王傳平 馮學(xué)章 雷江輝 孟亮 王佳佳 烏嶸 韓英澤

1新疆油田公司采氣一廠

2新疆油田公司

我國進(jìn)入21 世紀(jì)以后，經(jīng)濟(jì)取得了飛躍性的發(fā)展，石油、石化、化工等工業(yè)的發(fā)展水平也取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步[1]。各種智能設(shè)備的出現(xiàn)，使得自動化技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在石油行業(yè)取得了成功的應(yīng)用，提高了油田地面建設(shè)工程的生產(chǎn)管理水平[2]。

油氣田站場施工涉及土建、工藝、電儀等多個專業(yè)，工程管理及協(xié)同工作交叉較多[3]，傳統(tǒng)的施工管理模式存在各專業(yè)溝通銜接不暢、施工進(jìn)度安排不合理、信息不能及時共享、信息傳遞過程中缺失嚴(yán)重、難以實(shí)現(xiàn)成本全過程管理等問題，站場運(yùn)維需要龐大數(shù)據(jù)的可視化、人員成本限制、安全和能耗問題的預(yù)警與控制。因此，高效解決多專業(yè)對接難、多方協(xié)調(diào)效率低等問題是油氣田站場施工管理的關(guān)鍵。

PIM 技術(shù)目前在中國正處在蓬勃發(fā)展的階段，在投融資、設(shè)計及施工階段都有大量應(yīng)用?；凇翱梢暬?”技術(shù)的三維看板系統(tǒng)能夠高效解決各類安全及能耗相關(guān)問題，通過數(shù)據(jù)采集、熱區(qū)分布、報警定位、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)展示等方式提供全面精細(xì)的PIM 運(yùn)維管理，實(shí)時監(jiān)控環(huán)境品質(zhì)，有效提高能源的利用效率，節(jié)約成本。其數(shù)據(jù)采集能力、數(shù)據(jù)處理能力、圖形展示能力、3D 模型處理能力在國內(nèi)外行業(yè)內(nèi)均為領(lǐng)先水平。

1 三維看板系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

三維看板系統(tǒng)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集能力、數(shù)據(jù)處理能力、圖形展示能力、3D 模型處理能力。系統(tǒng)可通過三維模型展示各類型的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，如：通過數(shù)字化移交獲得的設(shè)備屬性圖紙及文檔資料，項(xiàng)目建設(shè)過程中的建設(shè)計劃、建設(shè)實(shí)際進(jìn)度、建設(shè)安全質(zhì)量問題數(shù)據(jù)，視頻監(jiān)控流、設(shè)備維保信息、DCS 實(shí)時數(shù)據(jù)、系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、預(yù)警報警系統(tǒng)報警數(shù)據(jù)、工單數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)采用C/S 硬件架構(gòu)，是由物聯(lián)網(wǎng)傳感器、三維可視化平臺、3D模型、大屏可視化構(gòu)件組成的用于PIM 運(yùn)維的數(shù)據(jù)可視化平臺[4]。

1.1 硬件架構(gòu)

系統(tǒng)采用C/S 架構(gòu)（圖1），設(shè)有Base 服務(wù)器、采集工作站，通過使用工作站連接服務(wù)器查看可視化界面。系統(tǒng)后臺服務(wù)器集群部署，通過Nginx 做代理轉(zhuǎn)發(fā)，同時Nginx 作為Web 靜態(tài)資源服務(wù)器，當(dāng)前端壓力大時，可以將Web 服務(wù)器從Nginx 服務(wù)器中剝離出來，集群部署。緩存服務(wù)器使用Redis，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器使用關(guān)系數(shù)據(jù)庫，支持Mysql 和Oracle 數(shù)據(jù)庫。文件服務(wù)器可以單獨(dú)部署，后期方便擴(kuò)展。

1.2 軟件架構(gòu)

采用eZWalker 作為底層三維輕量化引擎，通過基本體復(fù)用、三角面片裁剪、按需加載等多種技術(shù)手段來實(shí)現(xiàn)模型的輕量化，能夠以較低的硬件環(huán)境支撐龐大的三維模型進(jìn)行高效的三維可視化管理對接，軟件架構(gòu)見圖2。

圖1 C/S 方案架構(gòu)圖Fig.1 C/S scheme architecture chart

圖2 軟件架構(gòu)圖Fig.2 Software architecture chart

1.3 三維看板系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

（1）智能場景展示。三維看板系統(tǒng)需將PIM 運(yùn)維中需要重點(diǎn)關(guān)注的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)面板、動態(tài)三維標(biāo)牌等方式動態(tài)展示，實(shí)時觀察設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)、關(guān)聯(lián)屬性、基本設(shè)計屬性等多種參數(shù)。能選取PIM 模型中的任意空間單獨(dú)查看其詳細(xì)的結(jié)構(gòu)情況，具體到每個空間的每個元素的基本信息和實(shí)時狀態(tài)都以“標(biāo)識牌”形式簡單直觀地呈現(xiàn)出來，使用戶隨時感受“上帝視角”的全面與清晰。三維看板系統(tǒng)還提供了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單獨(dú)展示功能，可以直觀地查看三維模型內(nèi)的任意系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)，從而更加快速準(zhǔn)確地定位問題解決問題（圖3）。

