劉雪亮 向奕帆 魏廣峰 楊志遠 安振山 劉銳 吳秀亮 王永軍

（中油國際管道有限公司）

中油國際管道公司作為中國石油海外油氣管道專業(yè)化公司，分別在烏、哈、塔、吉、緬五國設(shè)有8家合資公司1家獨資公司，管道總里程約11 000 km，構(gòu)建起了我國西北、西南兩大戰(zhàn)略能源通道，為保障國家能源供應(yīng)、建設(shè)美麗中國發(fā)揮了重要作用。中油國際管道海外油氣調(diào)控中心作為公司的綜合運營指揮中心，主要職能是對所屬長輸油氣管道按需實施集中監(jiān)視、調(diào)度指揮、管網(wǎng)優(yōu)化、以及對突發(fā)事件的應(yīng)急指揮和應(yīng)急管理。同時，還承擔(dān)著展示企業(yè)文化、塑造企業(yè)形象的對外窗口職能。2019年成功組織了“一路一帶”跨境油氣管道應(yīng)急演練，接受了能源局、外交部等部委的考察并獲好評。文中通過此次調(diào)控中心可視化系統(tǒng)的建設(shè)及運營后達到的實際效果進行分析總結(jié)，為今后其他項目的建設(shè)、擴容、發(fā)展提供更貼合實際的參考。

1 可視化系統(tǒng)的概念及特點

1.1 可視化系統(tǒng)的概念

可視化是一種計算和處理的方法。它通過計算機將枯燥的二維數(shù)據(jù)、二維信息轉(zhuǎn)化為可以讓體驗者直接觀看到的形象生動的畫面、動畫等形式，也可以將抽象的信息轉(zhuǎn)換為具體直觀的信息。智慧管道可視化系統(tǒng)能夠?qū)⒐具\營的核心系統(tǒng)的各項關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行可視化呈現(xiàn)，可視化系統(tǒng)的技術(shù)難點不在于對數(shù)據(jù)展示的效果，而在于如何將復(fù)雜的輸油氣業(yè)務(wù)邏輯性的串聯(lián)起來。在一頁頁的畫面中，如何讓人了解數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)之間的關(guān)聯(lián)，這就需要對大屏整體的顏色、布局、展示方式及可視化組件的綜合搭建[1-3]。

1.2 可視化系統(tǒng)的技術(shù)特點

通常來講，優(yōu)質(zhì)的可視化系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)當(dāng)具備這些特點：

1）新穎：可視化系統(tǒng)技術(shù)一方面應(yīng)當(dāng)是一個非常有效的數(shù)據(jù)渠道，另外一方面還應(yīng)當(dāng)具有一定的新穎性，要符合時代特征及需求。

2）充實：可視化系統(tǒng)技術(shù)為人們提供了獲取數(shù)據(jù)信息的有效途徑，滿足人們的實際需求。

3）高效：可視化系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)當(dāng)具備一個非常清晰的目標(biāo)。因此，當(dāng)用戶對信息訪問時，要盡量的直截了當(dāng)。

4）美感：在對圖形、圖像設(shè)計時，主要服務(wù)目標(biāo)是如何有效地表達展示信息[4-6]。任何無助于表現(xiàn)信息的微小因素，在實踐中都可能成為其應(yīng)用的潛在阻礙，會影響可視化效果、降低效率。

2 可視化系統(tǒng)規(guī)劃布局

可視化系統(tǒng)面向不同層次來訪者，主要包括需兩類用戶，分別是參觀交流類用戶及專業(yè)操作類用戶。參觀交流類用戶，主要包括政府部門、上級組織、業(yè)務(wù)相關(guān)聯(lián)單位，此類用戶多涉及參觀、交流和檢查工作，應(yīng)通過簡單易懂、美觀舒適的展現(xiàn)方式表達出公司的特色與整體情況。專業(yè)操作類用戶，主要包括公司值班人員及業(yè)務(wù)相關(guān)人員，此類用戶熟悉公司運行工作及主要業(yè)務(wù)，應(yīng)通過易于發(fā)現(xiàn)、對比的展現(xiàn)方式來滿足日常的工作需求?；诖朔N考慮，將具有相同形式或規(guī)律的內(nèi)容抽象、升華，形成標(biāo)準樣式即模式，設(shè)計出四種模式來直觀展示公司業(yè)務(wù)場景、推動傳播現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)生態(tài)[7-10]。

