油田企业安全生产三维数字化系统研究与应用

赵忠军，王 春，范亚苹

(1.中国石化中原油田分公司采油一厂，河南濮阳 4575712.中国石化安全工程研究院，山东青岛 266071)

油田企业安全生产三维数字化系统研究与应用

赵忠军1，王 春2，范亚苹2

(1.中国石化中原油田分公司采油一厂，河南濮阳4575712.中国石化安全工程研究院，山东青岛266071)

运用虚拟现实和三维数字化技术对油田企业操作仿真、管网三维管理和消防桌面推演进行可视化开发，阐述了基于交互的可视化操作培训和管线可视化管理，研究了基于灾害场景和应急预案的桌面虚拟演练系统，系统能够有效提升油田企业的安全生产和管理水平。

三维数字化 油田企业 操作仿真 管线可视化 桌面演练

随着油田开采难度的不断增大，油田开发过程中的各种作业工艺越来越复杂，安全生产问题日益突出。安全生产成为油田企业提升市场竞争力的关键要素之一[1]。如何提高油田企业安全生产水平，消除油田安全生产过程中存在的盲区，已成为关系我国石油工业可持续发展的主要问题[2]。虚拟现实、三维数字化、云平台等信息技术的飞速发展为油田企业安全生产带来一系列革命性的变化。由于虚拟现实及三维数字化技术的种种优势，国内外很多企业、科研院所都展开了这方面的研究[3]。谢伦贝谢公司创建了一体化系统可视化平台；埃克森美孚创建了虚拟钻井中心，壳牌公司建立了实时作业中心(RTOC)，挪威国家石油公司实现了全业务管理的数字化[4]。清华大学的任爱珠等人[5]研究了利用虚拟现实技术模拟油田火灾事故下人员疏散情况等。

本文基于虚拟现实技术(Virtual Reality, VR)和网络协同技术，结合油田企业安全生产的实际需求，从油田作业操作仿真培训，管网三维可视化管理，协同虚拟演练等不同方面开发基于三维技术的数字化系统，为企业的安全生产提供技术支撑。

1 安全生产三维数字化系统

1.1 系统体系结构

在架构设计层面，根据数据、引擎、业务分离的原则，为了保持各个子系统的整体性和兼容性，将共享统一的数据标准和渲染引擎作为底层，根据最终业务需求的不同在上层表现出一定的差异。将系统的架构分为4层：数据层、核心引擎层、应用层和表现层，如图1所示。

数据层是整个系统的基础，基于SQL Server数据库进行管理，主要包括设备/管线三维模型，操作培训课件，典型事故数值模拟数据，应急预案及现场处置方案和设备的属性数据。整个数据层基于数据库进行了数据表单的设计，索引机制建立，属性关联设置等，统一管理支持三维场景数据的高效渲染与调度。

核心引擎层位于数据层之上，3个子系统基于统一的核心引擎。核心引擎是为系统提供数据交互、三维渲染、渲染控制、数据库操作及GIS分析等核心服务，是整个系统的中枢。虚拟现实系统的最重要的一个核心就是三维渲染引擎，本系统使用可视化交互式编辑渲染引擎，提供了三维模型渲染和其它三维渲染与可视化接口，方便业务层的调用；数据管理是本系统的重要内容，为业务层提供了数据访问接口。

业务应用层在核心引擎层之上，组成各个子平台的各个功能模块。

表现层在业务层之上，处于层次的顶端，是用户交互层。通过业务应用层功能模块的封装，即搭建起不同的子平台，供用户使用。

1.2 系统开发关键技术

1.2.1实例(Instance)技术

在虚拟现实场景的制作中，往往有大量几何形状相同但其位置、大小、方向不一样的物体存在。相同的物体只在内存中存放一份实例，将这份实例进行平移、旋转、缩放之后得到所有相同结构的物体，从而大大节约了内存空间。采用内存实例的主要目标是节省内存，内存占用少，显示速度会加快，计算机的内存对大规模场景来说相对缺乏，因而，实例技术在大规模场景的建造中有着十分广泛的应用。

1.2.2纹理映射(Texture mapping)技术

利用纹理映射，可以以很低的代价来生成复杂的视觉效果。纹理映射是把二维的图像位图上的像素值映射到三维实体模型的对应顶点上，以增强实体模型的真实感。它本质上是一个二维纹理平面到三维景物表面的映射。从数学的观点来看，映射可以用下式描述：(u,v)=F(x,y,z)，其中(u,v)、(x,y,z)分别是纹理空间和物体空间的点。例如：将一纹理映射到一高为h，半径为r的圆柱面，可用下面的参数形式表达：x=rcosθ，y=rsinθ，z=hФ，其中0≤θ≤2π，0≤Ф≤1。通过下列线性变换将纹理空间[0,1]×[0,1]与参数空间[0,2π]×[0,1]等同：u=θ/2π，v=Ф，如此就得到了从物体空间到纹理空间的纹理表达式。

