3D GIS在數字化海上鉆井平臺中的應用研究

白啟鵬，孫德鴻，張 銳，張文凱

(1.海油發展北京分公司信息技術開發中心，北京100027;2.北京則泰盛業科技發展有限公司，北京100107)

3D GIS在數字化海上鉆井平臺中的應用研究

白啟鵬1，孫德鴻2，張 銳1，張文凱1

(1.海油發展北京分公司信息技術開發中心，北京100027;2.北京則泰盛業科技發展有限公司，北京100107)

針對海上鉆井平臺工程設備的數字化管理需求，研究如何將三維數字化工程模型與GIS形成有機結合，實現工程建造領域的可視化管理新模式，解決3D GIS平臺在研發和應用過程中的關鍵技術難題。

3D GIS;三維激光掃描;鉆井平臺;可視化管理

一、3D GIS平臺概述

隨著我國海洋開發力度的不斷增加，各個海上采油平臺、陸地終端處理廠及煉化公司也在不斷地發展壯大，如何通過可視化手段對大量的工程設備、設施進行管理已成為各個油田公司在信息化管理道路上的迫切需求［1］。對于區域跨度大、地理分布范圍廣、高精度的工程設備、設施模型，三維地理信息系統(3D GIS)給我們帶來一個新的思路和方向。3D GIS是針對三維高精度工程數字化模型而開發的綜合信息管理系統，它結合石油化工領域的業務特點，可承載海量高精度的工程數字模型，同時可根據具體的生產、培訓等需求來實現專門的應用功能，如圖1所示。

圖1 3D GIS中的海上鉆井平臺

二、3D GIS在石油石化領域的應用方向

1.基礎功能

3D GIS［2］包含了二維GIS的常用功能，如承載并瀏覽高精度的遙感影像數據，加載貼圖文件，通過地理坐標實現對象的準確定位、測繪與仿真計算等功能。同時還具有對三維模型對象的操作功能，如三維模型的承載和編輯、顯隱控制、顏色控制、碰撞檢測、通視分析等。

2.三維瀏覽功能

三維數字化工程模型通過地理坐標可實現在3D GIS平臺中的快速準確定位。管理者可以清晰直觀地了解到所管轄各石油石化廠區和海上平臺的地理位置，從整體上實現了宏觀的管理。對于工程設備、設施也可實現在3D GIS平臺中的高精度瀏覽。

3.數據應用功能

(1)工程資料檔案

在油田工程領域，無論是設計階段、施工階段還是生產運維階段，圖紙信息和現場數據常會發生一些更新和變化。在實際業務中，對于某些設備的過程文檔，查找起來十分復雜，常常存在文件丟失或更新不及時等現象。在3D GIS中，采用以三維模型為基本的管理單元，資料檔案與模型相互關聯的文檔管理模式，實現模型與文檔的交互式訪問。通過模型快速定位文檔，通過文檔逆向查詢模型，進而大幅提高文檔管理和查詢效率。

(2)實時生產數據

3D GIS平臺可通過對SCADA或DCS等工業控制系統的接口開發，將諸如溫度、壓力、流速和流量等動態數據流接入系統內部，并建立其與三維模型的關聯關系。通過對模型的拾取操作實現對重要數據的實時監視。這不僅降低了管理者對于工業控制系統的技術要求，也為管理者進行生產調度和現場指揮提供了第一手的參考信息。此外，對于特殊的重要設備，也可安放實時監控攝像頭，通過動態視頻信號的接入為安全生產提供重要的安全保障。

三、3D GIS在海上鉆井平臺應用的關鍵技術和解決方案

1.海量數據的承載和表現能力

海上鉆井平臺空間狹小，采油與處理設備種類繁多、管線分布復雜，其設備和工藝管線的數字化模型需求精度高、位置準。因此，3D GIS平臺需要對各個設備和關鍵細節進行逐個建模，加之工程三維模型在建模過程中包含大量的面片(一個中等的采油平臺所包含的片面數量一般會超過10萬個)。因此，整個油田群的數據量極其龐大。解決承載能力最為有效的技術手段就是采用動態加載技術，即只有一定控制范圍內可見的三維數字模型參與展示計算、暫駐計算機內存，不可見模型數據隨時釋放內存空間，以提高內存使用效率。具體的控制范圍由視角的高程數據與三維模型的中心點距離根據具體情況在程序中進行控制設定，其運行情況如表1所示。通過動態加載技術，可以大大提高計算機的I/O存取速度和內存效率，提升了3D GIS系統的承載能力和調度能力。

