三維看板系統在數字化油氣田的應用研究

王傳平 馮學章 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

我國進入21 世紀以后，經濟取得了飛躍性的發展，石油、石化、化工等工業的發展水平也取得了突飛猛進的進步[1]。各種智能設備的出現，使得自動化技術、通信網絡技術、物聯網技術在石油行業取得了成功的應用，提高了油田地面建設工程的生產管理水平[2]。

油氣田站場施工涉及土建、工藝、電儀等多個專業，工程管理及協同工作交叉較多[3]，傳統的施工管理模式存在各專業溝通銜接不暢、施工進度安排不合理、信息不能及時共享、信息傳遞過程中缺失嚴重、難以實現成本全過程管理等問題，站場運維需要龐大數據的可視化、人員成本限制、安全和能耗問題的預警與控制。因此，高效解決多專業對接難、多方協調效率低等問題是油氣田站場施工管理的關鍵。

PIM 技術目前在中國正處在蓬勃發展的階段，在投融資、設計及施工階段都有大量應用。基于“可視化+”技術的三維看板系統能夠高效解決各類安全及能耗相關問題，通過數據采集、熱區分布、報警定位、系統結構展示等方式提供全面精細的PIM 運維管理，實時監控環境品質，有效提高能源的利用效率，節約成本。其數據采集能力、數據處理能力、圖形展示能力、3D 模型處理能力在國內外行業內均為領先水平。

1 三維看板系統的實現

三維看板系統具有強大的數據采集能力、數據處理能力、圖形展示能力、3D 模型處理能力。系統可通過三維模型展示各類型的業務數據，如：通過數字化移交獲得的設備屬性圖紙及文檔資料，項目建設過程中的建設計劃、建設實際進度、建設安全質量問題數據，視頻監控流、設備維保信息、DCS 實時數據、系統業務數據、預警報警系統報警數據、工單數據、能耗數據等。系統采用C/S 硬件架構，是由物聯網傳感器、三維可視化平臺、3D模型、大屏可視化構件組成的用于PIM 運維的數據可視化平臺[4]。

1.1 硬件架構

系統采用C/S 架構（圖1），設有Base 服務器、采集工作站，通過使用工作站連接服務器查看可視化界面。系統后臺服務器集群部署，通過Nginx 做代理轉發，同時Nginx 作為Web 靜態資源服務器，當前端壓力大時，可以將Web 服務器從Nginx 服務器中剝離出來，集群部署。緩存服務器使用Redis，數據庫服務器使用關系數據庫，支持Mysql 和Oracle 數據庫。文件服務器可以單獨部署，后期方便擴展。

1.2 軟件架構

采用eZWalker 作為底層三維輕量化引擎，通過基本體復用、三角面片裁剪、按需加載等多種技術手段來實現模型的輕量化，能夠以較低的硬件環境支撐龐大的三維模型進行高效的三維可視化管理對接，軟件架構見圖2。

圖1 C/S 方案架構圖Fig.1 C/S scheme architecture chart

圖2 軟件架構圖Fig.2 Software architecture chart

1.3 三維看板系統實現的功能

（1）智能場景展示。三維看板系統需將PIM 運維中需要重點關注的數據以數據面板、動態三維標牌等方式動態展示，實時觀察設備運行參數、關聯數據、關聯屬性、基本設計屬性等多種參數。能選取PIM 模型中的任意空間單獨查看其詳細的結構情況，具體到每個空間的每個元素的基本信息和實時狀態都以“標識牌”形式簡單直觀地呈現出來，使用戶隨時感受“上帝視角”的全面與清晰。三維看板系統還提供了系統結構單獨展示功能，可以直觀地查看三維模型內的任意系統或結構，從而更加快速準確地定位問題解決問題（圖3）。

（2）虛擬環境巡檢。三維看板系統能實現虛擬環境巡檢功能，可使用阿凡達模擬巡檢人員在三維模型內模擬真實的路線行走進行巡檢（圖4）：①查看系統內的任意監控視頻，節約人力成本的情況下做到對每個角落及時監控；②查看設備標識牌上的設備工作狀態或能耗信息，保障對所有能耗和安全情況及時掌握；③查看任意設備基本參數的同時可切換標簽查看對應設備的維保歷史記錄。

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

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

（3）多樣化數據面板。相比于傳統圖表形式的數據展示，三維看板系統能將數據用更生動的形式將用戶所需的各類數據進行簡單直觀的分類展示：系統可將項目建造階段中需要重點關注的數據以儀表盤、餅圖、柱狀圖、雷達圖、甘特圖等多種方式動態展示（圖5），實時觀察采購情況、現場安全及質量等數據。

（4）場景定位。三維看板系統提供各類三維場景自定義一鍵導航，通過對各類重要場景取景形成定位列表，在項目各個階段，可隨時通過鼠標操作點擊不同空間結構，進行關鍵部位一鍵定位查看，實現可視化場景導航功能（圖6）。