2.1 視覺展示

1）布局應(yīng)符合人的閱讀習(xí)慣，該習(xí)慣決定了展示內(nèi)容的層次結(jié)構(gòu)，影響人對內(nèi)容的接收和理解。整體畫面要有一個清晰的業(yè)務(wù)邏輯，總體可分為總分結(jié)構(gòu)和鏈式結(jié)構(gòu)兩種敘事方式。總分結(jié)構(gòu)用于表達逐級展開的業(yè)務(wù)內(nèi)容，由宏觀到微觀；鏈式結(jié)構(gòu)用于表達整體的業(yè)務(wù)關(guān)系，從左至右依次展示該板塊業(yè)務(wù)流程。結(jié)構(gòu)化布局使得內(nèi)容層次清晰、主次分明，整體布局緊湊，節(jié)奏感強烈。

調(diào)控中心大屏為2行20列拼接，整屏幕寬31 m高1.7 m，橫縱比為18∶1，屬于特別細長比例。根據(jù)實際場地布局，參觀者從中部進入大廳，推薦使用由中心向兩側(cè)擴展的布局結(jié)構(gòu)。結(jié)合普通人的視野范圍因素，可設(shè)計顯示布局見圖1。

圖1 顯示布局

2）心理學(xué)家認為，人的第一感覺就是視覺，而對視覺影像最大的則是色彩。配色的基本原則是通過不同的鮮明顏色，清晰地標(biāo)識并劃分各個專業(yè)主題，形成視覺慣性，輔助觀眾在復(fù)雜的拓撲邏輯中直觀分辨各個專業(yè)。大屏的顯示亮度遠超電腦、手機、印刷品，且物理尺寸巨大，在色調(diào)的選擇上，淺色系在大屏上播放時會非常刺眼，不利于長時間觀看，且強烈的光感容易導(dǎo)致文字模糊，內(nèi)容無法得到很好的展現(xiàn)和理解。因此，系統(tǒng)色調(diào)不宜選擇淺色基調(diào)，應(yīng)選擇深色系，如深褐色、黑色、深藍色等。在冷暖色系中，暖色調(diào)不適合大面積使用，容易令人產(chǎn)生煩躁、焦慮的情緒。

2.2 視野測算

對于被觀察圖像，人眼能分辨的相鄰最近兩點的視角（分辨角）的倒數(shù)，叫做人眼的分辨力。從生理角度講，人眼在中等亮度和中等相對分辨率下觀察靜止圖像時，分辨力夾角約為1′～1.5′。本次可視化系統(tǒng)距離為5～12 m，結(jié)合上述理論，依據(jù)現(xiàn)場條件制作了如下2個參觀點（圖2）。

圖2 視野測算效果

2.3 展示內(nèi)容規(guī)劃

依據(jù)公司做好油氣管道運營、保障管道安全和經(jīng)濟效益、塑造良好企業(yè)形象、開創(chuàng)建設(shè)世界先進水平國際化管道公司新局面的戰(zhàn)略目標(biāo)，本次規(guī)劃了參觀展示模式、日常監(jiān)控模式、應(yīng)急指揮模式和專題模式4個可視化模式。

1）參觀模式：展現(xiàn)公司核心競爭力，表現(xiàn)公司先進性和國際化水平，突出創(chuàng)新型、綜合性、國際先進水平管道公司新局面。本部分內(nèi)容包括歡迎界面、基本信息展示、企業(yè)文化、科技創(chuàng)新、社會責(zé)任五大模塊，同時在大屏上按腳本播放生產(chǎn)業(yè)務(wù)3D模擬飛行動畫，管道以三維立體效果展現(xiàn)，增加液體流動動效，使管道效果更逼真。動畫播放同時搭配氣勢宏偉的背景音樂，快速聚焦參觀者注意力，搭配演講者細致的解說，以震撼的場面效果充分展示公司宏偉的管道成績。

2）監(jiān)控模式：展現(xiàn)管道運行情況、生產(chǎn)安全情況和經(jīng)營效益情況。核心內(nèi)容采用地圖分布和實時數(shù)據(jù)的形式展現(xiàn)，利用各板塊數(shù)據(jù)進行組態(tài)，實現(xiàn)從總體到具體管線運行情況的比對。

3）專題模式：展現(xiàn)如何保障油氣管道工作的穩(wěn)健發(fā)展。關(guān)注特殊時期重點保障內(nèi)容，打造專題效應(yīng)，例如冬季氣荒情況下的保供工作。

