基于增強現(xiàn)實技術(shù)的油氣田生產(chǎn)管理研究與實踐

魏可萌,游杰,賀定長,粟鵬,馮思思

(中國石油西南油氣田公司 川中油氣礦,四川 遂寧 629000)

近年來,以智能制造為主導(dǎo)的“第四次工業(yè)革命”浪潮涌現(xiàn),石油行業(yè)已普遍認識到數(shù)字技術(shù)對行業(yè)發(fā)展的巨大推動作用,相繼啟動了油氣業(yè)務(wù)數(shù)字化工作,新一代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)已成為引領(lǐng)創(chuàng)新、驅(qū)動轉(zhuǎn)型的主導(dǎo)力量。隨著中國油氣行業(yè)增儲上產(chǎn)與“油公司”模式推進,一線人員大幅收縮到中心井站,現(xiàn)場操作人員減少,但工作負荷卻增大,并且員工工作存在過度依賴經(jīng)驗、問題處置效率不高等問題,制約了油氣田高效管理,迫切需要利用新技術(shù)新工具轉(zhuǎn)變一線員工工作方式。通過機器協(xié)助工人或替代工人勞動,優(yōu)化勞動組織模式,實現(xiàn)經(jīng)營高效益和資源利用最大化。

增強現(xiàn)實技術(shù)(AR)是一種實時計算攝影機影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像,將“真實世界”信息和“虛擬世界”信息“無縫”集成的新技術(shù),這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把“虛擬世界”嵌入“現(xiàn)實世界”并進行互動。在政府、企業(yè)深入推進兩化融合、大力發(fā)展科技創(chuàng)新,國內(nèi)石油天然氣化工行業(yè)“油公司”模式改革的背景下,將AR技術(shù)應(yīng)用于油氣場站,是油氣行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要探索方向。

1 應(yīng)用環(huán)境分析

1.1 行業(yè)外形勢分析

“第四次工業(yè)革命”以智能工廠、智能生產(chǎn)、智能物流為主題,隨著機器和工廠的互聯(lián)性越來越強,可視化的能力也會越來越關(guān)鍵,而通過AR技術(shù),工人們不光能獲取大量的圖像數(shù)據(jù),還能與之互動,經(jīng)由數(shù)字界面實時控制真實的機器。因此,AR技術(shù)在電網(wǎng)巡檢、城市運維、公安調(diào)度等領(lǐng)域取得了良好的試點成效。隨著全球能源轉(zhuǎn)型步伐的持續(xù)加快,國際油氣行業(yè)正在進入重要轉(zhuǎn)折關(guān)口,面臨著技術(shù)主導(dǎo)未來的歷史性選擇,迫切需要將AR技術(shù)應(yīng)用于油氣場站,打造“技術(shù)主導(dǎo)”的競爭新優(yōu)勢。

1.2 行業(yè)內(nèi)形勢分析

1.2.1人員數(shù)量不足

隨著國內(nèi)石油天然氣行業(yè)“油公司”模式改革,新建場站逐年增多,生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大,人員配置相對減少,加上每年退休的人數(shù)大于新進人數(shù),每個員工的工作內(nèi)容不斷增多,勞動強度不斷加大,生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系的矛盾逐漸顯現(xiàn)出來。AR技術(shù)可以提供可視化輔助判斷,用機器輔助員工工作,平衡員工數(shù)量不足帶來的勞動強度增大。

1.2.2員工能力不同

有人值守井站管理模式下,每個井站員工涉及的操作項目和工作方式較為單一,對各類型井站操作的學(xué)習(xí)與掌握程度不同。在新管理模式下,每個員工管理更多類型與數(shù)量的井站,信息化背景下大量新工藝、新技術(shù)在井站投入使用,對員工能力提出了更高的要求。AR技術(shù)可以提供可視化操作指導(dǎo),輔助指導(dǎo)員工開展檢查維修等工作,平衡員工能力不同帶來的差別化任務(wù)執(zhí)行。

