虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)助推油氣田數(shù)字化工廠建設(shè)

王喆

（中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司，山東東營257026）

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)作為一種科技成果，被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、醫(yī)學(xué)、信息行業(yè)等眾多領(lǐng)域。依靠先進(jìn)的仿真技術(shù)，VR 可以為受眾提供逼真的三維可視化、可觸化體驗(yàn)。目前，國內(nèi)油氣田領(lǐng)域正在進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，眾多新建工廠和改造站場均按照數(shù)字化工廠模式進(jìn)行建設(shè)。區(qū)別于傳統(tǒng)建設(shè)模式，數(shù)字化工廠在建設(shè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。如何利用這些數(shù)據(jù)，并將其呈現(xiàn)給建設(shè)階段使用者使用，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)解決的主要問題。

1 數(shù)字化工廠特點(diǎn)

數(shù)字化工廠是隨著數(shù)字仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展而來的，它通過對真實(shí)工業(yè)生產(chǎn)的虛擬規(guī)劃、仿真優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對工廠產(chǎn)品研發(fā)、制造生產(chǎn)和服務(wù)的優(yōu)化和提升，是現(xiàn)代工業(yè)化與信息化融合的應(yīng)用體現(xiàn)[1]，見圖1。

圖1 實(shí)際工廠與數(shù)字工廠對比圖

數(shù)字化工廠作為油氣田開發(fā)領(lǐng)域智能制造的標(biāo)志，其涵蓋意義不僅僅是實(shí)體的工廠建設(shè)完工，更是工程建設(shè)數(shù)據(jù)的集成。建成后的數(shù)字化工廠具備以下幾大功能：工廠生產(chǎn)經(jīng)營模型和大數(shù)據(jù)管理、全生命周期預(yù)知預(yù)防的設(shè)備管理、生產(chǎn)流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和協(xié)調(diào)、工廠實(shí)時(shí)仿真和各類場景培訓(xùn)。相比傳統(tǒng)工廠模式，數(shù)字化工廠具有以下特點(diǎn)。

1.1 數(shù)據(jù)化

所有工廠內(nèi)的設(shè)備、管道等基礎(chǔ)設(shè)施，除了實(shí)體表向外，均包含數(shù)據(jù)支撐。通過在設(shè)計(jì)和施工階段的數(shù)字化移交，提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；投入運(yùn)行后，結(jié)合運(yùn)維階段的各類參數(shù)變化，進(jìn)行數(shù)據(jù)資源整合，最終實(shí)現(xiàn)全生命周期的數(shù)據(jù)管理。因此，數(shù)據(jù)化是數(shù)字化工廠實(shí)現(xiàn)的根基。

1.2 集成化

工廠在形成數(shù)據(jù)倉儲(chǔ)后，存在著大量獨(dú)立數(shù)據(jù)。為了便于管理，需要對各個(gè)相對獨(dú)立的部分進(jìn)行系統(tǒng)整合，這就是集成融合的過程。數(shù)據(jù)只有進(jìn)行過集成化處理，才能使工廠數(shù)據(jù)得到充分的利用。因此，集成化是數(shù)字化工廠形成的必經(jīng)之路。

1.3 可視化

可視化主要解決了人機(jī)工程學(xué)領(lǐng)域中的人機(jī)界面問題，通過創(chuàng)建易于觀察的操作界面，使得工廠底層數(shù)據(jù)能夠反饋給需求者。另外借助虛擬可視化技術(shù)，數(shù)字化工廠可以開展各類模擬，滿足安全生產(chǎn)需要，提高數(shù)字化工廠利用率。

1.4 智能化

智能化作為數(shù)字化工廠的終極目標(biāo)，主要表現(xiàn)形式為：基于整合完成的數(shù)據(jù)化資源，操作人員借助可視化媒介對工廠進(jìn)行智能控制；通過建立上下游邏輯關(guān)系，借助站控系統(tǒng)的支持，整個(gè)工廠實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程智能控制，達(dá)到無人值守要求。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用研究

利用強(qiáng)大的三維處理引擎和格式轉(zhuǎn)換軟件，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維中產(chǎn)生或者需要的各類數(shù)據(jù)文件進(jìn)行統(tǒng)一處理，為相關(guān)用戶提供可視化終端服務(wù)體驗(yàn)。在數(shù)字化工廠的生命周期內(nèi)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)穿插其中，主要表現(xiàn)形式如下。

2.1 設(shè)計(jì)階段

設(shè)計(jì)階段作為整個(gè)數(shù)字化工廠建設(shè)期的起步階段，主要工作就是創(chuàng)建可視化工廠模型，并在完成基礎(chǔ)參數(shù)錄入工作后移交業(yè)主管理平臺(tái)。經(jīng)總結(jié)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在該階段主要用途包括：已建工廠數(shù)據(jù)復(fù)原、三維模型協(xié)同校審及數(shù)字工廠移交等。

2.1.1 工廠數(shù)據(jù)復(fù)原

其中工廠數(shù)據(jù)復(fù)原主要是通過三維測量工具，實(shí)現(xiàn)已建站場的三維建模復(fù)原。其技術(shù)手段為利用掃描三維點(diǎn)云形成現(xiàn)場真實(shí)模型，完成格式轉(zhuǎn)換后導(dǎo)入三維設(shè)計(jì)軟件內(nèi)，提供最真實(shí)準(zhǔn)確的參考，見圖2。

圖2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維設(shè)計(jì)模型效果圖

2.1.2 三維協(xié)同校審

三維協(xié)同校審是在設(shè)計(jì)周期內(nèi)，用于設(shè)計(jì)方檢查設(shè)計(jì)成果的一種手段。利用虛擬設(shè)備的多人協(xié)同功能，校審人員可以身臨其境地審查，并在模型內(nèi)直接保留校審信息，提高校審效率和準(zhǔn)確性。

