三维看板系统在数字化油气田的应用研究

王传平 冯学章 雷江辉 孟亮 王佳佳 乌嵘 韩英泽

1新疆油田公司采气一厂

2新疆油田公司

我国进入21 世纪以后，经济取得了飞跃性的发展，石油、石化、化工等工业的发展水平也取得了突飞猛进的进步[1]。各种智能设备的出现，使得自动化技术、通信网络技术、物联网技术在石油行业取得了成功的应用，提高了油田地面建设工程的生产管理水平[2]。

油气田站场施工涉及土建、工艺、电仪等多个专业，工程管理及协同工作交叉较多[3]，传统的施工管理模式存在各专业沟通衔接不畅、施工进度安排不合理、信息不能及时共享、信息传递过程中缺失严重、难以实现成本全过程管理等问题，站场运维需要庞大数据的可视化、人员成本限制、安全和能耗问题的预警与控制。因此，高效解决多专业对接难、多方协调效率低等问题是油气田站场施工管理的关键。

PIM 技术目前在中国正处在蓬勃发展的阶段，在投融资、设计及施工阶段都有大量应用。基于“可视化+”技术的三维看板系统能够高效解决各类安全及能耗相关问题，通过数据采集、热区分布、报警定位、系统结构展示等方式提供全面精细的PIM 运维管理，实时监控环境品质，有效提高能源的利用效率，节约成本。其数据采集能力、数据处理能力、图形展示能力、3D 模型处理能力在国内外行业内均为领先水平。

1 三维看板系统的实现

三维看板系统具有强大的数据采集能力、数据处理能力、图形展示能力、3D 模型处理能力。系统可通过三维模型展示各类型的业务数据，如：通过数字化移交获得的设备属性图纸及文档资料，项目建设过程中的建设计划、建设实际进度、建设安全质量问题数据，视频监控流、设备维保信息、DCS 实时数据、系统业务数据、预警报警系统报警数据、工单数据、能耗数据等。系统采用C/S 硬件架构，是由物联网传感器、三维可视化平台、3D模型、大屏可视化构件组成的用于PIM 运维的数据可视化平台[4]。

1.1 硬件架构

系统采用C/S 架构（图1），设有Base 服务器、采集工作站，通过使用工作站连接服务器查看可视化界面。系统后台服务器集群部署，通过Nginx 做代理转发，同时Nginx 作为Web 静态资源服务器，当前端压力大时，可以将Web 服务器从Nginx 服务器中剥离出来，集群部署。缓存服务器使用Redis，数据库服务器使用关系数据库，支持Mysql 和Oracle 数据库。文件服务器可以单独部署，后期方便扩展。

1.2 软件架构

采用eZWalker 作为底层三维轻量化引擎，通过基本体复用、三角面片裁剪、按需加载等多种技术手段来实现模型的轻量化，能够以较低的硬件环境支撑庞大的三维模型进行高效的三维可视化管理对接，软件架构见图2。

图1 C/S 方案架构图Fig.1 C/S scheme architecture chart

图2 软件架构图Fig.2 Software architecture chart

1.3 三维看板系统实现的功能

（1）智能场景展示。三维看板系统需将PIM 运维中需要重点关注的数据以数据面板、动态三维标牌等方式动态展示，实时观察设备运行参数、关联数据、关联属性、基本设计属性等多种参数。能选取PIM 模型中的任意空间单独查看其详细的结构情况，具体到每个空间的每个元素的基本信息和实时状态都以“标识牌”形式简单直观地呈现出来，使用户随时感受“上帝视角”的全面与清晰。三维看板系统还提供了系统结构单独展示功能，可以直观地查看三维模型内的任意系统或结构，从而更加快速准确地定位问题解决问题（图3）。

（2）虚拟环境巡检。三维看板系统能实现虚拟环境巡检功能，可使用阿凡达模拟巡检人员在三维模型内模拟真实的路线行走进行巡检（图4）：①查看系统内的任意监控视频，节约人力成本的情况下做到对每个角落及时监控；②查看设备标识牌上的设备工作状态或能耗信息，保障对所有能耗和安全情况及时掌握；③查看任意设备基本参数的同时可切换标签查看对应设备的维保历史记录。

图3 三维看板中的模型定位Fig.3 Positioning model in 3D kanban

图4 阿凡达虚拟巡检人员巡检Fig.4 Avatar virtual inspector inspection

（3）多样化数据面板。相比于传统图表形式的数据展示，三维看板系统能将数据用更生动的形式将用户所需的各类数据进行简单直观的分类展示：系统可将项目建造阶段中需要重点关注的数据以仪表盘、饼图、柱状图、雷达图、甘特图等多种方式动态展示（图5），实时观察采购情况、现场安全及质量等数据。

（4）场景定位。三维看板系统提供各类三维场景自定义一键导航，通过对各类重要场景取景形成定位列表，在项目各个阶段，可随时通过鼠标操作点击不同空间结构，进行关键部位一键定位查看，实现可视化场景导航功能（图6）。

