虚拟现实技术助推油气田数字化工厂建设

王喆

（中石化石油工程设计有限公司，山东东营257026）

虚拟现实（VR）技术作为一种科技成果，被广泛应用于制造业、医学、信息行业等众多领域。依靠先进的仿真技术，VR 可以为受众提供逼真的三维可视化、可触化体验。目前，国内油气田领域正在进行数字化转型，众多新建工厂和改造站场均按照数字化工厂模式进行建设。区别于传统建设模式，数字化工厂在建设过程中会产生大量数据。如何利用这些数据，并将其呈现给建设阶段使用者使用，是虚拟现实技术解决的主要问题。

1 数字化工厂特点

数字化工厂是随着数字仿真技术和虚拟现实技术发展而来的，它通过对真实工业生产的虚拟规划、仿真优化，实现对工厂产品研发、制造生产和服务的优化和提升，是现代工业化与信息化融合的应用体现[1]，见图1。

图1 实际工厂与数字工厂对比图

数字化工厂作为油气田开发领域智能制造的标志，其涵盖意义不仅仅是实体的工厂建设完工，更是工程建设数据的集成。建成后的数字化工厂具备以下几大功能：工厂生产经营模型和大数据管理、全生命周期预知预防的设备管理、生产流程的实时监控和协调、工厂实时仿真和各类场景培训。相比传统工厂模式，数字化工厂具有以下特点。

1.1 数据化

所有工厂内的设备、管道等基础设施，除了实体表向外，均包含数据支撑。通过在设计和施工阶段的数字化移交，提供基础数据；投入运行后，结合运维阶段的各类参数变化，进行数据资源整合，最终实现全生命周期的数据管理。因此，数据化是数字化工厂实现的根基。

1.2 集成化

工厂在形成数据仓储后，存在着大量独立数据。为了便于管理，需要对各个相对独立的部分进行系统整合，这就是集成融合的过程。数据只有进行过集成化处理，才能使工厂数据得到充分的利用。因此，集成化是数字化工厂形成的必经之路。

1.3 可视化

可视化主要解决了人机工程学领域中的人机界面问题，通过创建易于观察的操作界面，使得工厂底层数据能够反馈给需求者。另外借助虚拟可视化技术，数字化工厂可以开展各类模拟，满足安全生产需要，提高数字化工厂利用率。

1.4 智能化

智能化作为数字化工厂的终极目标，主要表现形式为：基于整合完成的数据化资源，操作人员借助可视化媒介对工厂进行智能控制；通过建立上下游逻辑关系，借助站控系统的支持，整个工厂实现计算机远程智能控制，达到无人值守要求。

2 虚拟现实技术应用研究

利用强大的三维处理引擎和格式转换软件，虚拟现实技术可以将设计、施工、运维中产生或者需要的各类数据文件进行统一处理，为相关用户提供可视化终端服务体验。在数字化工厂的生命周期内，虚拟现实技术穿插其中，主要表现形式如下。

2.1 设计阶段

设计阶段作为整个数字化工厂建设期的起步阶段，主要工作就是创建可视化工厂模型，并在完成基础参数录入工作后移交业主管理平台。经总结，虚拟现实技术在该阶段主要用途包括：已建工厂数据复原、三维模型协同校审及数字工厂移交等。

2.1.1 工厂数据复原

其中工厂数据复原主要是通过三维测量工具，实现已建站场的三维建模复原。其技术手段为利用扫描三维点云形成现场真实模型，完成格式转换后导入三维设计软件内，提供最真实准确的参考，见图2。

图2 点云数据导入三维设计模型效果图

2.1.2 三维协同校审

三维协同校审是在设计周期内，用于设计方检查设计成果的一种手段。利用虚拟设备的多人协同功能，校审人员可以身临其境地审查，并在模型内直接保留校审信息，提高校审效率和准确性。

2.1.3 数字工厂移交

设计方采用的三维工厂与运营方进行管理的可视化工厂并不相同，为了实现最终的工厂移交，需要利用虚拟现实技术提供的数字工厂做媒介。工厂支持EPC 多源格式加载，解决总承包项目中多方设计采用不同软件，无法进行打包交付的问题。

2.2 施工阶段

施工作为工厂全生命周期内的实施环节，其质量高低、进度快慢，对于整个工程的整体效益会产生深远影响。施工阶段也分为：施工设计、施工培训和施工实施三个步骤。虚拟现实技术以其逼真的可视性和便捷的可操作性，在施工阶段发挥重要作用。

2.2.1 施工设计

以往，施工设计（加工设计）中施工人员在拿到设计提供的图纸后，需要进行二次建模，从而进行施工组织合理性分析。在虚拟现实技术的支持下，施工设计人员可以利用VR 对工料的虚拟原型进行几何、结构、功能、制造等方面的交互建模与分析[2]。既减少了重复建模时间，也提高了工作效率。

2.2.2 施工培训

采用可视化施工培训可以减少对场地和环境的要求，施工人员可以借助体感设备进行模拟演练。特别是针对吊装作业等涉及高危作业领域，采用虚拟场景进行培训，可以更加安全地规范作业流程，起到防微杜渐的作用。

2.2.3 施工实施

施工实施过程中施工管理人员可以针对施工进度、施工质量等形成可视化图形报表，管理人员可以较为方便的安排施工周期；施工作业者则可以对照虚拟施工模型，按需对负责部分进行虚拟安装核实，保证施工质量。

2.3 运维阶段

工厂在完成数字化移交后就进入了运行阶段，此时需要运营方考虑的不仅仅是静态的参数，与生产参数相关的动态参数和各种运行需求成为重点。虚拟现实技术以其高度还原性、可扩展性，融合站场管理平台和智能站控系统，带来了工厂管理模式的变革。主要体现在生产动态模拟、设备数字化管理、虚拟操作培训等方面。

2.3.1 生产动态模拟

生产动态模拟是以工厂生产调度指挥中心数据为基础，虚拟三维站场模型为载体，实现虚拟运行参数与实际运行参数的动态模拟仿真。其主要实现方式是建立参数关联，将原设计的静态参数与生产过程中的动态参数利用工艺计算模型进行关联。管理方可以将模拟数据与现实数据进行比对，从而进行产量预测和计划调度调整。

2.3.2 设备数字化管理

设备数字化管理是指通过建立设备数字台账，将现场设备的运行状况、维护时间等数据引入虚拟化工厂内。数字化工厂在整合现场数据资源后，借助同类设备大数据资源可以模拟出设备的可靠性曲线，从而开展设备故障预测分析，对关键参数进行智能监测。

2.3.3 虚拟操作培训

虚拟操作培训主要解决了环境和安全因素对人员培训的制约。在虚拟工厂内，培训人员既可以进行常规地虚拟装配模拟、维修方案模拟，也可以加入事故工况下的应急演练模拟。对于油气田场站这种高危场所，这是非常有利的。

3 结语

根据中国工程院规划的《中国制造2025》，中国工业发展正在通过信息技术和制造技术及工业自动化技术相互融合，用精益管理取代粗放管理，由生产低端产品向制造高端装备过渡。对石油石化行业来说，工业改革相应带来的是建设成本增加，建设周期紧张。但是从长远角度来看，数字化和智能化是未来社会进步的方向，也是工业发展的必经之路。利用日新月异的虚拟化技术，石油石化行业可以加快数字化与智能化融合脚步，进一步提升产业价值，并逐步实现“数字化工厂、智能化油田”的最终目标。