1.2.3問題處置成本高

與常見的集中式工廠作業(yè)以及其他礦產(chǎn)采掘行業(yè)不同的是,油氣開采的作業(yè)場所主要在野外,井站星羅棋布,管道線狀延伸、互聯(lián)成網(wǎng),管理人員趕往現(xiàn)場需要較長時間,現(xiàn)場處置問題不僅成本消耗大且處置時間長。自2020年以來因突發(fā)疫情的影響,石油天然氣公司已開始認識到AR技術(shù)在遠程檢查維護、遠程監(jiān)控、遠程員工培訓(xùn)和遠程協(xié)助中的優(yōu)勢。

2 AR技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

本文以中國石油西南油氣田某井站為研究對象,在井站巡檢、操作維護、遠程協(xié)作等工作場景中,利用AR頭戴顯示式設(shè)備協(xié)助工人或替代工人。AR技術(shù)應(yīng)用包括環(huán)境理解、顯示渲染、交互理解等關(guān)鍵技術(shù),通過圖像、圖形、傳感器分析和應(yīng)用程序的交互作用,促使AR技術(shù)與實際操作相結(jié)合,推進信息技術(shù)與生產(chǎn)運行管理的深度融合,推動油氣田生產(chǎn)組織和管理模式轉(zhuǎn)型升級。典型AR成像流程如圖1所示。

圖1 典型AR成像流程示意

2.1 基于AR技術(shù)的環(huán)境理解

環(huán)境理解是為了讓AR頭戴顯示式設(shè)備認識油氣場站及設(shè)備,主要依靠跟蹤注冊技術(shù),該技術(shù)通過相應(yīng)算法快速地計算虛擬空間與現(xiàn)實空間坐標(biāo)系的映射關(guān)系,使其精準(zhǔn)對齊,從而實現(xiàn)虛擬信息在真實世界的完美疊加。該技術(shù)用于物體識別和定位,識別用來觸發(fā)AR響應(yīng),而定位則是知道在什么地方疊加AR內(nèi)容。當(dāng)對井站進行環(huán)境理解時,主要識別井口截斷閥、壓力表、液位計等26個對象,針對每個對象采集了大量原始樣本數(shù)據(jù),合計視頻存儲量334 G,圖片5.8×104張,并根據(jù)識別結(jié)果疊加AR內(nèi)容。為了保證樣本數(shù)據(jù)識別準(zhǔn)確性,需要多方面采集樣本: 一是在同一光線環(huán)境中不同距離、不同角度下大量采集樣本;二是在不同天氣,不同光線下大量采集樣本,以保證模型的泛化能力。樣本研究數(shù)據(jù)采集情況見表1所列。

2.1.1環(huán)境樣本數(shù)據(jù)管理

樣本數(shù)據(jù)主要包括原始數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)標(biāo)注、數(shù)據(jù)增強等方面的工作,最終產(chǎn)出物為樣本訓(xùn)練集。樣本訓(xùn)練集的數(shù)量及質(zhì)量是確保人工智能模型最終應(yīng)用效果的前提。該研究針對表1中采集的樣本照片進行管理,由于樣本原始數(shù)據(jù)較多,針對樣本數(shù)據(jù)管理各環(huán)節(jié)的工作內(nèi)容及技術(shù)要求,該研究結(jié)合信息技術(shù)手段完成了樣本數(shù)據(jù)管理工作流程及工具集的開發(fā),通過鏡像翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、隨機縮放、增加噪聲、摳圖隨機融合等方法增強數(shù)據(jù),實現(xiàn)了樣本數(shù)據(jù)的自動化管理,單位時間內(nèi)樣本訓(xùn)練集的產(chǎn)出效率及質(zhì)量較手工準(zhǔn)備樣本數(shù)據(jù)提升較大。

2.1.2環(huán)境樣本模型訓(xùn)練

該研究選取了油氣作業(yè)場景下的3個典型的檢測目標(biāo): 液位計、壓力表、緩蝕劑閥門。在主流算法模型Faster RCN,SSD,YOLO中檢測上述目標(biāo)的性能表現(xiàn),如圖2所示。可以看到,在模型精度方面,SSD模型檢測平均精度能達到95%,顯著高于Faster RCN模型和YOLO模型;在處理速度方面,YOLO模型的表現(xiàn)明顯優(yōu)于其他2個模型,但SSD模型也能達到在移動端實時檢測的效果。綜合精度和處理速度的表現(xiàn),最終選定SSD算法用于樣本模型訓(xùn)練?；跇颖緮?shù)據(jù)管理工具,利用TensorFlow人工智能框架,通過開展深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計、模型訓(xùn)練迭代、模型調(diào)參,完成了該井站的26種樣本人工智能檢測模型的訓(xùn)練,實現(xiàn)AR頭戴顯示式設(shè)備快速準(zhǔn)確識別物體。