1.2.3PHP的动态网络技术

PHP(Hypertext Preprocessor)的数据库支持能力十分强大，能够支持十几种主流与非主流的数据库。PHP能够针对不同的数据库系统提供相似的函数来增加使用的方便性，而且采用面向对象的思想进行程序的开发，提供了类和对象，引入了对象重载、引用技术等，具有设计良好的面向对象特性。

1.2.4基于ActiveX的Unity3D场景网络嵌入技术

ActiveX主要核心是提供进一步的网络应用与用户交互，ActiveX控件的独特之处在于它的可编程和可重复使用性，ActiveX控件需承载于ActiveX控件容器中，容器是控件的载体，他们之间的通信通过COM协议实现。Unity3D是使用ActiveX控件将场景嵌入在网页中，Unity Web Player是一款浏览器运行Unity3D引擎发布的场景的插件，插件已集成ActiveX控件。Web Player拥有ActiveX控件提供的SendMessage()函数，用于从网络上调用Web Player内部的内容函数，实现网页与Unity3D的沟通。

2 系统设计与实现

2.1 操作仿真培训子系统

操作仿真子系统包括联合站安全操作、注聚站安全操作、塔装井口操作以及塔抽油杆桥操作培训4部分内容，功能划分包括教材培训、仿真操作、场景漫游以及其他辅助功能。其中教材培训主要功能是向用户提供正确操作流程的虚拟演示，供用户学习使用；仿真操作模块为用户提供了交互操作的功能，用户可以通过鼠标、键盘按照正确的工作流程对场景中的相应部件进行操作，用户可以任意、反复地进行操作训练；场景漫游能够为用户提供在三维场景中浏览的基本功能；其他辅助功能主要用于用户学习和操作的进度控制。

2.2 管线三维可视化管理子系统

基于三维可视化技术的油田管线管理子系统是科学管理油田管网的重要手段，它以准确的数据资料和直观的三维方式展现给用户，并通过三维到属性、属性到三维的双向检索和查询，为管理和设计者提供全方位信息，并通过对检测数据和空间数据的一体化动态管理，根据前后两次检测数据进行分析，提前预测事故区域和性质，提前采取措施，避免事故发生。管线三维可视化子系统能够实现地上、地下管网的空间分布，空间量算，空间查询，缓冲区分析，剖面分析，故障分析等功能。

2.3 消防桌面虚拟演练子系统

消防桌面虚拟演练子系统通过油田灾害场仿真模型，运用多Agent建模与仿真技术，建立一个灾害复杂系统为虚拟推演提供仿真场景，运用灾害复杂网络和数值模拟技术模拟油田灾害动态演化与传播方法，对企业可能发生事故进行了模拟研究，分析周边不同环境形成的不同气云和不同的点火源位置，以及风向、风速等因素影响下可能发生的火灾、爆炸过程及后果，给出了不同情况下事故的影响范围；并根据不同模拟分析结果，给出了应急救援的参考意见。图2为不同时间情况下原油火灾数值模拟结果。针对应急救援演练控制的复杂性和难以量化问题，为实现虚拟演练的有效控制，设计了演练过程控制流程和基于知识综合测度方法形成的控制流程。

3 结语

油田企业安全生产三维数字化系统基于虚拟现实、三维数字化等信息技术，结合油田企业安全生产的实际需求，以逼真的表现形式，友好的操作界面，为用户提供了形象生动的学习、培训和管理环境，同时提供日常操作和事故处置演练功能，在不影响设备安全和人员安全的前提下，模拟各种操作和事故处置方法，加强操作人员的安全意识。该系统的研发能够有效提升油田企业安全生产管理水平，也为油田企业的数字化和智能化推进做出了一定贡献。

[1] 张宇. 信息环境下智能油田的构建[J]. 油气田地面工程, 2015,34(9):17-18.

[2] 王芳芳. 虚拟现实技术在石油勘探中的应用[J]. 化工管理, 2015,12(3):162-163.

[3] 蒋国民. 石化企业数字化消防应急演练系统研究[J]. 安全、健康和环境, 2011,11(08):1-4.

[4] 刘宝军. 智能油田建设构想 [J]. 胜利油田党校学报, 2015, 28(6): 99-100.

[5] Aizhu Ren, Chi Chen, Yuan Luo. Simulation of Emergency Evacuation in Virtual Reality [J]. Tsinghua Science & Technology, 2008, 13(5):674-680.

ResearchandApplicationof3DDigitalSystemforProductionSafetyofOilFieldEnterprises

Zhao Zhongjun1, Wang Chun2, Fan Yaping2

(1.SINOPEC Zhongyuan Oil Field The First Oil Extraction Plant, Henan, Puyang，457571 2.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao，266071)

This paper uses virtual reality and three-dimensional digital technology for oil companies operating simulation, network dimensional management and fire tabletop exercise conducted visual development, elaborates interactive management based on visualization training and pipeline visualization, studies disaster scenarios and contingency plans for desktop-based virtual training system which can effectively enhance safe production and management of oil field enterprises.

three-dimensional digital technology; oil field enterprises; operating simulation; pipeline visualization; desktop-based exercise

2016-03-16

赵忠军，工程师，2015年毕业于中国石油大学(华东)安全工程专业，现主要从事油田企业安全监督检查和应急管理工作。