表1 不同模型展現時的內存PF使用率

2.數據在局域網內的高速傳輸

3D GIS在C/S架構的網絡應用中，需要解決海量的模型數據在網絡中的傳輸速度問題，采用一般的C/S架構很難應付如此龐大的網絡帶寬需求。通過研究測試，此問題可以在兩個方面進行優化:①網絡設計方面，采用分布式集群服務器結構和負載均衡技術是解決3D GIS在局域網中如何快速傳輸數據的主要方法。此設計主要是將三維模型數據、地理信息空間數據、資料檔案和動態數據流分別存放在同一局域網內的不同服務器上，應用平臺以并行訪問的形式同時讀取各個服務器，如圖2所示。②硬件方面，將3D GIS的各服務器和客戶端部署在以光纖為傳輸介質的高速局域網內也可大幅提高數據信息的傳輸速度。

圖2 3D GIS局域網架構圖

3.3 D GIS的二次開發

(1)外部數據掛接

在實際的建造、生產和運維過程中，三維模型需要掛接其自身對應的屬性、資料和文檔，實現模型與數據的關聯設置、交互查詢、統計和分析功能。同時在石油石化領域，各種管理系統和資料數據庫已初具規模，若重新收集資料檔案，再去定制和搭建底層數據庫，必定耗費大量的時間和資源。因此3D GIS采用Web Services技術針對所需的資料，在已有數據庫的基礎上開發局域網訪問接口，將現有的資料和檔案與三維模型進行關聯，此技術路線既提升了原有數據庫的實用性，又大大縮短了3D GIS的二次開發周期，如圖2所示。

(2)實時數據流接入

針對實時動態數據流的導入，首先要確定其數據源:①現有的SCADA/DCS系統往往遵從著統一的行業標準，只要熟悉這些SDK函數的使用說明，就可以通過對接口程序的開發將動態數據流導入3D GIS系統并建立關聯關系;②針對沒有連入中控系統的設備設施，可采用安放傳感器的方式將實時數據流接入信號采集前置機，然后通過前置機向實時動態數據流服務器發送信息，最后通過3D GIS的接口開發建立模型與動態數據的關聯關系。

(3)報表統計分析功能

對于3D GIS中的三維數字模型，無論其關聯的是工程資料檔案，還是實時更新的動態數據流，只有將其數據進行合理的統計、分析和展現，才能為上層決策者提供直觀有效的信息。因此，3D GIS在二次開發的時候應該注重各用戶角色對不同數據的需求形式，以有效合理的方式進行統計和分析，提升數據的潛在價值。

4.三維模型的建立

(1)正向建模技術

對于新建或在建的海上采油平臺，三維模型的建立過程往往通過其原始的設計圖紙采用PDMS等工程建模軟件來進行三維模型的創建。這樣可以保證模型與設計圖紙的精確匹配，且模型建立速度快、數據量大小適中。

(2)逆向建模技術

對于已建多年的鉆井平臺，特別是其設計資料保存不完整的老舊鉆井平臺，目前最好的辦法是采用三維激光掃描技術對其進行模型的建立。此方法通過對物體表面幾何體的物理空間分析，得到與物理表面形狀相一致的點云(如圖3所示)，再通過對點云的分析、拼接、建模等過程，進而得到與掃描對象精確匹配的三維數字模型。采用三維激光掃描技術，可以在資料不完善的情況下，創建與實際物體完全一致的三維數字模型(如圖4所示)。

圖3 海上某平臺上層甲板點云圖

圖4 通過點云建造三維工程模型

(3)格式轉換技術

對于高精度要求下的鉆井平臺及其設備設施，往往采用專業化的工程設計軟件或者三維激光掃描技術進行模型的建造，這主要取決于技術需求和原始設計文檔的完善程度;對于中等精度要求的非重點建筑，往往采用3ds Max或Maya軟件進行模型的建造;對于低精度要求的碼頭、區域加油站等，往往采用二維貼圖的方式進行表現，最后通過3D GIS系統為各種不同格式的模型數據提供統一承載、統一展現、統一管理的應用平臺。實際開發中應根據不同的客戶需求，設計不同的解決方案，最后將各種格式的模型和數據統一導入3D GIS平臺。

