油田站場三維模型成果共享應(yīng)用研究

孫崇亮 趙雪峰

大慶油田工程有限公司

社會信息化水平的整體快速提升帶動了石油行業(yè)的信息化建設(shè)進度，更為油田地面工程三維設(shè)計[1-3]、設(shè)計成果數(shù)字化移交[4]、數(shù)字化孿生工廠以及孿生站場的建設(shè)工作提供了有利條件。中國石油為加快各業(yè)務(wù)領(lǐng)域信息化建設(shè)，全面提升企業(yè)整體管理水平，自2000 年以來，相繼制定了包括《中國石油“十三五”信息技術(shù)總體規(guī)劃》在內(nèi)的多次信息技術(shù)建設(shè)規(guī)劃，規(guī)劃了與油氣田地面工程相關(guān)的信息化項目——中國石油地理信息系統(tǒng)（A4）項目及采油與地面工程運行管理系統(tǒng)（A5）項目。通過多年的項目建設(shè)實踐及應(yīng)用后，信息化成果對油氣田地面工程的支持作用逐漸顯現(xiàn)，為油氣田企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型打下了堅實基礎(chǔ)，產(chǎn)生了顯著效益。與此同時，隨著中國石油的信息化建設(shè)相繼進入集成應(yīng)用和共享協(xié)同階段，各油氣田企業(yè)對加快站場等三維模型建設(shè)與提升相關(guān)數(shù)據(jù)共享效率等需求越來越迫切。

1 建設(shè)成果

三維模型建設(shè)在石油行業(yè)信息化工作中占有重要地位，各單位早已開展建設(shè)工作。在中國石油的油氣田領(lǐng)域，結(jié)合中國石油A4 項目建設(shè)，積累了較豐富的已建站場三維模型成果，但現(xiàn)有模型主要是通過三維激光掃描[5-6]等技術(shù)建設(shè)，模型屬性需要單獨建立數(shù)據(jù)庫，錄入對應(yīng)數(shù)據(jù)，供系統(tǒng)調(diào)用。進入“十三五”以來，大慶油田新建大中型站場全部采用了三維設(shè)計，在完成設(shè)計工作的同時積累了一大批三維設(shè)計模型成果；同時，結(jié)合A4 項目在大慶油田的深化應(yīng)用，利用油田已建大中型站場三維激光掃描點云成果完成三維模型建設(shè)，模型涵蓋站庫的地上和地下實測管道，實現(xiàn)站庫的主要設(shè)備、管道的三維空間數(shù)字化，為數(shù)字化站場的實現(xiàn)打下了較好基礎(chǔ)，已建站場三維建設(shè)效果見圖1。中國石油A5 項目建立了具有數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、存儲、發(fā)布、分析與應(yīng)用功能的信息管理系統(tǒng)，形成了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的采油采氣與地面工程數(shù)據(jù)庫，積累了大量油氣生產(chǎn)運行業(yè)務(wù)屬性數(shù)據(jù)。

圖1 油田已建站場三維建設(shè)效果圖Fig.1 3D construction sketch of oilfield existing station

然而，現(xiàn)有已建站場三維模型成果、屬性數(shù)據(jù)成果、新建站場三維設(shè)計模型成果之間存在數(shù)據(jù)互通性差、格式轉(zhuǎn)換不暢、數(shù)據(jù)共享效率低等問題，為有效增強數(shù)據(jù)價值，亟需開展基于以上三類數(shù)據(jù)的共享應(yīng)用研究。

2 數(shù)據(jù)共享模式

基于三維點云數(shù)據(jù)的已建站場三維建模方式在信息化平臺數(shù)據(jù)建設(shè)中應(yīng)用較為廣泛，主要包括四個步驟，分別是采集點云及照片、專業(yè)軟件建模、模型格式轉(zhuǎn)換、平臺加載應(yīng)用。常用的點云采集儀器有三維激光掃描儀和全站激光掃描儀等，照片一般用專業(yè)相機采集。點云成果導(dǎo)入3D Studio Max 軟件建立模型并導(dǎo)出為.X 格式文件，之后采用Skyline 的Make 插件把.X 文件轉(zhuǎn)換成XPL2 格式，再轉(zhuǎn)為3DML 格式，配置Fly 工程文件，在Skyline 平臺應(yīng)用三維模型。在整個建設(shè)過程中，除了最終形成的三維模型成果外，還有中間的點云成果可供后續(xù)應(yīng)用。

