深度數(shù)字化技術在半潛式生產(chǎn)平臺中的應用研究

劉 霖，張建勇，鐘 華

(1.中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司南海工程分公司，廣東 湛江 524057；2.中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司，天津 300452)

0 引言

目前，工程數(shù)字化技術在中國海油深水油氣（田）中的應用程度較低，且技術相對落后。如何在現(xiàn)有基礎上，對工程數(shù)字化過程中工程文件、工程模型及工程數(shù)據(jù)的采集范圍、類型、顆粒度等方面進行深化研究，并基于自主研發(fā)且高效穩(wěn)定的三維引擎技術，實現(xiàn)各類工程信息的關聯(lián)展示，促進二、三維數(shù)據(jù)信息的深度立體融合，提高數(shù)據(jù)信息的利用附加值具有重要意義。

1 基本情況

1.1 工程數(shù)字化現(xiàn)狀

中國海油自2009年開始在渤海的兩個油田實施工程數(shù)字化技術試點項目，研究小組不僅從技術上驗證了可行性，而且通過歸納和經(jīng)驗總結(jié)，初步建立了信息規(guī)范和規(guī)律性認識及工作模板，并以此為指導實施工程數(shù)據(jù)中心項目（EDIS），取得了較好的成效[1]。

經(jīng)過10余年的努力，目前已經(jīng)初步建立起EDIS（工程數(shù)字化信息系統(tǒng)）標準體系，形成從管理制度、標準規(guī)范、系統(tǒng)建設三個方面完善的運行機制，已良好地應用于淺水工程建設項目中。但受制于原有數(shù)字化建設思路及技術的局限，造成工程數(shù)字化的深度及廣度都比較低，在一定程度上影響了后期的智能化及無人化建設。

1.2 深度數(shù)字化定義及必要性

中國海油歷經(jīng)的工程數(shù)字化過程是一種探索，更是一條常規(guī)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型之路，深度數(shù)字化（主要從技術角度考慮）是一個相對的概念，是常規(guī)工程數(shù)字化之上的延申及深化，借助先進的信息技術手段，與實際的建設規(guī)劃密切結(jié)合，形成一套更完備，更符合需求，更能體現(xiàn)數(shù)字化技術價值所在的建設方案。

國務院辦公廳2014年6月7日印發(fā)的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014-2020年）》中就提到：加快海洋石油開發(fā)。按照以近養(yǎng)遠、遠近結(jié)合，自主開發(fā)與對外合作并舉的方針，加強渤海、東海和南海等海域近海油氣勘探開發(fā)，加強南海深水油氣勘探開發(fā)形勢跟蹤分析，積極推進深海對外招標和合作，盡快突破深海采油技術和裝備自主制造能力，大力提升海洋油氣產(chǎn)量[2]。

中國海油國家號召積極響應，奮力挺進深海，逐步開發(fā)深水油（氣）田，隨著“深海一號”的投產(chǎn)運營，標志著我國已經(jīng)具有自主開發(fā)深水油氣資源的技術力量及作業(yè)能力，在建設海油強國的道路上邁出了重要步伐?！吧钏惶枴笔前霛撌缴a(chǎn)平臺，涉及的工程建設項目同樣具有深海油氣工程“高技術”“高投入”“高風險”的基本特征[3]，導致工程建設及生產(chǎn)運維的難度大，成本高昂；通過借助三維數(shù)字技術進行模擬分析，可降低建設安裝及生產(chǎn)運維的風險，達到提質(zhì)增效的目的，但苦于長期缺少自主知識產(chǎn)權的三維引擎及成熟的數(shù)據(jù)信息管控技術，且三維數(shù)字技術缺乏與現(xiàn)實狀態(tài)深層次的聯(lián)動，在響應、交互、應用、展示等多個方面都存在不足，無法滿足現(xiàn)階段的迫切需求。因此很有必要在原有的工程數(shù)字化基礎上，借助先進的方法論及技術，開展深度數(shù)字化技術的應用研究。