图5 三维看板中的多样化数据面板Fig.5 Diversified data panel in 3D kanban

（5）三维数据实时查看。用户通过三维场景对模型对象进行选择，随时查看三维对象关联的二维图纸等数据（图7）。

（6）报警定位。三维看板系统获取DCS 等控制系统实时数据后可进行实时监控报警，当实时参数超过上下阈值时，数据异常设备将显示在界面上方，点击定位按钮后可快速定位到故障点，缩短维修时间，为工厂设备安全运行保驾护航（图8）。

图6 三维看板中场景导航功能Fig.6 Scene navigation function in 3D kanban

图7 三维模型实时数据查看Fig.7 3D model real-time data viewing

图8 报警定位Fig.8 Alarming positioning

（7）监控系统集成应用。三维看板系统与监控系统集成后形成监控设备列表，可实现对各个监控设备状态进行实时监控、监控设备在三维场景下一键导航、监控画面实时观看等，实现了“单点控面”的智慧化管理。

（8）门禁系统集成应用。三维看板系统与门禁系统集成，形成门禁数据查询面板和实时显示面板，通过三维看板的可视化管理，对项目所有进出人员、车辆等进行实时监控，支持历史数据高级检索查询，形成可视化的“封闭式”管理。

（9）4D 应用。系统具有4D 模拟应用模块，采用三维可视化技术将三维模型与进度数据相结合。以可视化的效果动态展示项目进展情况，并将计划进度与实际进度进行比较，为用户提供更直观的状态信息，达到了可视化进度管控（图9）。

（10）焊接进度可视化。三维看板系统通过获取施工单位焊接记录表中的焊接数据，与三维场景中的焊口模型相关联，当现场某个焊口焊接完毕后，在三维看板中点击焊口状态，焊口模型根据焊接完成状态变色，现场焊接情况一目了然，对现场焊接进度实现可视化管理，有效掌握现场焊接进度（图10）。

（11）第三方数据对接。三维看板系统能与其他各物管系统、资产管理系统等多系统对接，作为PIM 的数据平台完美展示数据和状态：①可用于展示任意的管理信息列表；②通过使用三维看板系统，关联WBS 项目进度计划数据，实现模型中的构件与计划软件（P6 或PROJECT）中的WBS 进度信息相关联[5]，利用模型展示实际的施工建造过程，直观查看项目计划及进度，并可以进行进度模拟等操作展示。

（12）三维看板系统二次开发体系。可在系统提供的基本框架下自行开发相应的构件来满足不同业务场景所需的个性化可视效果，二次开发体系包括前端三维交互UI 扩展接口API、数据采集接口协议、数据订阅协议、监控报警规则扩展接口，用户可依据二次开发体系完成各种设想中的功能扩充。

图9 三维看板中进度展示功能Fig.9 Progress display function in 3D kanban

图10 三维看板中焊口状态展示功能Fig.10 Display function of weld status in 3D kanban

2 应用效果

新疆油田某项目部署了三维看板系统，实现了项目三维模型实时查看、二三维数据关联、现场视频监控集成应用、门禁系统集成应用、4D 进度模拟应用等功能。

三维看板系统可视化的集成应用，在数字化油田管理中得到了显著的效果[6]：

（1）实现了数字化油气田在“三维可视化”下的多场景展示与应用。

（2）实现了项目数据共享、信息集中管理等智慧化管控，解决了“信息孤岛”问题。

（3）通过集成现场门禁系统、视频监控系统，从“多个窗口看项目”到“一屏控全厂”，实现了项目“封闭式”监控，提高了项目过程的可控性、安全性。

（4）系统通过智能巡检有效提升了项目的质量安全。对于危险区域等人工无法到达区域，可从源头上避免风险，对项目整体安全起到了实质性的作用。

（5）通过三维模型与进度数据关联，将数字油田的设计三维模型与工程进度计划结合，实现了4D 应用，使传统的进度管理变为可视化的四维应用，提高了项目的进度管控水平和信息直观展示效果，为领导决策指挥提供了帮助，促进了数字化油气田的建设。

3 结束语

三维看板系统在油气田数据采集、远程监测、进度管理，以及地面全面信息化等领域具有非常广阔的应用前景。系统不仅可以实现跨地域跨公司数据协同展示，紧密连接生产的各个环节，还可以实现油气田业务与技术的整合，进一步优化油气田生产经营管理，拓宽油田勘探开发业务。

基于数字化油气田，运用物联网技术构建可视化看板系统，是油气田信息化建设的必要途径。随着油气田勘探开发的进一步深入、信息采集与智能计算技术的迅速发展、互联网与移动通信网的广泛应用，以及与传感网结合的不断深入，油气田大规模运用物联网的时机日趋成熟。利用虚拟现实技术对数据实现可视化和多维表达，并通过智能化分析模型，可为企业的经营管理提供良好的信息支撑环境，最终形成规范、统一、安全、高效的全新现代化生产经营综合数据管理应用展示平台。