編輯渲染引擎，提供了三維模型渲染和其它三維渲染與可視化接口，方便業(yè)務層的調(diào)用；數(shù)據(jù)管理是本系統(tǒng)的重要內(nèi)容，為業(yè)務層提供了數(shù)據(jù)訪問接口。

業(yè)務應用層在核心引擎層之上，組成各個子平臺的各個功能模塊。

表現(xiàn)層在業(yè)務層之上，處于層次的頂端，是用戶交互層。通過業(yè)務應用層功能模塊的封裝，即搭建起不同的子平臺，供用戶使用。

1.2 系統(tǒng)開發(fā)關鍵技術(shù)

1.2.1實例(Instance)技術(shù)

在虛擬現(xiàn)實場景的制作中，往往有大量幾何形狀相同但其位置、大小、方向不一樣的物體存在。相同的物體只在內(nèi)存中存放一份實例，將這份實例進行平移、旋轉(zhuǎn)、縮放之后得到所有相同結(jié)構(gòu)的物體，從而大大節(jié)約了內(nèi)存空間。采用內(nèi)存實例的主要目標是節(jié)省內(nèi)存，內(nèi)存占用少，顯示速度會加快，計算機的內(nèi)存對大規(guī)模場景來說相對缺乏，因而，實例技術(shù)在大規(guī)模場景的建造中有著十分廣泛的應用。

1.2.2紋理映射(Texture mapping)技術(shù)

利用紋理映射，可以以很低的代價來生成復雜的視覺效果。紋理映射是把二維的圖像位圖上的像素值映射到三維實體模型的對應頂點上，以增強實體模型的真實感。它本質(zhì)上是一個二維紋理平面到三維景物表面的映射。從數(shù)學的觀點來看，映射可以用下式描述：(u,v)=F(x,y,z)，其中(u,v)、(x,y,z)分別是紋理空間和物體空間的點。例如：將一紋理映射到一高為h，半徑為r的圓柱面，可用下面的參數(shù)形式表達：x=rcosθ，y=rsinθ，z=hФ，其中0≤θ≤2π，0≤Ф≤1。通過下列線性變換將紋理空間[0,1]×[0,1]與參數(shù)空間[0,2π]×[0,1]等同：u=θ/2π，v=Ф，如此就得到了從物體空間到紋理空間的紋理表達式。

1.2.3PHP的動態(tài)網(wǎng)絡技術(shù)

PHP(Hypertext Preprocessor)的數(shù)據(jù)庫支持能力十分強大，能夠支持十幾種主流與非主流的數(shù)據(jù)庫。PHP能夠針對不同的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供相似的函數(shù)來增加使用的方便性，而且采用面向?qū)ο蟮乃枷脒M行程序的開發(fā)，提供了類和對象，引入了對象重載、引用技術(shù)等，具有設計良好的面向?qū)ο筇匦浴?/p>

1.2.4基于ActiveX的Unity3D場景網(wǎng)絡嵌入技術(shù)

ActiveX主要核心是提供進一步的網(wǎng)絡應用與用戶交互，ActiveX控件的獨特之處在于它的可編程和可重復使用性，ActiveX控件需承載于ActiveX控件容器中，容器是控件的載體，他們之間的通信通過COM協(xié)議實現(xiàn)。Unity3D是使用ActiveX控件將場景嵌入在網(wǎng)頁中，Unity Web Player是一款瀏覽器運行Unity3D引擎發(fā)布的場景的插件，插件已集成ActiveX控件。Web Player擁有ActiveX控件提供的SendMessage()函數(shù)，用于從網(wǎng)絡上調(diào)用Web Player內(nèi)部的內(nèi)容函數(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)頁與Unity3D的溝通。

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 操作仿真培訓子系統(tǒng)

操作仿真子系統(tǒng)包括聯(lián)合站安全操作、注聚站安全操作、塔裝井口操作以及塔抽油桿橋操作培訓4部分內(nèi)容，功能劃分包括教材培訓、仿真操作、場景漫游以及其他輔助功能。其中教材培訓主要功能是向用戶提供正確操作流程的虛擬演示，供用戶學習使用；仿真操作模塊為用戶提供了交互操作的功能，用戶可以通過鼠標、鍵盤按照正確的工作流程對場景中的相應部件進行操作，用戶可以任意、反復地進行操作訓練；場景漫游能夠為用戶提供在三維場景中瀏覽的基本功能；其他輔助功能主要用于用戶學習和操作的進度控制。