2 研究思路

深度數(shù)字化要以“管理規(guī)范為基礎，工程位號為核心，關聯(lián)關系為紐帶，信息系統(tǒng)為載體”的原則理念作為深化思路；通過對數(shù)據(jù)模型進行不斷的深化、細化工作，以此來推動標準規(guī)范的更新，并提出對信息系統(tǒng)的功能優(yōu)化及完善（其中包括核心的三維引擎自主研發(fā)及優(yōu)化），來實現(xiàn)深度數(shù)字化建設。深度數(shù)字化可以理解為數(shù)字孿生技術的基礎拓展階段（即數(shù)字孿生1.0），對基礎信息的標準定義（如數(shù)據(jù)、模型、平臺架構等）進行了總結(jié)及凝練，能建立起統(tǒng)一的交付成果標準，且能提供物理資產(chǎn)的二、三維協(xié)同可視化展示。

2.1 數(shù)據(jù)模型的深化

根據(jù)中國海油工程建設項目的特點，工程數(shù)字化的數(shù)據(jù)信息采集內(nèi)容大致可分為工程文件、工程模型、工程數(shù)據(jù)3大部分；對應于工程數(shù)字信息管理系統(tǒng)（EDIS）的數(shù)據(jù)分類包括：非結(jié)構化數(shù)據(jù)、三維可視化模型、結(jié)構化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)模型的深化工作，將極大地細化數(shù)據(jù)信息的顆粒度，為后期的深化應用提供精確且有效的關鍵數(shù)據(jù)信息。

2.1.1 非結(jié)構化數(shù)據(jù)

非結(jié)構化數(shù)據(jù)主要針對在工程建設階段產(chǎn)出的各文檔類資料。經(jīng)過多年的運行，通過常規(guī)運行的工程數(shù)字化項目，已采集到較完備的各類基礎文檔資料，能滿足標準規(guī)范的要求。但隨著后期改擴建項目的要求不斷細致化，對工程建設期間的基礎檔案資料收集需求也逐步遞增。因此，有必要通過目標倒推法進行梳理、分析、整理出生產(chǎn)方切實需求的文件類型及格式清單；比對工程項目建設階段所有能采集到的數(shù)據(jù)及資料，篩選出各類承包商/供應商可（或者已）提交的相關內(nèi)容；并將標準規(guī)范中未涉及的內(nèi)容進行補充完善，作為下一個工程數(shù)字化建設項目的執(zhí)行標準依據(jù)，從而形成一個不斷質(zhì)量提升的良好閉環(huán)。如圖1所示。

圖1 非結(jié)構化數(shù)據(jù)形成一個不斷質(zhì)量提升的良好閉環(huán)

另外，非結(jié)構化數(shù)據(jù)深化的先期工作，有助于后續(xù)的三維可視化模型及結(jié)構化數(shù)據(jù)的深化工作開展。

2.1.2 三維可視化模型

三維可視化模型主要以工程模型為基準，進行臨摹復刻制作或者通過優(yōu)化處理工具進行第一步的初步建模，已達到形似的效果。其中，針對部分特殊件模型，則需要采用臨摹復刻的制作方式，利用三維建模軟件進行輕量化的處理；而對于大批量且規(guī)格相同的設備或構件，則可以使用專門的優(yōu)化處理工具進行轉(zhuǎn)化，減少人工的低效處理介入。

