虛擬現實技術助推油氣田數字化工廠建設

王喆

（中石化石油工程設計有限公司，山東東營257026）

虛擬現實（VR）技術作為一種科技成果，被廣泛應用于制造業、醫學、信息行業等眾多領域。依靠先進的仿真技術，VR 可以為受眾提供逼真的三維可視化、可觸化體驗。目前，國內油氣田領域正在進行數字化轉型，眾多新建工廠和改造站場均按照數字化工廠模式進行建設。區別于傳統建設模式，數字化工廠在建設過程中會產生大量數據。如何利用這些數據，并將其呈現給建設階段使用者使用，是虛擬現實技術解決的主要問題。

1 數字化工廠特點

數字化工廠是隨著數字仿真技術和虛擬現實技術發展而來的，它通過對真實工業生產的虛擬規劃、仿真優化，實現對工廠產品研發、制造生產和服務的優化和提升，是現代工業化與信息化融合的應用體現[1]，見圖1。

圖1 實際工廠與數字工廠對比圖

數字化工廠作為油氣田開發領域智能制造的標志，其涵蓋意義不僅僅是實體的工廠建設完工，更是工程建設數據的集成。建成后的數字化工廠具備以下幾大功能：工廠生產經營模型和大數據管理、全生命周期預知預防的設備管理、生產流程的實時監控和協調、工廠實時仿真和各類場景培訓。相比傳統工廠模式，數字化工廠具有以下特點。

1.1 數據化

所有工廠內的設備、管道等基礎設施，除了實體表向外，均包含數據支撐。通過在設計和施工階段的數字化移交，提供基礎數據；投入運行后，結合運維階段的各類參數變化，進行數據資源整合，最終實現全生命周期的數據管理。因此，數據化是數字化工廠實現的根基。

1.2 集成化

工廠在形成數據倉儲后，存在著大量獨立數據。為了便于管理，需要對各個相對獨立的部分進行系統整合，這就是集成融合的過程。數據只有進行過集成化處理，才能使工廠數據得到充分的利用。因此，集成化是數字化工廠形成的必經之路。

1.3 可視化

可視化主要解決了人機工程學領域中的人機界面問題，通過創建易于觀察的操作界面，使得工廠底層數據能夠反饋給需求者。另外借助虛擬可視化技術，數字化工廠可以開展各類模擬，滿足安全生產需要，提高數字化工廠利用率。

1.4 智能化

智能化作為數字化工廠的終極目標，主要表現形式為：基于整合完成的數據化資源，操作人員借助可視化媒介對工廠進行智能控制；通過建立上下游邏輯關系，借助站控系統的支持，整個工廠實現計算機遠程智能控制，達到無人值守要求。

2 虛擬現實技術應用研究

利用強大的三維處理引擎和格式轉換軟件，虛擬現實技術可以將設計、施工、運維中產生或者需要的各類數據文件進行統一處理，為相關用戶提供可視化終端服務體驗。在數字化工廠的生命周期內，虛擬現實技術穿插其中，主要表現形式如下。

2.1 設計階段

設計階段作為整個數字化工廠建設期的起步階段，主要工作就是創建可視化工廠模型，并在完成基礎參數錄入工作后移交業主管理平臺。經總結，虛擬現實技術在該階段主要用途包括：已建工廠數據復原、三維模型協同校審及數字工廠移交等。

2.1.1 工廠數據復原

其中工廠數據復原主要是通過三維測量工具，實現已建站場的三維建模復原。其技術手段為利用掃描三維點云形成現場真實模型，完成格式轉換后導入三維設計軟件內，提供最真實準確的參考，見圖2。

圖2 點云數據導入三維設計模型效果圖

2.1.2 三維協同校審

三維協同校審是在設計周期內，用于設計方檢查設計成果的一種手段。利用虛擬設備的多人協同功能，校審人員可以身臨其境地審查，并在模型內直接保留校審信息，提高校審效率和準確性。

2.1.3 數字工廠移交

設計方采用的三維工廠與運營方進行管理的可視化工廠并不相同，為了實現最終的工廠移交，需要利用虛擬現實技術提供的數字工廠做媒介。工廠支持EPC 多源格式加載，解決總承包項目中多方設計采用不同軟件，無法進行打包交付的問題。

2.2 施工階段

施工作為工廠全生命周期內的實施環節，其質量高低、進度快慢，對于整個工程的整體效益會產生深遠影響。施工階段也分為：施工設計、施工培訓和施工實施三個步驟。虛擬現實技術以其逼真的可視性和便捷的可操作性，在施工階段發揮重要作用。

2.2.1 施工設計

以往，施工設計（加工設計）中施工人員在拿到設計提供的圖紙后，需要進行二次建模，從而進行施工組織合理性分析。在虛擬現實技術的支持下，施工設計人員可以利用VR 對工料的虛擬原型進行幾何、結構、功能、制造等方面的交互建模與分析[2]。既減少了重復建模時間，也提高了工作效率。

2.2.2 施工培訓

采用可視化施工培訓可以減少對場地和環境的要求，施工人員可以借助體感設備進行模擬演練。特別是針對吊裝作業等涉及高危作業領域，采用虛擬場景進行培訓，可以更加安全地規范作業流程，起到防微杜漸的作用。

2.2.3 施工實施

施工實施過程中施工管理人員可以針對施工進度、施工質量等形成可視化圖形報表，管理人員可以較為方便的安排施工周期；施工作業者則可以對照虛擬施工模型，按需對負責部分進行虛擬安裝核實，保證施工質量。

2.3 運維階段

工廠在完成數字化移交后就進入了運行階段，此時需要運營方考慮的不僅僅是靜態的參數，與生產參數相關的動態參數和各種運行需求成為重點。虛擬現實技術以其高度還原性、可擴展性，融合站場管理平臺和智能站控系統，帶來了工廠管理模式的變革。主要體現在生產動態模擬、設備數字化管理、虛擬操作培訓等方面。

2.3.1 生產動態模擬

生產動態模擬是以工廠生產調度指揮中心數據為基礎，虛擬三維站場模型為載體，實現虛擬運行參數與實際運行參數的動態模擬仿真。其主要實現方式是建立參數關聯，將原設計的靜態參數與生產過程中的動態參數利用工藝計算模型進行關聯。管理方可以將模擬數據與現實數據進行比對，從而進行產量預測和計劃調度調整。

2.3.2 設備數字化管理

設備數字化管理是指通過建立設備數字臺賬，將現場設備的運行狀況、維護時間等數據引入虛擬化工廠內。數字化工廠在整合現場數據資源后，借助同類設備大數據資源可以模擬出設備的可靠性曲線，從而開展設備故障預測分析，對關鍵參數進行智能監測。

2.3.3 虛擬操作培訓

虛擬操作培訓主要解決了環境和安全因素對人員培訓的制約。在虛擬工廠內，培訓人員既可以進行常規地虛擬裝配模擬、維修方案模擬，也可以加入事故工況下的應急演練模擬。對于油氣田場站這種高危場所，這是非常有利的。

3 結語

根據中國工程院規劃的《中國制造2025》，中國工業發展正在通過信息技術和制造技術及工業自動化技術相互融合，用精益管理取代粗放管理，由生產低端產品向制造高端裝備過渡。對石油石化行業來說，工業改革相應帶來的是建設成本增加，建設周期緊張。但是從長遠角度來看，數字化和智能化是未來社會進步的方向，也是工業發展的必經之路。利用日新月異的虛擬化技術，石油石化行業可以加快數字化與智能化融合腳步，進一步提升產業價值，并逐步實現“數字化工廠、智能化油田”的最終目標。