圖2 三種算法模型測試結(jié)果示意

2.2 基于AR技術(shù)的顯示

目前,AR技術(shù)實現(xiàn)虛實融合顯示的主要設(shè)備有頭戴顯示式、手持顯示式以及投影顯示式等。考慮到石油天然氣操作人員需要用雙手進行操作,該研究使用頭戴顯示式設(shè)備,疊加顯示現(xiàn)場環(huán)境。

AR頭戴顯示式設(shè)備的光學(xué)顯示系統(tǒng)通常由微型顯示屏和光學(xué)元件組成,主要分為LCoS+棱鏡、Micro OLED+自由曲面、LCoS/DLP+光波導(dǎo)、LBS+全息反射薄膜四類光學(xué)顯示系統(tǒng)?？紤]到石油天然氣生產(chǎn)現(xiàn)場管線設(shè)備復(fù)雜,員工操作時需要看清現(xiàn)場路線,且不能對視野造成遮擋,同時因生產(chǎn)現(xiàn)場為室外環(huán)境,需要在強光下看清圖像顯示,所以該研究選擇LCoS+棱鏡光學(xué)顯示的頭戴顯示式設(shè)備。

2.3 基于AR技術(shù)的交互理解

交互性是AR技術(shù)的關(guān)鍵要素之一,包括設(shè)備對人的感知,人和設(shè)備的交互等。AR技術(shù)涉及的交互方式包括: 追蹤定位、手勢交互、機器視覺、觸覺反饋、眼球追蹤、沉浸聲場以及虛擬移動等技術(shù),考慮到現(xiàn)場操作的方便性,該研究采用語音、手勢交互方式,讓使用者在真實油氣場站中實現(xiàn)與虛擬信息的互動。

3 基于AR技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 AR巡檢

場站巡檢是指按照工作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),定期對場站大門及井場、井口區(qū)域、工藝流程區(qū)、信息設(shè)施、水電設(shè)施、房屋、儀表控制室及配電房等區(qū)域進行巡視檢查,確保生產(chǎn)安全及受控。該研究以AR頭戴顯示式設(shè)備為載體,將場站巡檢內(nèi)容細化成“一站一案”,以工單的形式顯示每一步需要巡檢的內(nèi)容,識別工人巡檢過程中關(guān)鍵檢查項,如出站氣動閥、自控權(quán)限切換開關(guān)、壓力表讀數(shù)等,自動判斷目標(biāo)對象狀態(tài)是否正常,并將判斷結(jié)果展示出來,構(gòu)建真實環(huán)境與虛擬現(xiàn)實相結(jié)合的場景。巡檢執(zhí)行完成后,將過程數(shù)據(jù)上傳至后臺,支撐場站巡檢工作的可視化監(jiān)督、多維度評價和可量化考核。通過AR識別與判斷,有利于巡檢質(zhì)量與巡檢效率的提升。以儀表控制室及配電房區(qū)域為例,AR巡檢內(nèi)容、識別對象及顯示見表2所列。

