AR技術在油氣田地面工程設計中的應用及前景

程浩力 劉中民,2 蔡峰峰 張連來 馬曉天 孫學藝 胡京民 王 鵬

1. 中國石油工程建設有限公司北京設計分公司, 北京 100085;2. 中國石油工程建設有限公司, 北京 100120;3. 國家石油天然氣管網集團有限公司工程建設本部, 北京 100013;4. 國家管網集團榆濟管道有限責任公司, 山東 濟南 250101

0 前言

1977年《星球大戰》系列電影正傳第一部《星球大戰:新希望》中,展示了一種非常超前的全息影像技術,它作為電腦特效出現,但是卻預測了未來。30年后,3R技術(虛擬現實:Virtual Reality,VR;增強現實:Augmented Reality,AR;混合現實:Mix Reality,MR)使得《星球大戰》系列電影所展現出來的未來科技已經逐漸成為現實,并成了當前科技界的熱點。VR技術是電腦模擬的虛擬世界,強調沉浸感,目前已成熟應用于游戲及影視娛樂;AR技術為將虛擬信息疊加至真實世界中,強調現場感及交互性,已逐漸在商業和工業中推廣;MR技術作為AR技術的進一步發展,更強調在真實世界強化虛擬對象,虛擬物體和真實世界中的物體能夠相互遮擋并可相互自然地融合及實時互動,具有真實空間感,目前正在發展完善。廣義來說,AR比MR更寬泛,MR比AR更加嚴格,MR可視為AR的子集。虛擬圖像與現實世界無縫融合的AR技術以及建立在AR技術之上的MR技術已在醫學、娛樂、教育和工程等各方面逐步進入實質性應用。隨著AR技術涉及的軟件和硬件的提升,近5年來,逐漸走向成熟的AR技術在石油天然氣行業中的應用案例也越來越多。

以云計算(Cloud Computing)、移動互聯(Mobile Connectivity)、人工智能(Artificial Intelligence,AI)、大數據(Big Data)和工業物聯網(Industrial Internet of Things,IIoT)等為代表的第四次工業革命(The Fourth Industrial Revolution,4IR)帶來的浪潮以及全球新冠疫情大流行和低油價帶來危機,數字化轉型對于石油公司來說已從嘗試探索變成了迫在眉睫的生存之道。石油公司的很多項目也開始采用包括智慧管網、數字孿生等在內的技術[1-2],AR技術與其他第四次工業革命的技術相互融合,已經開始作為很多石油公司數字化道路上采用的技術手段,在降低成本、提高運營效率和提高工作場所安全等方面發揮了重要作用。為此,回顧了AR技術近年來商用發展及市場化成功的可穿戴設備在石油工業中的使用案例,探討了AR技術在油氣站場設計、線路設計及現場配合施工中的應用前景,期望對行業內有興趣研究及使用AR技術的設計人員提供參考。

1 AR技術簡介及商用發展

Azuma R T[3]在1997年提出的AR定義是目前被廣泛接受的定義,即AR是具有虛實結合、實時交互、三維注冊等三個特征的系統。第一個真正的計算機生成的AR體驗可以追溯到計算機圖形學(CAD)之父和VR之父Sutherland I E的成果,他于1963年在麻省理工學院開發了世界上第一個交互式圖形應用[4],1968年他與Bob Sproull一起創建了第一個原型AR系統[5]。Sutherland I E的理念隨后在NASA及美國空軍為代表的美國軍政部門及一些大學的實驗室中一直默默發展,電腦和工業領域在幾十年后才體會到其理念帶來的劃時代變革[6]。以Azuma R T為代表的美國學者一直在跟蹤調查AR技術在理論和應用方面的進展[3,7-9],中國學者在21世紀初開始大量跟蹤AR技術的發展[10-14]。1999年,Kato H及Billinghurst M[15]基于C/C++開發了開源AR軟件開發工具包ARtoolKit,并在華盛頓大學HIT實驗室發布,該工具使開發人員無需構建自己的跟蹤系統即可構建AR應用程序,很多程序員基于此項開源代碼完成了AR程序及應用的創建。AR顯示設備可以使得用戶同虛擬現實內容進行自然交互,而虛擬內容則與周圍的現實世界融為一體,用戶則可以始終保持與現實世界的互動[8]。21世紀初,AR技術在博物館及主題公園的虛擬展示及體育比賽轉播中開始逐漸應用,隨后應用于游戲及電視直播領域。隨著基于Flash、智能手機及全球商業營銷的發展,AR技術在21世紀第10個年頭得到了發展,2015—2017年短短兩年間,從微軟、亞馬遜、蘋果、谷歌等老牌科技公司到AR初創公司,行業新品如雨后春筍般出現。