2.2 管線三維可視化管理子系統(tǒng)

基于三維可視化技術(shù)的油田管線管理子系統(tǒng)是科學管理油田管網(wǎng)的重要手段，它以準確的數(shù)據(jù)資料和直觀的三維方式展現(xiàn)給用戶，并通過三維到屬性、屬性到三維的雙向檢索和查詢，為管理和設計者提供全方位信息，并通過對檢測數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的一體化動態(tài)管理，根據(jù)前后兩次檢測數(shù)據(jù)進行分析，提前預測事故區(qū)域和性質(zhì)，提前采取措施，避免事故發(fā)生。管線三維可視化子系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)地上、地下管網(wǎng)的空間分布，空間量算，空間查詢，緩沖區(qū)分析，剖面分析，故障分析等功能。

2.3 消防桌面虛擬演練子系統(tǒng)

消防桌面虛擬演練子系統(tǒng)通過油田災害場仿真模型，運用多Agent建模與仿真技術(shù)，建立一個災害復雜系統(tǒng)為虛擬推演提供仿真場景，運用災害復雜網(wǎng)絡和數(shù)值模擬技術(shù)模擬油田災害動態(tài)演化與傳播方法，對企業(yè)可能發(fā)生事故進行了模擬研究，分析周邊不同環(huán)境形成的不同氣云和不同的點火源位置，以及風向、風速等因素影響下可能發(fā)生的火災、爆炸過程及后果，給出了不同情況下事故的影響范圍；并根據(jù)不同模擬分析結(jié)果，給出了應急救援的參考意見。圖2為不同時間情況下原油火災數(shù)值模擬結(jié)果。針對應急救援演練控制的復雜性和難以量化問題，為實現(xiàn)虛擬演練的有效控制，設計了演練過程控制流程和基于知識綜合測度方法形成的控制流程。

3 結(jié)語

油田企業(yè)安全生產(chǎn)三維數(shù)字化系統(tǒng)基于虛擬現(xiàn)實、三維數(shù)字化等信息技術(shù)，結(jié)合油田企業(yè)安全生產(chǎn)的實際需求，以逼真的表現(xiàn)形式，友好的操作界面，為用戶提供了形象生動的學習、培訓和管理環(huán)境，同時提供日常操作和事故處置演練功能，在不影響設備安全和人員安全的前提下，模擬各種操作和事故處置方法，加強操作人員的安全意識。該系統(tǒng)的研發(fā)能夠有效提升油田企業(yè)安全生產(chǎn)管理水平，也為油田企業(yè)的數(shù)字化和智能化推進做出了一定貢獻。

[1] 張宇. 信息環(huán)境下智能油田的構(gòu)建[J]. 油氣田地面工程, 2015,34(9):17-18.

[2] 王芳芳. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在石油勘探中的應用[J]. 化工管理, 2015,12(3):162-163.

[3] 蔣國民. 石化企業(yè)數(shù)字化消防應急演練系統(tǒng)研究[J]. 安全、健康和環(huán)境, 2011,11(08):1-4.

[4] 劉寶軍. 智能油田建設構(gòu)想 [J]. 勝利油田黨校學報, 2015, 28(6): 99-100.

[5] Aizhu Ren, Chi Chen, Yuan Luo. Simulation of Emergency Evacuation in Virtual Reality [J]. Tsinghua Science & Technology, 2008, 13(5):674-680.

ResearchandApplicationof3DDigitalSystemforProductionSafetyofOilFieldEnterprises

Zhao Zhongjun1, Wang Chun2, Fan Yaping2

(1.SINOPEC Zhongyuan Oil Field The First Oil Extraction Plant, Henan, Puyang，457571 2.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao，266071)

This paper uses virtual reality and three-dimensional digital technology for oil companies operating simulation, network dimensional management and fire tabletop exercise conducted visual development, elaborates interactive management based on visualization training and pipeline visualization, studies disaster scenarios and contingency plans for desktop-based virtual training system which can effectively enhance safe production and management of oil field enterprises.

three-dimensional digital technology; oil field enterprises; operating simulation; pipeline visualization; desktop-based exercise

2016-03-16

趙忠軍，工程師，2015年畢業(yè)于中國石油大學(華東)安全工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事油田企業(yè)安全監(jiān)督檢查和應急管理工作。