基于虚拟现实技术的油气田数字化工厂建设.pdf

第3 4 卷第8 期 2 0 1 5 ．0 8 行业论坛 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 摘要 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 DB MS 进行物理模型设计 ，确定数据存储方案 ，编 写相关 S QL 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。 关键词 虚拟现实 ；数字工厂 ；三维仿真 ；中心数据库 ；模块 ；管理 d o i l O ． 3 9 6 9 5 ． i s s n ． 1 0 0 6 6 8 9 6 ． 2 0 1 5 ． 8 ． 0 0 4 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 ，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 A D域 、I P电话 、一 号通 、R T X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 端点准人控制，实现端到端的立体防护，保障生产 数据的安全传输 。 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 I T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 E P D M和 A P D M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 基金论文P D M S 软件二次 开发与数字化平台搭建 J O F 一 2 0 1 3 - 2 8 。 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1 4 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 务流程梳理人手 ，结合数据模型，进行数据库的概 念 模 型设计 ，并 且根 据 D B MS 进 行 物理 模 型设 计 ，确定数据存储方案 ，编写相关 S Q L脚本 ，建立 中心数据库 ，具体建设思路如 图l 所示。 ③ 业务专家 ③ 模型专家 ③ D ll 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E P D M模型设计中心库概念模型建立物 油气田地面工程 h t t p ／ ／ ww． y q t d mg c ． c 。 m 一7一 、 J、，，● ，，， 第3 4 卷第8 期 2 0 1 5 ．0 8 行业论坛 理模型；最后通过 S Q L 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 O r a c l e ，地震等大块数据体管理软件可选择 L a n d Ma r k 公司的P e t r o B a n k 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H 。 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i④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 S A P系 统 、管控一体化系统 、二三维平台 、A D域 、O A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 、I T 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 、H S E 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，在险隋发 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人 ，提供手动录入和批 量导人的功能。 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 ， 一 8一 油气田地面工程 h t p ／ ／ www． y q t d mg c ． c o rn 第 3 4 卷第 8 期 2 0 1 5 ． 0 8 行业论坛 二、三维一体化平台建立接口 ，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 O P C S e r v e r 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 O P C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、邀请加人视频会议 。 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。 参考文献 [ 1 】 刘卫国．现代化、信息化、数字化、智能化及其相互关系[ J 1 ． 中国铁路 ，2 0 1 1 ， 1 8 3 8 6 ． [ 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，2 0 1 0 ，2 8 3 1 0 1 4 ． [ 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 ，2 0 1 1 1 1 3 7 3 9 ． [ 4 】 杜毅 ，杜通林 ，白俊波 ．基 于二三维 GI S技术构 建数字 气 田协 同业务平 台『 j ] ．天然气与石油 ，2 0 1 3 ，3 1 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 1 ． 油气 田地面工程 ，2 0 1 3 ，3 2 1 2 6 9 7 0 ． [ 第一作者简介] 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。 1 3 9 0 8 0 7 7 9 3 8 、2 4 3 1 7 0 3 7 6 q q ． C O rn 收稿 日期2 0 1 5 0 6 0 2 栏 目主持李艳秋 mmq h w r t h t t p ／ ／ www． y q t d mg c ． c 。 m 一 9