地面站場三維設(shè)計是近幾年逐漸在油氣行業(yè)設(shè)計系統(tǒng)流行的設(shè)計形式，其最終以三維（配管）模型為交付物，多以具有較強專業(yè)性的軟件開展建模（如PDMS、SP3D），注重模型細節(jié)，帶有屬性數(shù)據(jù)庫，但限于格式問題，目前屬性數(shù)據(jù)較難在其他系統(tǒng)共享應(yīng)用，可共享的主要是模型成果。中國石油A5 系統(tǒng)積累了油田地面工程相關(guān)業(yè)務(wù)的大量屬性數(shù)據(jù)，包括油、氣、水處理，陰極保護，電力等多種數(shù)據(jù)類型，歷史數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)并存，數(shù)據(jù)時效性強，內(nèi)容豐富，可以在滿足日常應(yīng)用的同時，應(yīng)用于工作范圍允許的其他方面。根據(jù)數(shù)據(jù)現(xiàn)狀分析情況和當(dāng)前需求，具備開展三維模型數(shù)據(jù)融合與共享應(yīng)用研究的基礎(chǔ)，且亟需開展此工作。

數(shù)據(jù)共享模式包括三個方面：①新建站場的三維設(shè)計成果轉(zhuǎn)換成地理信息平臺可以加載的三維模型格式，實現(xiàn)在線應(yīng)用；②已建站場的三維掃描點云中間成果向站場改造三維設(shè)計工作中的轉(zhuǎn)換共享，為老站場改造提供三維設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持；③當(dāng)前的存量屬性數(shù)據(jù)與三維模型成果的掛接共享，避免屬性數(shù)據(jù)的重復(fù)建庫、重復(fù)錄入，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值的最大化。同時，可以基于當(dāng)前模式新增屬性數(shù)據(jù)，根據(jù)需要與三維模型掛接（圖2）。

圖2 三維模型成果共享模式Fig.2 Sharing pattern of 3D model result

3 實現(xiàn)方式

（1）新建站場三維設(shè)計模型成果共享應(yīng)用。將新建站場三維設(shè)計模型成果（如PDMS 平臺格式）轉(zhuǎn)換為大慶油田當(dāng)前采用的Skyline 三維平臺可加載應(yīng)用的模型成果，主要采用以下技術(shù)步驟：①PDMS 模型導(dǎo)出為rvm 格式的數(shù)據(jù)；②打開rvm 數(shù)據(jù)，導(dǎo)出為fbx 格式文件；③用2012 版本以上的3dmax 軟件打開fbx 數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)為.X 格式文件，再轉(zhuǎn)成XPL2 格式，最后進入Skyline 地理信息平臺（A4）開展應(yīng)用。以上轉(zhuǎn)換工作，已經(jīng)在中小型站場數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換中獲得了預(yù)期效果（圖3），除了較為復(fù)雜的管道（線）模型基本相當(dāng)于點云成果水平之外，其他模型經(jīng)簡單處理即可加載到平臺使用。

圖3 三維設(shè)計PDMS 成果與三維模型之間的轉(zhuǎn)換效果圖Fig.3 Transition effect sketch between 3D design PDMS result and the normal 3D model

（2）已建站場三維掃描點云中間成果數(shù)據(jù)的共享應(yīng)用。已建站場改造三維設(shè)計過程中需要特定格式的點云數(shù)據(jù)成果，與大慶油田已建站場三維掃描獲取的點云格式不符，經(jīng)過本次研究篩選特定軟件轉(zhuǎn)換點云成果格式（圖4），轉(zhuǎn)換后的點云成果可以作為已建站場改擴建設(shè)計過程中的模型空間框架載體，應(yīng)用于改造設(shè)計工作中，從而實現(xiàn)了點云成果數(shù)據(jù)的共享應(yīng)用和數(shù)據(jù)價值延伸。

