三维可视化技术在普光气田的研究与应用

雷金晶

中原油田普光分公司,　四川　达州　635000



三维可视化技术在普光气田的研究与应用

雷金晶

中原油田普光分公司,四川达州635000

摘要：为实现气田生产管理可视化,需将三维可视化技术与气田开发、集输、净化、设备、安全、经营等业务深度结合。本项目开发了基于三维地理信息、三维精细建模、多源异构数据集成、应用系统开发与集成为一体的气田三维可视化平台,通过海量高精度三维模型预加载、分级动态加载技术,构建气田管网和集气站三维可视化场景；对各专业多源异构数据进行集成应用,实现了气田基础地理信息数据调用，监控视频集成调用，井筒三维可视化，生产SCADA监测数据在三维场景的实时展示，设备定位拆分等功能,使普光气田的生产管理、应急救援工作高效便捷化。

关键词：普光气田；三维可视化平台；多源异构数据；生产管理；应急救援

0前言

普光气田是我国目前发现的规模最大的海相整装气田,具有气藏压力高、埋藏深、高含硫、高含二氧化碳等特点,且地处复杂山地、人口密集、多雨潮湿、易腐蚀、易发地质灾害,其开发生产一直是公认的世界级难题。随气田开发生产的逐步深入,压力下降、边水推进、腐蚀加剧、设备老化、应急救援难度大等不利于安全生产的因素逐渐增多,为实现生产精细化管理和气田降本增效,用信息化手段提高综合分析和辅助决策能力,2013年普光气田启动“智能气田”建设,其中一项重要内容是将二/三维地理信息与气田集输管网/井站三维精细建模相结合,通过业务数据融合,配合虚拟现实技术,实现气田生产管理可视化,并为应急救援指挥提供有效的可视化支撑。

1研究内容

1.1基于地理信息的三维可视化平台

1.1.1平台架构

基于地理信息的三维可视化平台由数据层、核心引擎、三维地理信息可视化场景、应用层等部分组成。其中数据层包括构建整个可视化场景模型数据、矢量数据、影像数据三类[1]。平台的核心引擎由三维地理信息引擎、三维可视化引擎、数据集成引擎构成。在核心引擎基础之上进行三维地理信息可视化场景的构建,最终为应用层提供展示和接口支撑。

1.1.2三维地理信息引擎技术

该平台三维地理信息引擎中所有的地理信息数据都需要进行高层信息的渲染,在渲染过程中需要结合高层数据进行动态计算,通过计算得出所有地理信息要素所在的三维坐标信息,从而与地面实现无缝贴合[2]。同样三维地理信息还需要具备空间数据处理功能,如地图数据获取、数据组织、数据操纵、数据分析[3]等,根据这些要求设计并研发了三维地理信息功能。

1.1.3三维可视化引擎技术

三维可视化引擎是整个平台的核心,通过多次技术分析选型,最终确定以OpenGL技术架构为基础,对高性能的三维图像渲染、节点组织、地理坐标转换、场景漫游、骨骼动画、空间音效等进行深入研究,研发了包括数字地球模块、三维地形模块、三维场景模块、操作模式模块的三维可视化平台[4]。

普光气田三维地形数据量庞大(现有普光气田1 100 km2范围的航空遥感影像,分辨率为0.2～0.4 m),为了实现基于网络的海量空间数据展示,平台采用了空间四叉分割技术对三维地形数据进行处理[5]。创建金字塔瓦片结构,瓦片文件内建立空间索引信息,使平台能够根据当前视角高度及视野范围动态下载和加载合适的瓦片文件进行地形的渲染。由于地形影像数据占用的存储空间较大,平台使用DXTC纹理压缩技术对瓦片中的影像数据进行压缩,以节省传输带宽和存储空间[6]。该技术的应用解决了大场景影像数据在网络环境下的优化显示问题,同时,平台采用优化多层次细节(LOD Levels of Detail)技术,优化精细模型加载算法,基于视锥体拣选技术实现集气站与管网海量高精度三维模型预加载、分级动态加载,显著提高显示速度和流畅性[7]。

