基于虚拟现实技术的油气田数字化工厂建设

中国石油集团工程有限责任公司西南分公司

基于虚拟现实技术的油气田数字化工厂建设

杜毅 宋光红中国石油集团工程有限责任公司西南分公司

基于虚拟现实技术，以全面、准确、实时的数字化信息为基础，以功能完善的一体化软件系统为手段，以综合研究、分析决策等勘探开发核心业务需求为主要目的来实现工程信息跨专业、跨部门共享。中心数据库作为油气田数字工厂的核心和基础，从业务流程梳理入手，进行数据库的概念模型设计，并且根据DBMS进行物理模型设计，确定数据存储方案，编写相关SQL脚本。采用了一个中心、二个体系、三大工程的总体技术思路，通过基础设施、数据资源和应用系统的建设，搭建符合油气田业务生产的三维数字工厂，实现油气田二、三维一体化，地面地上一体化以及统一认证、统一操作、统一数据模型、统一维护的目标。

虚拟现实；数字工厂；三维仿真；中心数据库；模块；管理

数字化工厂是以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个产品进行数字化仿真建模，对生产过程进行监控、评估和优化，实现工厂数据的可视化查询、业务系统的高效集成及生产自动化。结合国内外油气田三维数字工厂建设经验，采用一个中心、两个体系（标准体系和安全体系）、三大工程（基础设施工程、数据资源工程、应用系统工程）的总体框架[1]，进行符合油气田三维数字工厂基本要求的基础设施建设。

1基础设施建设

油气田三维数字工厂基于统一通信技术，在工厂建设统一的AD域、IP电话、一号通、RTX系统、视频会议系统等通信设施，提高工程内部与外部的沟通协调效率，为项目快速建设争取了时间。

对于网络安全，利用广域网加密和用户识别的端点准入控制，实现端到端的立体防护，保障生产数据的安全传输[2]。

采用了模块化机房技术、虚拟化服务器技术以及桌面云等前沿IT技术建设三维数字工厂数据中心；同时建设数据容灾备份中心，以实现数据异地容灾备份。

2数据资源建设

2.1 数据模型

基于EPDM和APDM的思想，构建油气田三维数字工厂数据模型，包括勘探开发全部专业，打通地上、地下数据，约定各专业数据逻辑结构和规范值，保证数据存储和管理统一，达到了一次录入、信息共享、数据一致的目标。数据模型分为14大类数据：基本实体、物探、钻井、录井、测井、试油试采、样品实验、地质油藏、井下作业、油气生产、采油气工艺、动态监测、地面建设、油气集输等。

2.2 中心数据库

2.2.1 建设思路

中心数据库作为油气田数字工厂的核心和基础，决定着油气田数字化工作的成败。为此，从业务流程梳理入手，结合数据模型，进行数据库的概念模型设计[3]，并且根据DBMS进行物理模型设计，确定数据存储方案，编写相关SQL脚本，建立中心数据库，具体建设思路如图1所示。

图1 数据库建设思路

首先由相关业务的专家进行业务流程和数据流程的梳理和规范，并把规范化的业务流程交给模型专家；其次，模型专家根据规范的业务流程和数据流程，结合EPDM模型设计中心库概念模型建立物理模型；最后通过SQL脚本和数据库建设数字工厂中心数据库。中心数据库应包括数据主库、生产管理数据库、专业数据库、项目数据库和专业软件集成平台5个部分。

专业数据库建设主要解决数据源问题，通过规范各专业数据库数据采集业务流程，实现数据采集的准确与及时，保证数据的一致性。同时通过专业数据库支持各二级单位的生产管理和生产监控。