圖4 格式轉(zhuǎn)換后的點云效果圖Fig.4 Point cloud effect sketch after format conversion

（3）三維模型與屬性信息共享應(yīng)用。針對三維模型成果缺乏屬性數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀，開發(fā)屬性掛接軟件，用戶通過軟件界面輸入對應(yīng)的關(guān)聯(lián)ID，保存、提交、審核操作后，即可完成模型與屬性的自動掛接。基于工具軟件與中國石油A5 系統(tǒng)現(xiàn)有的屬性數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)、完成掛接工作，在模型應(yīng)用過程中自動獲取對應(yīng)屬性數(shù)據(jù)（圖5）。該模式重點解決已建站場三維掃描過程中產(chǎn)生的點云中間成果在老站場改造三維設(shè)計中的共享應(yīng)用，以及新建站場三維設(shè)計模型成果在信息化系統(tǒng)中的共享應(yīng)用，基本實現(xiàn)了預(yù)期的兩類模型數(shù)據(jù)的雙向轉(zhuǎn)換流動效果，增強了數(shù)據(jù)價值。現(xiàn)有屬性數(shù)據(jù)與三維模型的掛接工作，則通過提前設(shè)計數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵字段，開發(fā)軟件工具，已經(jīng)具備了全面開展屬性掛接的條件。

圖5 模型掛接屬性信息界面Fig.5 Information interface of model conjunction attribute

4 油田生產(chǎn)輔助領(lǐng)域的應(yīng)用

基于該模式開展模型數(shù)據(jù)共享應(yīng)用研究，實現(xiàn)了不同格式模型成果的轉(zhuǎn)換、現(xiàn)有屬性數(shù)據(jù)與模型的掛接等預(yù)期效果。轉(zhuǎn)換后的成果數(shù)據(jù)在三維展示系統(tǒng)平臺得到了應(yīng)用（圖6），在油田地面生產(chǎn)輔助領(lǐng)域發(fā)揮了如下作用。

（1）提升數(shù)據(jù)使用效率、延伸數(shù)據(jù)價值。新建站場三維設(shè)計成果作為數(shù)字化設(shè)計的成果，不但起到了指導(dǎo)現(xiàn)場施工的作用，轉(zhuǎn)換為Skyline 信息化平臺可加載的三維模型成果后，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的二次利用，可在信息化平臺繼續(xù)開展應(yīng)用。已建站場的點云掃描成果，可以轉(zhuǎn)換為老站場改造三維設(shè)計過程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，支撐老站場改造的三維設(shè)計工作。現(xiàn)有屬性數(shù)據(jù)成果與三維模型掛接后，可在三維平臺進行展示，實現(xiàn)三維模型和屬性數(shù)據(jù)的有效關(guān)聯(lián)。建成孿生數(shù)字站場的雛形，為下步開發(fā)應(yīng)用打下堅實基礎(chǔ)。

（2）提升管理效率。通過系統(tǒng)建設(shè)，實現(xiàn)了二三維聯(lián)動及站場三維模型的動靜態(tài)數(shù)據(jù)查詢、分析功能，實現(xiàn)了與中國石油A5 系統(tǒng)的屬性數(shù)據(jù)集成，將三維模型與站場詳情相關(guān)聯(lián)，充分發(fā)揮了三維模型成果在油氣田地面工程決策支持方面的能力。

5 結(jié)束語

本文提出了一種數(shù)據(jù)共享應(yīng)用模式，結(jié)合油田新建站場三維設(shè)計成果、已建站場三維掃描的點云成果，以及現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的屬性數(shù)據(jù)開展資源共享應(yīng)用實踐，數(shù)據(jù)融合及共享應(yīng)用效果符合預(yù)期，具備較好的生產(chǎn)實踐價值。為實現(xiàn)地面工程站場的智能化運維，還將開展以下工作：未來繼續(xù)緊跟虛擬現(xiàn)實發(fā)展前沿，結(jié)合油田生產(chǎn)輔助管理的需求，大力開展三維模型建設(shè)與應(yīng)用研究，有效提升數(shù)據(jù)共享應(yīng)用水平，增強三維模型在油田生產(chǎn)中的仿真模擬效果，增強生產(chǎn)管理的場景實效，切實提升油氣田地面站場相關(guān)業(yè)務(wù)的生產(chǎn)管理水平。在已建站場改造的三維設(shè)計方面，探索與BIM 模型結(jié)合開展設(shè)計的途徑和可行性。

圖6 三維站場二三維聯(lián)動應(yīng)用效果圖Fig.6 Application effect sketch of the 2D and 3D linkage for 3D station

下一步應(yīng)重點開展數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換效率提升的研究與實踐，提升數(shù)據(jù)共享效果，進一步擴展實現(xiàn)不同來源數(shù)據(jù)的融合與高效應(yīng)用，引領(lǐng)油氣田地面站場的三維模型建設(shè)與應(yīng)用，為油田信息化建設(shè)提供堅實支撐。