2.1.2.1 優(yōu)化原則

為了控制三維可視化模型的點、面數(shù)據(jù)，避免過大情況，造成超出三維引擎系統(tǒng)負荷的限定，三維可視化模型優(yōu)化處理的原則包括：

（1）常用基本體應確保最優(yōu)段面數(shù)。

（2）優(yōu)化后的外觀不能出現(xiàn)變形現(xiàn)象且相似模型應保持采用統(tǒng)一處理方式。

（3）規(guī)范貼圖使用規(guī)則，盡量減少貼圖數(shù)量，純色貼圖應采用最小像素圖片的處理方式。

（4）單一單體設施的整體模型面數(shù)應控制在400萬面以內(nèi)。

（5）標準設備較多的模型項目，每個設備對象的面數(shù)應控制在1 000面以內(nèi)。

2.1.2.2 段面配置建議

為了滿足后期展示應用的效果高質(zhì)量、軟硬件普適的基本需求，所有圓形體面需要平滑處理，平滑值根據(jù)具體情況設置，一般建議取值為50～70，確保不出現(xiàn)黑邊，并且輪廓邊緣光滑即可。

2.1.2.3 建模深度的優(yōu)化規(guī)則

生產(chǎn)運維階段，主要重點關注的設備設施涉及生產(chǎn)工藝、公用、消防救生等幾大關鍵系統(tǒng)，因此三維可視化模型的建模對象也會有所取舍。針對重要生產(chǎn)工藝管線上的儀表閥門，則需根據(jù)后期的深化應用，進行更細致的精細化建模，如為熱點觸發(fā)、動態(tài)展示、二、三維協(xié)同等細膩展示效果提供基礎模型支撐。

2.1.2.4 材質(zhì)及貼圖要求

紋理材質(zhì)球的名稱應與貼圖名稱保持一致，即所有材質(zhì)球都需要一一對應。其中，材質(zhì)球可以使用標準模板，通過調(diào)整參數(shù)做到與實際想過接近，以達到最原始，最逼真程度的還原；貼圖的文件格式應采用通用的圖片格式，以適用于不同的應用項目中。另外，由于透明貼圖非常消耗GPU資源，因此盡量做到少用或不用透明貼圖。

2.1.3 結(jié)構化數(shù)據(jù)

2.1.3.1 動態(tài)實時數(shù)據(jù)接入

建立實時數(shù)據(jù)緩存數(shù)據(jù)庫，可作為動態(tài)數(shù)據(jù)接入的緩沖區(qū)域，為展示環(huán)境提供延時低、精度高、信息豐富的實時數(shù)據(jù)；在網(wǎng)絡異常的狀態(tài)下，也可通過循環(huán)加載緩存數(shù)據(jù)的方式無縫切換至過渡展示模式，避免出現(xiàn)因數(shù)據(jù)遲滯而引起的系統(tǒng)錯誤狀態(tài)。

2.1.3.2 完整性數(shù)據(jù)補充及完善

切合生產(chǎn)運維的需求，在工程建設階段采集的屬性數(shù)據(jù)基礎上，有針對性對關鍵橇塊或設備對應的子設備屬性信息進行補充、擴充，如吊機設備涉及的電動機、透平發(fā)電機中的原動機等，以便有更豐富、更詳盡的數(shù)據(jù)信息進行展示及查閱，提高生產(chǎn)運維的執(zhí)行效率。

2.1.3.3 關聯(lián)關系信息細化及完善

數(shù)字化系統(tǒng)建設的核心信息，設備設施對象與非結(jié)構化資料間的紐帶及橋梁，更細化、深化的關聯(lián)關系信息的建立，將會極大地提高數(shù)據(jù)信息查閱的便利性，避免人工查閱的低效性，進而影響生產(chǎn)運維事件的處理時效性。

2.2 三維引擎優(yōu)化及應用

2.2.1 三維引擎優(yōu)化級基礎功能建設

通過性能優(yōu)秀的三維引擎平臺，能輕松擴展搭建出一個高效、穩(wěn)定、且功能強大的融合基礎平臺，將前述的所有基礎數(shù)據(jù)信息進行有機融合，并借以直觀的展示方式進行呈現(xiàn)，達到二、三維數(shù)據(jù)的關聯(lián)聯(lián)動、無縫切換的成效。