生产管理数据库数据来源于各厂和专业数据库，主要包括生产管理动态类信息与决策支持类的信息，主要功能是为生产管理者、项目管理者、领导决策者提供数据服务。

项目数据库是针对特定的区域、地质构造和研究目标，为研究小组建立的工区数据库，项目数据库直接支持专业应用软件的数据存取，实现项目组内或项目组间的数据共享。

一体化专业软件集成平台主要解决数据与专业应用软件的集成问题，规范勘探开发研究的数据流程和工作流程，实现知识共享。

2.2.2 中心数据库建设

根据目前数据库管理软件发展趋势，管理软件可选择Oracle，地震等大块数据体管理软件可选择Land Mark公司的Petro Bank软件。

数据管理中心硬件包括数据主库服务器、数据迁移服务器、超大容量磁盘存储库、近线存储磁带库、数据加载服务器、备份服务器、备份磁带库和磁带机、打印机、绘图仪等。

中心数据库是气田数据资源管理的核心。完善中心数据库的模型和结构将会带动专业库和项目库的建设，同时也会给历史数据迁移提供解决思路。

3应用系统建设

3.1 二、三维一体化平台

二、三维一体化平台是基于地面和地下一体化三维场景构建的可视化集成平台，也是一个自定义工作平台，主要是对各个业务子系统进行功能集成，并能够根据不同的用户权限来配置相应的功能。平台与中心数据库相结合，实现各业务系统功能及数据的图形化、可视化、查询、定位和展示。平台具备友好的用户操作模型、准确的地理信息模型、丰富的标注及设备模型。能够直观展示地面、地下场景，方便查看地层、油井等信息[4]。

在集成应用方面，平台可实现如下功能：①直接用勘探开发生产系统中的数据，形成生产总况图、生产趋势线、生产日报等；②新建设备工单，审批工单流程，查看设备位置树、设备统计信息等；③通过专题图形式展示应急资源、风险源的分布情况，实现风险源快速定位、应急资源搜索以及相关资料的查询；④直观展示腐蚀监测点分布情况及详细信息等；⑤借助三维工艺流程动画，与二维工艺流程图进行对照查看设备实时运行参数，提高工作效率。

3.2 设备设施管理系统

设备设施管理系统开发了资产管理、工作管理、物料管理、采购管理等功能模块，与SAP系统、管控一体化系统、二三维平台、AD域、OA系统等相关系统集成。可实现设备三维模型查看、图像挂接、二维码识别、邮件提醒、腾讯消息提醒等功能；对油气处理装置、供水、供电设施、IT设备资产以及物资的全生命周期实现可视化管理，规范设备管理流程。

3.3 应急决策系统

对风险源、应急资源和抢维修措施进行统一管理，借助二、三维一体化平台进行应急辅助指挥，快速查找应急资源开展应急抢险工作，提高应急抢险能力。

（1）对风险源、应急资源、HSE相关数据和应急预案的统一管理。

（2）针对某个或某类危险源制定抢维修措施，根据危险类型和等级分配不同应急资源，在险情发生后进行应急抢修时进行实时调用。

（3）借助三维可视化方面的优势，制作了三维应急案例，将这些案例运用在日常培训中，缩减演练成本。

3.4 腐蚀监测系统

在三维场景中展示腐蚀监测点位置及腐蚀等级，生成腐蚀统计报表。对管道和设备的腐蚀状态进行实时监控，并进行科学分析和预测，为管理者提供全面清晰的概貌，实现天然气的安全经济开发。

（1）对油气田内的腐蚀监测点和监测数据进行管理，针对监测点数据的录入，提供手动录入和批量导入的功能。

（2）在现有数据的基础上提高报表分析的功能，对腐蚀信息进行统计。

（3）结合可视化功能，展示腐蚀监测点的分布情况，并可以对检测点进行定位查找，对腐蚀情况进行分析展示。

3.5 勘探开发生产管理系统

勘探开发生产管理系统集成生产运行、调度指挥、辅助决策于一体，与已建的中心数据库系统，二、三维一体化平台建立接口[5]，汇总展示生产数据。

（1）采气工程信息系统。系统与中心数据库之间的生产数据相互调用，并提供丰富的数据统计、工艺、措施分析等，在系统进入辅助决策、分析指导阶段前，做大量的基础数据准备工作，为辅助生产、指导生产、降本增效提供数据支持和科学依据。