2.1.3 數(shù)字工廠移交

設(shè)計(jì)方采用的三維工廠與運(yùn)營方進(jìn)行管理的可視化工廠并不相同，為了實(shí)現(xiàn)最終的工廠移交，需要利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)提供的數(shù)字工廠做媒介。工廠支持EPC 多源格式加載，解決總承包項(xiàng)目中多方設(shè)計(jì)采用不同軟件，無法進(jìn)行打包交付的問題。

2.2 施工階段

施工作為工廠全生命周期內(nèi)的實(shí)施環(huán)節(jié)，其質(zhì)量高低、進(jìn)度快慢，對于整個(gè)工程的整體效益會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。施工階段也分為：施工設(shè)計(jì)、施工培訓(xùn)和施工實(shí)施三個(gè)步驟。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其逼真的可視性和便捷的可操作性，在施工階段發(fā)揮重要作用。

2.2.1 施工設(shè)計(jì)

以往，施工設(shè)計(jì)（加工設(shè)計(jì)）中施工人員在拿到設(shè)計(jì)提供的圖紙后，需要進(jìn)行二次建模，從而進(jìn)行施工組織合理性分析。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持下，施工設(shè)計(jì)人員可以利用VR 對工料的虛擬原型進(jìn)行幾何、結(jié)構(gòu)、功能、制造等方面的交互建模與分析[2]。既減少了重復(fù)建模時(shí)間，也提高了工作效率。

2.2.2 施工培訓(xùn)

采用可視化施工培訓(xùn)可以減少對場地和環(huán)境的要求，施工人員可以借助體感設(shè)備進(jìn)行模擬演練。特別是針對吊裝作業(yè)等涉及高危作業(yè)領(lǐng)域，采用虛擬場景進(jìn)行培訓(xùn)，可以更加安全地規(guī)范作業(yè)流程，起到防微杜漸的作用。

2.2.3 施工實(shí)施

施工實(shí)施過程中施工管理人員可以針對施工進(jìn)度、施工質(zhì)量等形成可視化圖形報(bào)表，管理人員可以較為方便的安排施工周期；施工作業(yè)者則可以對照虛擬施工模型，按需對負(fù)責(zé)部分進(jìn)行虛擬安裝核實(shí)，保證施工質(zhì)量。

2.3 運(yùn)維階段

工廠在完成數(shù)字化移交后就進(jìn)入了運(yùn)行階段，此時(shí)需要運(yùn)營方考慮的不僅僅是靜態(tài)的參數(shù)，與生產(chǎn)參數(shù)相關(guān)的動(dòng)態(tài)參數(shù)和各種運(yùn)行需求成為重點(diǎn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其高度還原性、可擴(kuò)展性，融合站場管理平臺(tái)和智能站控系統(tǒng)，帶來了工廠管理模式的變革。主要體現(xiàn)在生產(chǎn)動(dòng)態(tài)模擬、設(shè)備數(shù)字化管理、虛擬操作培訓(xùn)等方面。

2.3.1 生產(chǎn)動(dòng)態(tài)模擬

生產(chǎn)動(dòng)態(tài)模擬是以工廠生產(chǎn)調(diào)度指揮中心數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，虛擬三維站場模型為載體，實(shí)現(xiàn)虛擬運(yùn)行參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的動(dòng)態(tài)模擬仿真。其主要實(shí)現(xiàn)方式是建立參數(shù)關(guān)聯(lián)，將原設(shè)計(jì)的靜態(tài)參數(shù)與生產(chǎn)過程中的動(dòng)態(tài)參數(shù)利用工藝計(jì)算模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)。管理方可以將模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，從而進(jìn)行產(chǎn)量預(yù)測和計(jì)劃調(diào)度調(diào)整。

2.3.2 設(shè)備數(shù)字化管理

設(shè)備數(shù)字化管理是指通過建立設(shè)備數(shù)字臺(tái)賬，將現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀況、維護(hù)時(shí)間等數(shù)據(jù)引入虛擬化工廠內(nèi)。數(shù)字化工廠在整合現(xiàn)場數(shù)據(jù)資源后，借助同類設(shè)備大數(shù)據(jù)資源可以模擬出設(shè)備的可靠性曲線，從而開展設(shè)備故障預(yù)測分析，對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行智能監(jiān)測。

2.3.3 虛擬操作培訓(xùn)

虛擬操作培訓(xùn)主要解決了環(huán)境和安全因素對人員培訓(xùn)的制約。在虛擬工廠內(nèi)，培訓(xùn)人員既可以進(jìn)行常規(guī)地虛擬裝配模擬、維修方案模擬，也可以加入事故工況下的應(yīng)急演練模擬。對于油氣田場站這種高危場所，這是非常有利的。

3 結(jié)語

根據(jù)中國工程院規(guī)劃的《中國制造2025》，中國工業(yè)發(fā)展正在通過信息技術(shù)和制造技術(shù)及工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)相互融合，用精益管理取代粗放管理，由生產(chǎn)低端產(chǎn)品向制造高端裝備過渡。對石油石化行業(yè)來說，工業(yè)改革相應(yīng)帶來的是建設(shè)成本增加，建設(shè)周期緊張。但是從長遠(yuǎn)角度來看，數(shù)字化和智能化是未來社會(huì)進(jìn)步的方向，也是工業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。利用日新月異的虛擬化技術(shù)，石油石化行業(yè)可以加快數(shù)字化與智能化融合腳步，進(jìn)一步提升產(chǎn)業(yè)價(jià)值，并逐步實(shí)現(xiàn)“數(shù)字化工廠、智能化油田”的最終目標(biāo)。