（2）虛擬環(huán)境巡檢。三維看板系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境巡檢功能，可使用阿凡達(dá)模擬巡檢人員在三維模型內(nèi)模擬真實(shí)的路線行走進(jìn)行巡檢（圖4）：①查看系統(tǒng)內(nèi)的任意監(jiān)控視頻，節(jié)約人力成本的情況下做到對每個角落及時監(jiān)控；②查看設(shè)備標(biāo)識牌上的設(shè)備工作狀態(tài)或能耗信息，保障對所有能耗和安全情況及時掌握；③查看任意設(shè)備基本參數(shù)的同時可切換標(biāo)簽查看對應(yīng)設(shè)備的維保歷史記錄。

圖3 三維看板中的模型定位Fig.3 Positioning model in 3D kanban

圖4 阿凡達(dá)虛擬巡檢人員巡檢Fig.4 Avatar virtual inspector inspection

（3）多樣化數(shù)據(jù)面板。相比于傳統(tǒng)圖表形式的數(shù)據(jù)展示，三維看板系統(tǒng)能將數(shù)據(jù)用更生動的形式將用戶所需的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單直觀的分類展示：系統(tǒng)可將項(xiàng)目建造階段中需要重點(diǎn)關(guān)注的數(shù)據(jù)以儀表盤、餅圖、柱狀圖、雷達(dá)圖、甘特圖等多種方式動態(tài)展示（圖5），實(shí)時觀察采購情況、現(xiàn)場安全及質(zhì)量等數(shù)據(jù)。

（4）場景定位。三維看板系統(tǒng)提供各類三維場景自定義一鍵導(dǎo)航，通過對各類重要場景取景形成定位列表，在項(xiàng)目各個階段，可隨時通過鼠標(biāo)操作點(diǎn)擊不同空間結(jié)構(gòu)，進(jìn)行關(guān)鍵部位一鍵定位查看，實(shí)現(xiàn)可視化場景導(dǎo)航功能（圖6）。

圖5 三維看板中的多樣化數(shù)據(jù)面板Fig.5 Diversified data panel in 3D kanban

（5）三維數(shù)據(jù)實(shí)時查看。用戶通過三維場景對模型對象進(jìn)行選擇，隨時查看三維對象關(guān)聯(lián)的二維圖紙等數(shù)據(jù)（圖7）。

（6）報警定位。三維看板系統(tǒng)獲取DCS 等控制系統(tǒng)實(shí)時數(shù)據(jù)后可進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控報警，當(dāng)實(shí)時參數(shù)超過上下閾值時，數(shù)據(jù)異常設(shè)備將顯示在界面上方，點(diǎn)擊定位按鈕后可快速定位到故障點(diǎn)，縮短維修時間，為工廠設(shè)備安全運(yùn)行保駕護(hù)航（圖8）。

圖6 三維看板中場景導(dǎo)航功能Fig.6 Scene navigation function in 3D kanban

圖7 三維模型實(shí)時數(shù)據(jù)查看Fig.7 3D model real-time data viewing

圖8 報警定位Fig.8 Alarming positioning

（7）監(jiān)控系統(tǒng)集成應(yīng)用。三維看板系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)集成后形成監(jiān)控設(shè)備列表，可實(shí)現(xiàn)對各個監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、監(jiān)控設(shè)備在三維場景下一鍵導(dǎo)航、監(jiān)控畫面實(shí)時觀看等，實(shí)現(xiàn)了“單點(diǎn)控面”的智慧化管理。

（8）門禁系統(tǒng)集成應(yīng)用。三維看板系統(tǒng)與門禁系統(tǒng)集成，形成門禁數(shù)據(jù)查詢面板和實(shí)時顯示面板，通過三維看板的可視化管理，對項(xiàng)目所有進(jìn)出人員、車輛等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，支持歷史數(shù)據(jù)高級檢索查詢，形成可視化的“封閉式”管理。

（9）4D 應(yīng)用。系統(tǒng)具有4D 模擬應(yīng)用模塊，采用三維可視化技術(shù)將三維模型與進(jìn)度數(shù)據(jù)相結(jié)合。以可視化的效果動態(tài)展示項(xiàng)目進(jìn)展情況，并將計劃進(jìn)度與實(shí)際進(jìn)度進(jìn)行比較，為用戶提供更直觀的狀態(tài)信息，達(dá)到了可視化進(jìn)度管控（圖9）。