（2）产能建设信息系统。系统将产能建设方案数据分解到每个月以及平均到每天，并及时跟踪气藏开发过程，跟踪各气井的动态特征，保证气藏开发方案的实施。

（3）生产运行辅助决策系统。系统通过图形界面，直观地反映油气田各个方面的业务开展情况和生产运行情况，让生产管理人员及时掌握公司生产运行状态，为科学决策提供依据。

3.6 管控一体化系统

系统通过OPC Server发布实时数据，被授权的用户可以在办公网络中查看现场实时生产情况、设备运行参数及历史曲线图，为其他系统提供数据服务。

（1）通过OPC接口，从生产控制系统中获取现场实时数据，对转存在实时数据库中的生产运行数据和设备运行参数，以图形化、可视化的方式展示。

（2）集成设备设施管理系统和二、三维一体化平台，在流程图上直接调用设备详细信息和三维模型，并基于实时数据库为油气田的其它系统提供数据服务。

（3）对生产过程中的缓蚀剂加注、化验室工作项目、日常培训及生产报表进行维护管理。

3.7 视频监控集成系统

基于二、三维一体化平台，对厂区的工业视频监控系统、视频会议系统进行集成，实现快速访问，统一监控，借助视频系统为气田的安全稳定运行提供辅助决策。

（1）办公区监控视频。可对摄像头进行定位、查看，监控视频可以全屏显示并能操控摄像头云台。

（2）个人视频。个人视频主要实现多人会议，管理人员可方便地邀请在线用户参加视频会议。

（3）单兵视频。在二、三维场景中显示单兵视频设备所在位置，分区域展示出所有单兵设备，并可以查看单兵设备信息、邀请加入视频会议。

3.8 运行维护管理系统

作为数字化工厂系统的运维平台，系统提供全方位的运行维护管理服务。

（1）为整个数字工厂提供了统一认证、统一授权的服务。

（2）提供服务台的功能，用户可以将使用过程的问题反馈到运维系统，运维人员收到用户反馈情况后进行跟踪处理。

（3）提供实用性的运维工具，包括数据加密工具、翻译工具、特殊数据处理和更新工具等。

（4）提供系统运行情况的监测工具，比如服务器内存使用情况监测、服务器负载监测、数据库连接监测等。

4应用效果

基于虚拟现实技术的数字化工厂通过与中心数据库的数据共享，与各业务系统集成，实现了油气田二、三维一体化，地面地上一体化以及统一认证、统一操作、统一数据模型、统一维护的目标。

（1）通过对网络和硬件的升级改造，提高了通讯质量及信息安全性。服务器虚拟化技术，节约了物理服务器和电能，大大降低维护成本。

（2）中心数据库和各业务系统高度集成，达到了统一身份认证、统一授权管理，减少数据应用出错率及提高工作效率的目标。

（3）设备装配、工艺流程模拟及应急演练的可视化，在原有基础上大大提高了培训的效果和质量，节约了培训开支。

（4）对设备设施腐蚀数据和危险源监控，评估腐蚀情况及危险等级，可有效降低事故发生率和人员伤亡风险。

（5）对生产作业区的远程监控，实时掌握现场周边环境及生产情况，降低了巡井成本，能保障设备安全、稳定运行。

[1]刘卫国．现代化、信息化、数字化、智能化及其相互关系[J]．中国铁路，2011，（1）：83-86．

[2]刘兵，余忠仁，杨茂．数字气田建设总体规划及实施[J]．天然气与石油，2010，28（3）：10-14．

[3]施宇锋，徐宁．数字化工厂及其实现技术综述[J]．可编程控制器与工厂自动化，2011（11）：37-39．

[4]杜毅，杜通林，白俊波．基于二三维GIS技术构建数字气田协同业务平台[J]．天然气与石油，2013，31（6）：1-3．

[5]任晓峰，首晓洁，吴宝祥，等．苏里格气田井站数字化建设的标准化[J].油气田地面工程，2013，32（12）：69-70.

（栏目主持 李艳秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.8.004

杜毅：高级工程师，毕业于武汉测绘学院，目前从事测量及技术管理工作。

13908077938、243170376@qq.com

2015-06-02

基金论文：PDMS软件二次开发与数字化平台搭建（JCF-2013-28）。