2.2.1.1 實時數(shù)據(jù)融合

完成與實時數(shù)據(jù)信息的對接，及時響應傳輸端的訪問請求并對數(shù)據(jù)信息進行識別、觸發(fā)等操作，結(jié)合三維可視化模型中按照預設方案定制的“熱點”位置信息，完成模型與數(shù)據(jù)信息的深度映射及關聯(lián)。

2.2.1.2 工藝流程模擬

在三維可視化模型的工藝流程模擬基礎上（暫不涉及設備內(nèi)部的工藝流程），以動態(tài)的形式展現(xiàn)物流在整個工藝系統(tǒng)中的流向狀態(tài)，并通過不同的顏色進行物流介質(zhì)的區(qū)分，直觀地展示模擬效果。還可利用定制化的工具進行相關模擬流程的制定和調(diào)整。

2.2.1.3 實時預警報警

基于實時數(shù)據(jù)、模型融合等基礎應用功能，通過不間斷地監(jiān)測生產(chǎn)運營數(shù)據(jù)，并與經(jīng)驗庫及保護數(shù)據(jù)庫進行比對的方式，針對不符合生產(chǎn)條件或安全條件的數(shù)值信息進行分級別的預警、報警，以便于實現(xiàn)自動化的生產(chǎn)運營監(jiān)控，為最終的決策提供數(shù)據(jù)信息及處理方式支撐。

2.2.2 三維拓展應用展望

2.2.2.1 設備設施遠程智能巡檢

利用三維可視化模型，建立與巡檢現(xiàn)場一致的虛擬場景，借助智能運維輔助設備與遠端的專家進行實時溝通與互動，同時疊加專家系統(tǒng)、數(shù)據(jù)同步系統(tǒng)等輔助信息，實現(xiàn)專家遠程會診，信息融合展示，使生產(chǎn)得到有效的管控，避免人工巡檢的安全風險，實現(xiàn)有效、可靠巡檢，提升企業(yè)的安全管理水平。

2.2.2.2 智能化運營及調(diào)度

在三維可視化模擬模型的基礎上，結(jié)合機理、數(shù)據(jù)模型，以及生產(chǎn)作業(yè)流程，借助智能化巡檢、監(jiān)測等技術，實現(xiàn)自動化的生產(chǎn)，并可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況，進行智能分析、判斷，提供決策支持信息，最大限度地保障生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定，最后將歷史信息進行比對分析，總結(jié)經(jīng)驗，豐富決策分析數(shù)據(jù)庫，形成完善的良性循環(huán)。

2.2.2.3 事故應急處理

基于歷史事故經(jīng)驗數(shù)據(jù)及其他各技術學科的基礎數(shù)據(jù)，構建出與現(xiàn)場一致的三維可視化虛擬場景，實現(xiàn)事先模擬預演以及應急預案指導等功能。提升現(xiàn)場安全的有效管控能力，極大地提高事故處理的及時性，降低損失。

3 結(jié)束語

蓬勃發(fā)展的計算機技術，不斷挑戰(zhàn)并改變著這個世界的運轉(zhuǎn)模式，傳統(tǒng)的海工技術已經(jīng)不能滿足日益快速發(fā)展的行業(yè)需求，必須要與信息系統(tǒng)工程、網(wǎng)絡安全工程、設備設施風險評估、大數(shù)據(jù)分析、虛擬與現(xiàn)實、模擬仿真等行業(yè)或技術充分結(jié)合起來，不斷豐富深度數(shù)字化的內(nèi)涵，才能煥發(fā)出新的生命力，這也是石油化工行業(yè)未來的發(fā)展趨勢。因此，要一如既往，遵循國家的戰(zhàn)略部署，嚴格按照中國海油的奮斗目標努力開拓，不斷提升管控能力，防范安全風險，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展，助力中國海油從傳統(tǒng)管理模式向數(shù)字化、智能化的跨越，終將建成“智慧海油”。