（10）焊接進(jìn)度可視化。三維看板系統(tǒng)通過獲取施工單位焊接記錄表中的焊接數(shù)據(jù)，與三維場景中的焊口模型相關(guān)聯(lián)，當(dāng)現(xiàn)場某個焊口焊接完畢后，在三維看板中點(diǎn)擊焊口狀態(tài)，焊口模型根據(jù)焊接完成狀態(tài)變色，現(xiàn)場焊接情況一目了然，對現(xiàn)場焊接進(jìn)度實(shí)現(xiàn)可視化管理，有效掌握現(xiàn)場焊接進(jìn)度（圖10）。

（11）第三方數(shù)據(jù)對接。三維看板系統(tǒng)能與其他各物管系統(tǒng)、資產(chǎn)管理系統(tǒng)等多系統(tǒng)對接，作為PIM 的數(shù)據(jù)平臺完美展示數(shù)據(jù)和狀態(tài)：①可用于展示任意的管理信息列表；②通過使用三維看板系統(tǒng)，關(guān)聯(lián)WBS 項(xiàng)目進(jìn)度計劃數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)模型中的構(gòu)件與計劃軟件（P6 或PROJECT）中的WBS 進(jìn)度信息相關(guān)聯(lián)[5]，利用模型展示實(shí)際的施工建造過程，直觀查看項(xiàng)目計劃及進(jìn)度，并可以進(jìn)行進(jìn)度模擬等操作展示。

（12）三維看板系統(tǒng)二次開發(fā)體系?？稍谙到y(tǒng)提供的基本框架下自行開發(fā)相應(yīng)的構(gòu)件來滿足不同業(yè)務(wù)場景所需的個性化可視效果，二次開發(fā)體系包括前端三維交互UI 擴(kuò)展接口API、數(shù)據(jù)采集接口協(xié)議、數(shù)據(jù)訂閱協(xié)議、監(jiān)控報警規(guī)則擴(kuò)展接口，用戶可依據(jù)二次開發(fā)體系完成各種設(shè)想中的功能擴(kuò)充。

圖9 三維看板中進(jìn)度展示功能Fig.9 Progress display function in 3D kanban

圖10 三維看板中焊口狀態(tài)展示功能Fig.10 Display function of weld status in 3D kanban

2 應(yīng)用效果

新疆油田某項(xiàng)目部署了三維看板系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目三維模型實(shí)時查看、二三維數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、現(xiàn)場視頻監(jiān)控集成應(yīng)用、門禁系統(tǒng)集成應(yīng)用、4D 進(jìn)度模擬應(yīng)用等功能。

三維看板系統(tǒng)可視化的集成應(yīng)用，在數(shù)字化油田管理中得到了顯著的效果[6]：

（1）實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化油氣田在“三維可視化”下的多場景展示與應(yīng)用。

（2）實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目數(shù)據(jù)共享、信息集中管理等智慧化管控，解決了“信息孤島”問題。

（3）通過集成現(xiàn)場門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，從“多個窗口看項(xiàng)目”到“一屏控全廠”，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目“封閉式”監(jiān)控，提高了項(xiàng)目過程的可控性、安全性。

（4）系統(tǒng)通過智能巡檢有效提升了項(xiàng)目的質(zhì)量安全。對于危險區(qū)域等人工無法到達(dá)區(qū)域，可從源頭上避免風(fēng)險，對項(xiàng)目整體安全起到了實(shí)質(zhì)性的作用。

（5）通過三維模型與進(jìn)度數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，將數(shù)字油田的設(shè)計三維模型與工程進(jìn)度計劃結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了4D 應(yīng)用，使傳統(tǒng)的進(jìn)度管理變?yōu)榭梢暬乃木S應(yīng)用，提高了項(xiàng)目的進(jìn)度管控水平和信息直觀展示效果，為領(lǐng)導(dǎo)決策指揮提供了幫助，促進(jìn)了數(shù)字化油氣田的建設(shè)。

3 結(jié)束語

三維看板系統(tǒng)在油氣田數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程監(jiān)測、進(jìn)度管理，以及地面全面信息化等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)跨地域跨公司數(shù)據(jù)協(xié)同展示，緊密連接生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，還可以實(shí)現(xiàn)油氣田業(yè)務(wù)與技術(shù)的整合，進(jìn)一步優(yōu)化油氣田生產(chǎn)經(jīng)營管理，拓寬油田勘探開發(fā)業(yè)務(wù)。

基于數(shù)字化油氣田，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建可視化看板系統(tǒng)，是油氣田信息化建設(shè)的必要途徑。隨著油氣田勘探開發(fā)的進(jìn)一步深入、信息采集與智能計算技術(shù)的迅速發(fā)展、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，以及與傳感網(wǎng)結(jié)合的不斷深入，油氣田大規(guī)模運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)的時機(jī)日趨成熟。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)可視化和多維表達(dá)，并通過智能化分析模型，可為企業(yè)的經(jīng)營管理提供良好的信息支撐環(huán)境，最終形成規(guī)范、統(tǒng)一、安全、高效的全新現(xiàn)代化生產(chǎn)經(jīng)營綜合數(shù)據(jù)管理應(yīng)用展示平臺。