表2 儀表控制室及配電房區(qū)域AR巡檢內(nèi)容、識別對象及顯示

3.2 AR操作維護

場站操作維護是指員工根據(jù)規(guī)定的維護保養(yǎng)周期,遵循操作規(guī)程和操作卡,開展場站設(shè)施設(shè)備的操作、維護保養(yǎng),確保場站流程設(shè)備整體無銹蝕,無防腐死角。該研究以AR頭戴顯示式設(shè)備為載體,選取壓力表更換操作、緩蝕劑加注工作,將操作維護內(nèi)容細化成“一站一案”,以工單的形式顯示每一步需要操作的內(nèi)容,并對關(guān)鍵操作步驟項進行識別,如壓力表取源閥、加注流程回流閥等開關(guān)操作,并將作業(yè)步驟以虛擬動畫的方式重合疊加在作業(yè)對象上面,再指導(dǎo)員工進行每步操作和確認。操作維護執(zhí)行完成后,將過程數(shù)據(jù)上傳至后臺,支撐一線場站常規(guī)操作、維護保養(yǎng)等工作的可視化監(jiān)督、多維度評價和可量化考核。通過AR識別與指導(dǎo),有利于提高作業(yè)活動的質(zhì)量與安全。AR操作維護示例見表3所列。

表3 AR操作維護示例

3.3 AR遠程協(xié)作

在調(diào)度中心電腦、AR頭戴顯示式設(shè)備、手機建立三方視頻通話的協(xié)作環(huán)境,現(xiàn)場員工佩戴頭戴顯示式設(shè)備可以與后端調(diào)度指揮中心電腦、專業(yè)技術(shù)人員手機進行視頻通話,后端指導(dǎo)人員可實時看到現(xiàn)場員工看到的第一視角畫面。視頻協(xié)作過程中同時在操作畫面上進行AR動態(tài)標(biāo)注、文字和圖片分享,現(xiàn)場員工可以在頭戴顯示式設(shè)備上看到分享的資料,實時指導(dǎo)操作,轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的“單兵作戰(zhàn)”為遠程可視化支持,提高了故障處置效率,簡化工作流程節(jié)點。

3.4 AR進出站管理

將人臉識別技術(shù)應(yīng)用于AR頭戴顯示式設(shè)備,建立內(nèi)、外部人員信息管理庫,通過頭戴顯示設(shè)備自動識別、快速驗證井站來訪人員,并將來訪人員姓名、工作單位等信息通過AR頭戴顯示式設(shè)備可視化面板反饋給井站員工。當(dāng)發(fā)現(xiàn)證件信息與持證人員不一致時,系統(tǒng)會自動提示井站加強人工核查工作,防止人員信息造假,提高安全管理等級;自動記錄來訪人員姓名、工作單位、進出站事由、人員數(shù)量等信息,準(zhǔn)確生成進出站記錄,減少證件檢查、核對等環(huán)節(jié),縮短進出站管理流程,提高進出站管理效率。

3.5 AR監(jiān)督管理

選取磨溪008-17-X1井口出站至分離器段埋地管線建立埋地管線模型,并與地面管道進行適配性擬合,實現(xiàn)佩戴AR頭戴顯示式設(shè)備后,以AR方式展示該井站出站至分離器段天然氣埋地管線的3D即視顯像與埋地管線重要信息、精準(zhǔn)定位埋地天然氣管線的分布,與地面管線無縫銜接顯示,并且可以隨著員工走動實時動態(tài)加載可視范圍內(nèi)的管網(wǎng)信息。以增強現(xiàn)實的方式提供人與場站、隱蔽工程之間更加直觀的交互方式,為現(xiàn)場監(jiān)督提供新方法,提高現(xiàn)場安全性。

4 結(jié)束語

本文提出的環(huán)境樣本數(shù)據(jù)管理方法,對數(shù)據(jù)集進行數(shù)據(jù)增強和自動化標(biāo)注,達到生成海量、多樣式、多場景化數(shù)據(jù)的要求,提高人工智能模型的識別效果。在AR頭戴顯示式設(shè)備端使用SSD模型目標(biāo)檢測技術(shù),可以實現(xiàn)對場站設(shè)備、儀表等智能化識別。將AR技術(shù)融合應(yīng)用于油氣場站,把人工智能作為一個工具,建立新型人機交互模式。AR頭戴顯示式設(shè)備具有解放雙手的用戶界面,可實現(xiàn)一線班組巡檢、維護保養(yǎng)、遠程指導(dǎo)、進出站管理、監(jiān)督管理等關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程的全過程智能化輔助管理,實現(xiàn)以機器輔助甚至替代人工勞動,推動生產(chǎn)管理由井站獨立管理向一體化協(xié)同運行模式轉(zhuǎn)變,支撐油氣田企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展。