5.地理信息的獲取

(1)地理遙感影像數據

陸地遙感影像數據的獲取［3］對于3D GIS至關重要，它是體現3D GIS系統核心價值的關鍵要素之一。利用地理遙感影像數據，可以快速查詢各個對象的地理坐標，清晰直觀地反映出各實體對象之間的位置關系。實際應用中，當三維工程模型按照預先給定的地理坐標導入以后，模型的中心坐標與給定的地理坐標往往存在一定范圍的誤差，這些誤差可能是統計原因或技術原因所導致，但無論何種原因，必須通過3D GIS對三維模型進行動態微調，此時的地理遙感影像數據就是微調的質量控制點。通過對主要設備衛星遙感影像的核對工作，就可以保障三維工程模型位置與其實際的地理位置高度匹配，如圖5所示。

圖5 三維模型與衛星遙感影像數據匹配程度

(2)海底地理信息

隨著我國石油勘探技術和海洋開發的快速深入，海上的采油平臺和海上裝備是本3D GIS需要承載的主要對象。對于導管架、海底采油樹、海底光纜、海底輸油管線等海底模型的展現，就必須結合海底的地形地貌。但是目前海底的地理數據較難獲取，同時又具有高度保密的特性，因此在3D GIS中，主要采用虛擬的海底地形和地貌，其真實度還有待大幅提高。

6.長距離輸油管線的展示

長距離管線主要包括海底輸油管線和陸地輸油管線，若采用三維模型對輸油管線進行建模，在高海拔視角下，輸油管線的路由情況是無法被觀測的。若采用矢量線段來展示輸油管線的路由，在具體查看三維模型的時候，其矢量線段的展現形式又無法被拾取，因此無法顯示輸油管線的管徑、管壁、材料等基礎信息。基于此，在3D GIS系統中采用了兩種展現形式結合的方法:①根據起點和終點的地理坐標，在一定高程數據以上的視角，根據地理坐標擬合出直線路徑以便查看路由情況;②在一定高程數據以下的視角，根據地理坐標動態生成首尾相接的長度為2 cm的三維數字化管線模型，同時掛接輸油管線的各種屬性，既達到了長距離輸油管線在宏觀視角下的路由展示，又實現了管線屬性的查詢功能，如圖6所示。

圖6 長距離輸油管線在不同高程數據視角下的顯示模式

四、結束語

3D GIS將高精度的三維工程數字化模型與地理空間信息相結合，充分發揮了三維數字化模型的特點，雖然存在諸多的技術難題，但仍然是未來可視化應用的一個新方向。其在海量數據的承載和網絡傳輸方面，在各類格式模型的相互轉換方面，都需要隨著應用的深化去逐步優化和完善。3D GIS是未來可視化技術發展的必經之路，如果能將其與石油石化領域的各類管理系統相結合，則必將促使我們的管理模式提升到一個新水平、新高度。

［1］ 宋躍濱，孫曉生.石油行業 GIS技術應用現狀與展望［J］.測繪與空間地理信息，2007，30(1):54-60.

［2］ 肖樂斌，鐘耳順，劉紀遠.三維GIS的基本問題討論［J］.中國圖象圖形學報:A輯，2001，6(9):30-36.

［3］ 徐青.地理三維可視化技術［M］.北京:測繪出版社，2000.

［4］ 李清泉，等.三維空間數據的實時獲取、建模與可視化［M］.武漢:武漢大學出版社，2003.

［5］ 王瑜，劉西濤，李健玲，等.3D-GIS技術的發展與應用［J］.甘肅科技，2009，25(8):57-58，75.

Research and Application of 3D GIS in Digital Offshore Oil Platform

BAI Qipeng，SUN Dehong，ZHANG Rui，ZHANG Wenkai

0494-0911(2011)06-0073-03

P208

B

2011-04-28

白啟鵬(1982—)，男，遼寧遼陽人，工程師，主要研究方向為3D GIS在石油石化領域的應用。