4）應(yīng)急模式：突出信息化方式的應(yīng)急處理優(yōu)勢，表現(xiàn)管理效率的高效性。通過接入事故單位及相關(guān)協(xié)同單位視頻會議信號、事故現(xiàn)場監(jiān)控信號、輔助GIS數(shù)據(jù)、管道運行趨勢、天氣信息等，全方位展示事故單位的實時災(zāi)情，及時開展資源調(diào)度，全面分析事故影響范圍并編制合理的應(yīng)對方案。應(yīng)急模式效果見圖3。

圖3 應(yīng)急模式效果

3 可視化系統(tǒng)硬件建設(shè)

3.1 可視化系統(tǒng)軟件平臺

自主研發(fā)一整套可視化實施生產(chǎn)平臺，平臺具有高可靠性、高速度、高安全性和強兼容性等多種優(yōu)點，系統(tǒng)組件豐富且易于操作。軟件平臺采用B/S架構(gòu)設(shè)計，通過瀏覽器訪問系統(tǒng)、提供圖形化界面、使用HTML5語言實現(xiàn)，可以展示矢量平面圖形、3D圖形及動畫。由于HTML5技術(shù)通用性強、社區(qū)資源豐富，大大降低了后期系統(tǒng)維護的難度。平臺支持Chrom、Firefox、IE11等多種瀏覽器，支持多個終端展示，如大屏、PC、平板電腦、手機。可以運行在Windows、Linux系統(tǒng)上，支持跨平臺展示。當(dāng)后端數(shù)據(jù)源沒有完全接入時，系統(tǒng)支持模擬數(shù)據(jù)的方式完整顯示前端展示效果。

3.2 可視化系統(tǒng)架構(gòu)

采用前后端完全分離的系統(tǒng)架構(gòu)（圖4），通過標(biāo)準接口和WebSocket進行內(nèi)部數(shù)據(jù)交互，后端負責(zé)算法處理和數(shù)據(jù)接口，前端完成視覺展現(xiàn)和交互邏輯，全部功能均在瀏覽器中實現(xiàn)。

前端采用組件化封裝技術(shù)，可自由布局圖層，各種組件可根據(jù)不同場景及業(yè)務(wù)需求進行組合和擴展。后端根據(jù)不同業(yè)務(wù)和接口方式劃分功能模塊，建立不同的服務(wù)架構(gòu)設(shè)計模塊，保證系統(tǒng)的擴展性并降低了服務(wù)之間的耦合度。對接系統(tǒng)采用模塊化、復(fù)用性、松耦合的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。對接模塊的任何修改都不影響整體構(gòu)架和其他模塊，并且可以通過擴展服務(wù)的方式來增加系統(tǒng)支持的接口種類，并不需要對系統(tǒng)架構(gòu)進行調(diào)整。

圖4 系統(tǒng)構(gòu)架

3.3 可視化系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)

系統(tǒng)對后端開發(fā)語言無限制，支持多種數(shù)據(jù)接口，包 括WebService、REST API、DB API、SNMP、WebScoket、消息隊列、文件服務(wù)器、ElasticSearch檢索服務(wù)器、SCADA和DCS工業(yè)采集系統(tǒng)等。支持自定義接口中間件開發(fā)集成；支持實時采集數(shù)據(jù)，基于流式計算框架，實時采集并實時加載至數(shù)據(jù)目的地，并保證對數(shù)據(jù)源無業(yè)務(wù)侵入；支持錯誤數(shù)據(jù)處理；支持任務(wù)狀態(tài)監(jiān)控及預(yù)警；支持水平擴展性，根據(jù)實際數(shù)據(jù)量進行集群式擴展，滿足高并發(fā)需求；支持全流程操作，均基于圖形化界面，無需二次開發(fā)。

3.4 可視化系統(tǒng)大屏部署

在可視化視覺布局規(guī)劃中，單個工作站最大支持16 K超高分辨率輸出，該系統(tǒng)投放在調(diào)控中心2×20的DLP拼接大屏和應(yīng)急指揮LPD拼接大屏，考慮二者的內(nèi)容共享方式，推薦使用5個區(qū)域大屏硬件模式（圖5）。

超高分處理器硬件系統(tǒng)可實現(xiàn)整屏38400×2 160分辨率下的單一邏輯屏、可視化視圖同步、實時推送，并通過大屏幕部署的分布式處理系統(tǒng)完成可視化與各個調(diào)度臺、視頻會議、視頻監(jiān)控等其他業(yè)務(wù)信號源的統(tǒng)一調(diào)度、切換與投放。二者融合在一起，可以實現(xiàn)多種應(yīng)用場景下的投屏需求。