1.1.4三维可视化web应用技术

为了降低运维成本和复杂度,减少用户端的配置安装,三维可视化应用采用基于浏览器的B/S访问模式,利用ActiveX技术研发三维可视化网络访问插件。

1.1.5平台优势

该平台具备所见即所得的场景编辑,高效的三维场景加载,流畅的网络访问,丰富的二次开发接口等。经过对比发现,在同类产品(unity 3 d、VRmap、converse 3D、citymaker、virtools、EV-Globe等)中存在较大优势,平台性能对比见表1。

表1平台性能对比

对比内容三维可视化平台性能和指标国内外GIS平台性能和指标模型加载限制不受大小控制,仅与机器配置有关。大部分GIS平台受模型量大小控制(≤50M),超过会导致加载失败、系统崩溃等模型调整灵活性模型既可以在3Dmax里设置坐标,也可以在平台里手动修改坐标位置整个场景的位置必须得在3DMax导出之前,设置好坐标位置。发布方式BS、CS均可,支持web浏览器访问,且技术成熟,运行稳定。大部分仅支持CS端访问,少部分支持web访问,稳定性较差工具插件提供丰富的空间数据测量工具。针对空间数据的测量工具较少接口基础地理和三维模型以服务形式提供,方便二次开发。没有二次开发接口或接口很少加载速度模型数量10000(500万面数以上)的场区模型加载时间≤15s,web加载除去网络传输的因素模型的加载时间≤15s模型数量10000(500万面数以上)的场区模型加载时间在15～65s之间;web加载除去网络传输的因素模型的加载时间≥30s渲染速度单帧渲染最大三角形数量≥300万,视野范围内模型数量≥10000个时,渲染速度≥20FPS视野范围内模型数量≥10000个时,渲染速度≥350FPS响应速度平台在三维画面相机平移、旋转的响应时间≤30ms,任意物件点选的响应时间≤100ms平台在三维画面相机平移、旋转的响应时间100～3000ms,任意物件点选的响应时间100～1500ms并发用户量500200

1.2构建普光气田三维可视场景

1.2.1构建三维数字地球

包括星空、地球、地球大气层、多种样式的太阳光晕、水域等,并通过DEM、DOM、DLG数据构建大范围三维彩色地景,显示真实的地形地貌,并融合交通道路、河流、植被、居民地等矢量线划信息[8]。

1.2.2构建气田三维可视化场景

三维场景建设范围主要包括所有集气站、污水站、阀室、集输管网及其它相关附属设备设施,以1∶1的比例建立三维仿真模型[9],附属场景建设包括地表、建筑、绿化带。直观、逼真地展示气田生产现场的三维场景,并能够按照巡检路线或者指定路线进行场景漫游。三维场景图见图1。

图1　普光气田三维场景图

1.3集成基于模型的多源异构数据

气田包括的数据种类繁多、数据结构复杂,包括GIS空间数据、3D模型数据、工控实时数据、视频流媒体数据、关系型结构化数据、成果文档数据、专业仪器或软件产生的二进制数据体等。针对这些多源异构数据的特点,开展了异构数据集成方法研究[10],使集成的数据资源实现完全透明的访问,保证全局数据共享,异构数据互连互通。根据数据结构将数据分为结构化数据和非结构化数据,并对这两种结构的数据进行集成研究[11-13]。

1.3.1结构化数据

通过开发相应专用工具负责数据转化与共享交互。数据共享交互遵循标准的、面向服务架构(SOA)的方式和部分行业标准(如OPC标准),基于企业服务总线ESB技术,为跨地域、跨部门、跨平台不同应用系统、不同数据库之间的互连互通提供包含提取、转换、传输和加密等操作的数据交换服务,实现扩展性良好的“松耦合”结构的应用和数据集成。

1.3.2非结构化数据

由于非结构化数据种类繁多,结构差异大(如自控实时数据、模型数据、测井数据体、流媒体数据),数据量大,因此,针对不同类型的数据,采用不同的处理策略[14]。

首先,对非结构化数据通过文本特征、位置特征以及显示特征对中间XML文档进行基于XSLT规则的信息抽取,实现对非结构化数据的精确管理。

其次,对于特殊的非结构化数据,如影音文件,运用kmeans、希尔排序、快速排序算法,解决影音文件数据量大的问题；运用MPEG系列对影音进行编解码,解决影音质量的问题；在保证影音质量的前提下,运用H.264协议对影音进行压缩,解决数据传输的问题。