圖5 三維看板中的多樣化數據面板Fig.5 Diversified data panel in 3D kanban

（5）三維數據實時查看。用戶通過三維場景對模型對象進行選擇，隨時查看三維對象關聯的二維圖紙等數據（圖7）。

（6）報警定位。三維看板系統獲取DCS 等控制系統實時數據后可進行實時監控報警，當實時參數超過上下閾值時，數據異常設備將顯示在界面上方，點擊定位按鈕后可快速定位到故障點，縮短維修時間，為工廠設備安全運行保駕護航（圖8）。

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

圖7 三維模型實時數據查看Fig.7 3D model real-time data viewing

圖8 報警定位Fig.8 Alarming positioning

（7）監控系統集成應用。三維看板系統與監控系統集成后形成監控設備列表，可實現對各個監控設備狀態進行實時監控、監控設備在三維場景下一鍵導航、監控畫面實時觀看等，實現了“單點控面”的智慧化管理。

（8）門禁系統集成應用。三維看板系統與門禁系統集成，形成門禁數據查詢面板和實時顯示面板，通過三維看板的可視化管理，對項目所有進出人員、車輛等進行實時監控，支持歷史數據高級檢索查詢，形成可視化的“封閉式”管理。

（9）4D 應用。系統具有4D 模擬應用模塊，采用三維可視化技術將三維模型與進度數據相結合。以可視化的效果動態展示項目進展情況，并將計劃進度與實際進度進行比較，為用戶提供更直觀的狀態信息，達到了可視化進度管控（圖9）。

（10）焊接進度可視化。三維看板系統通過獲取施工單位焊接記錄表中的焊接數據，與三維場景中的焊口模型相關聯，當現場某個焊口焊接完畢后，在三維看板中點擊焊口狀態，焊口模型根據焊接完成狀態變色，現場焊接情況一目了然，對現場焊接進度實現可視化管理，有效掌握現場焊接進度（圖10）。

（11）第三方數據對接。三維看板系統能與其他各物管系統、資產管理系統等多系統對接，作為PIM 的數據平臺完美展示數據和狀態：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，關聯WBS 項目進度計劃數據，實現模型中的構件與計劃軟件（P6 或PROJECT）中的WBS 進度信息相關聯[5]，利用模型展示實際的施工建造過程，直觀查看項目計劃及進度，并可以進行進度模擬等操作展示。

（12）三維看板系統二次開發體系。可在系統提供的基本框架下自行開發相應的構件來滿足不同業務場景所需的個性化可視效果，二次開發體系包括前端三維交互UI 擴展接口API、數據采集接口協議、數據訂閱協議、監控報警規則擴展接口，用戶可依據二次開發體系完成各種設想中的功能擴充。

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

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

2 應用效果

新疆油田某項目部署了三維看板系統，實現了項目三維模型實時查看、二三維數據關聯、現場視頻監控集成應用、門禁系統集成應用、4D 進度模擬應用等功能。

三維看板系統可視化的集成應用，在數字化油田管理中得到了顯著的效果[6]：

（1）實現了數字化油氣田在“三維可視化”下的多場景展示與應用。

（2）實現了項目數據共享、信息集中管理等智慧化管控，解決了“信息孤島”問題。

（3）通過集成現場門禁系統、視頻監控系統，從“多個窗口看項目”到“一屏控全廠”，實現了項目“封閉式”監控，提高了項目過程的可控性、安全性。

（4）系統通過智能巡檢有效提升了項目的質量安全。對于危險區域等人工無法到達區域，可從源頭上避免風險，對項目整體安全起到了實質性的作用。

（5）通過三維模型與進度數據關聯，將數字油田的設計三維模型與工程進度計劃結合，實現了4D 應用，使傳統的進度管理變為可視化的四維應用，提高了項目的進度管控水平和信息直觀展示效果，為領導決策指揮提供了幫助，促進了數字化油氣田的建設。

3 結束語

三維看板系統在油氣田數據采集、遠程監測、進度管理，以及地面全面信息化等領域具有非常廣闊的應用前景。系統不僅可以實現跨地域跨公司數據協同展示，緊密連接生產的各個環節，還可以實現油氣田業務與技術的整合，進一步優化油氣田生產經營管理，拓寬油田勘探開發業務。

基于數字化油氣田，運用物聯網技術構建可視化看板系統，是油氣田信息化建設的必要途徑。隨著油氣田勘探開發的進一步深入、信息采集與智能計算技術的迅速發展、互聯網與移動通信網的廣泛應用，以及與傳感網結合的不斷深入，油氣田大規模運用物聯網的時機日趨成熟。利用虛擬現實技術對數據實現可視化和多維表達，并通過智能化分析模型，可為企業的經營管理提供良好的信息支撐環境，最終形成規范、統一、安全、高效的全新現代化生產經營綜合數據管理應用展示平臺。