在超高分圖形處理投屏模式下，將屏幕劃分為5個區(qū)域，每個區(qū)域是單一邏輯桌面。通過5臺圖形工作站實現(xiàn)點對點畫面推送，利用可視化系統(tǒng)后端實現(xiàn)各個區(qū)域之間的聯(lián)動和同步。使用者可以將某個或某些單一邏輯桌面信號源即時切換為大屏分布式處理系統(tǒng)信號，通過硬件切換屏幕顯示畫面。調(diào)控中心大屏的5個區(qū)域均可共享到應(yīng)急指揮中心大屏，利用可視化系統(tǒng)前端HTML5的頁面自適應(yīng)能力，自動調(diào)整元素的布局，在共享投屏過程中不發(fā)生像素和圖形比例變形。

3.5 可視化系統(tǒng)大屏節(jié)能降耗措施

調(diào)控中心DLP大屏幕選用比利時Barco ODL-721，具有功耗低、噪音低、發(fā)熱量低、運行效率高、部件使用壽命長等優(yōu)點，完全符合節(jié)能環(huán)保方面的國標(biāo)要求。獨創(chuàng)了DLP拼接顯示直流外部供電（由機柜低電壓供電的完全冗余遠程電源管理系統(tǒng)），既減少了控制室內(nèi)電源冷卻風(fēng)扇發(fā)出的噪音，又能排除任何單點故障。

比利時巴可公司ODL系列RGB三色純激光光源無燈泡、無汞，不會對環(huán)境產(chǎn)生有害汞的揮發(fā)。ODL視頻屏幕墻外殼100%由循環(huán)材料制成，不會出現(xiàn)材料浪費現(xiàn)象。較之傳統(tǒng)UHP燈泡背投系統(tǒng)，使用更少活動部件或耗材即可投影所需光通量和顏色的圖像。Barco ODL-721的正常模式功率為200W，節(jié)能模式為120 W，40塊屏正常模式為8 kW，節(jié)能模式下僅為4.8 kW，相比其他品牌產(chǎn)品節(jié)能效果顯著。應(yīng)急指揮中心LPD大屏，選用Prysm激光熒光顯示技術(shù)，單位顯示平米耗電量為155 W，是全球最節(jié)能的顯示拼接技術(shù)，符合美國節(jié)能與生態(tài)環(huán)境建筑委員會可持續(xù)性LEED綠色評定?？梢暬到y(tǒng)大屏投用至今14個月總耗電量僅為6 700 kWh。

圖5 可視化系統(tǒng)大屏部署

3.6 可視化系統(tǒng)大屏安全環(huán)保措施

1）噪音。巴可大屏運行時所產(chǎn)生的高頻及中低頻噪音，符合國家所界定的國家工業(yè)企業(yè)廠界噪聲標(biāo)準，屏前噪音級別小于20 dB，對值班人員影響微小。

2）光線。光污染正在威脅著人們的健康，過量的光輻射對人類生產(chǎn)和生活造成了不良的影響。光污染損害眼睛、誘發(fā)癌癥、可能會引起頭痛，疲勞，增加壓力和焦慮。由于調(diào)控中心設(shè)備眾多，光污染也是一大隱患。動物模型研究已證明，當(dāng)光污染不可避免時，會對情緒產(chǎn)生不利的影響?？梢暬笃料到y(tǒng)在設(shè)計上符合國家的照度標(biāo)準，在色彩上采用了深藍色系，避免眼睛直接接觸強烈光線產(chǎn)生刺眼等不舒服的感覺。

4 總結(jié)與推廣

1）實時性、準確性。本系統(tǒng)的優(yōu)勢就是實時性，管道生產(chǎn)數(shù)據(jù)都是實時更新的，可視化界面的分析結(jié)果均為有效的，可供值班人員日常使用，若發(fā)生突發(fā)事件又可用于應(yīng)急處置。相較于以往的一些歷史數(shù)據(jù)的可視化處理及分析，本系統(tǒng)后臺與五大系統(tǒng)相連，更能提供具有高時效性的數(shù)據(jù)，分析結(jié)果也可立即應(yīng)用。

2）可開發(fā)性、可拓展性、可移植性。在可視化界面可以進一步優(yōu)化拓展。除了本次實現(xiàn)的四種模式下可視化處理，還可以針對不同應(yīng)用場景，制作新的可視化界面。針對不同的應(yīng)用情況二次開發(fā)?；陂_源平臺的可視化界面可以方便地優(yōu)化拓展。