2应用展示

2.1基础地理信息数据应用展示

平台可准确展示气田集气站、阀室、管线、隧道、特种设备、井站周边居民分布点、水源点、医院、消防、H2S泄漏监测点、应急广播点、抢险物资等基础地理信息数据,基础地理信息数据展示见图2。并将矢量数据发布到专有的空间数据服务Geo Server,对外提供标准WFS服务[15]。

图2　基础地理数据展示

2.2生产视频监控集成应用展示

通过梳理气田所有摄像头数据,对摄像头建立三维模型,并将视频设备参数和设备模型绑定,当用户需查看某个区域的监控画面时,可以在三维场景中快速找到对应的摄像头,也可以通过视频监控点树状结构选取某一监控点查看视频监控内容[16],通过视频监控集成系统集成所有的视频监控源头,统一向其他应用系统提供基于URL的网络视频调用服务。

2.3开发集成应用展示

2.3.1井筒三维可视化

利用井斜数据、井径数据、套管数据、井下工具数据,通过三维建模生成井筒的空间三维模型,完成井筒轨迹、井身结构、管柱结构的可视化展现[17]。模型包括各层套管和井下各种工具。

2.3.2单井静态数据集成展示

以普光气田综合数据库为数据源,平台可以便捷地查询单井的钻、测、录、试井和取心、作业、施工投产数据[18],并通过分析钻井、测井、录井、试气等成果资料和相关原始数据体,研究相关数据成图/成像技术,在三维井筒模型上设计开发了测井解释成果图、固井质量图、综合录井图、成像解释成果图、岩心综合图、井身结构图、井身轨迹图等图形展示软件模块,用于辅助方案设计和生产动态分析[19]。

2.4生产动态集成应用展示

2.4.1气田生产监测数据的实时展示

通过组态软件,获取SCADA系统、DCS系统实时运行数据,对外按照标准工业协议提供数据服务,工业隔离网关采用专有网络隔离技术,可阻断任何网络形式的连接,实现单项通讯保证控制网的安全生产,同时使用内嵌的工业通讯软件,接收生产控制网发布的生产数据,并对外二次发布[20]。历史数据库也依据内嵌的工业通讯软件连接网关发布的数据服务,最终实现生产控制网中实时数据的安全获取,工艺流程总图见图3。并通过Web Service方式对实时及历史数据进行发布,供办公网络中的各业务系统使用。

图3　D 402站工艺流程总图

2.4.2生产动态数据集成应用

生产动态分为生产报表和生产报警两部分。其中,生产报表以曲线和列表等方式展示生产数据；生产报警通过设定限值,对生产参数进行连续追溯,当超过设定限制时,系统进行报警提示,有效监控气田生产动态。

2.5设备集成应用管理

通过集成设备基础参数、设备状态、检维修记录等数据,实现了基于设备三维模型上的查询、定位、监控功能；并对设备内部构造的高精度渲染,可在PC端上真实展现其内部结构和拆装过程,便于生产培训和设备检维修指导，设备实时运行信息展示见图4。

图4　设备实时运行信息展示

3结论与认识

1)建立健全了普光气田三维地理信息基础数据,可快速查询道路桥梁、井站居民分布、管道基础信息,为应急指挥管理提供信息保障。

2)开发了基于地理信息系统的三维可视化平台,集成多源异构数据,实现了气田生产、安全、设备、开发、经营等业务统一查询、调用数据、预警报警、视频联动等功能,使气田生产经营达到可视化管理水平,提高工作效率。

3)该项目中三维可视化平台、基础地理信息和气田三维模型均以服务形式提供,适用于任何需要GIS平台和站场三维仿真的应用系统开发调用,节约重复开发成本,提高开发周期。

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收稿日期：2015-12-08

作者简介：雷金晶(1988-)，女,湖北仙桃人，工程师，学士，主要从事天然气开发和信息技术工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.017