2015年1月微軟公司發布了頭戴式顯示器Microsoft HoloLens,2019年2月又發布了升級版的HoloLens 2。微軟公司的HoloLens采用MR技術將計算機圖像與現實視野相結合,以真實自然的方式實現全息圖的觸摸、抓握和移動,目前已廣泛應用于軍隊軍工、航空航天、醫學、汽車等領域,成為迄今為止最為成功及實用的AR頭戴顯示設備之一。

2017年4月AR初創公司RealWear推出了帶有AR功能的RealWear HMT-1工業可頭戴計算機,2018年6月推出了可用于石油化工行業環境的RealWear HMT-1 Z1防爆型工業頭戴計算機,RealWear頭戴計算機一經推出,就廣泛應用于工業領域。

2017年6月和8月,蘋果公司和谷歌公司分別公布了各自的AR開發平臺ARKit和ARCore,使得軟件開發者在應用廣泛的iOS和Android系統上開發了大量的AR應用工具。

2021年1月13日IDC發布了2021年AR/VR市場10大預測,其中預測中國市場規模仍將保持支出規模第一的位置,將占到全球56%[16]。2020年12月26日中國國家發展改革委聯合教育部、科技部、工業和信息化部等多部委發布《關于推動公共實訓基地共建共享的指導意見》中提出指導支持各地加強公共實訓基地建設,鼓勵在公共實訓基地開展新產業、新技術、新業態培訓,助推VR、AR、AI和電子商務的應用。

面對中美迅速發展的VR/AR/MR的產業,歐盟2020年12月發布的《數字時代的歐洲媒體:支持復蘇和轉型的行動計劃》[17]中,提到希望建立統一的 VR/AR 產業聯盟以促進跨行業合作,從而確保歐洲在所述領域的領先地位,預計到2030年,VR/AR有望為全球經濟帶來約1.3萬億歐元的產值。

2 AR可穿戴設備在石油工業的探索應用

已持續近1年的低油價及全球新冠疫情大流行的局面，使得石油公司不得不面對削減成本、遠程辦公、遠程協助、遠程維護檢修等問題,各大石油公司被迫將尚在嘗試中的數字化轉型提前推到前臺,AR技術也越發得到石油公司的關注和應用。石油公司已開始認識到AR技術在遠程檢查維護、遠程監控、遠程員工培訓和遠程協助中的優勢。目前,石油公司已開始與微軟公司、谷歌公司等科技巨頭合作開發專用的AR技術及穿戴設備,一些AR科技初創公司及游戲引擎開發公司也逐漸參與其中以滿足石油公司的特殊需求,目前AR技術在石油天然氣領域的應用已經逐步推廣。

英國石油巨頭BP公司很早就開始嘗試可視化技術和AR技術的開發應用,并大力發展數字孿生技術,開展數字化轉型的努力。2017年,BP公司使用AR初創公司Fieldbit公司的Fieldbit Hero智能眼鏡,使用實時視頻使在控制室的專家可以看到現場技術人員的所見,從而確保問題的準確診斷。然后,使用AR技術，Fieldbit Hero智能眼鏡可使專家在技術人員從事設備修復工作時,將易于理解的視覺指令和來自控制系統的實時數據疊加到技術人員的視野中。通過AR技術的使用,BP公司提高了運營安全性和運營效率[18]。Fieldbit Hero智能眼鏡在BP公司的應用見圖1。

圖1 Fieldbit Hero智能眼鏡在BP公司的應用照片

2018年，雪佛龍公司與微軟公司合作,為其現場技術人員配備了微軟Hololens頭顯來開展日常維護及專家遠程指導。借助HoloLens頭顯遠程協助的優勢,雪佛龍公司位于各地的專家可以為分布全球的工廠和項目提供遠程指導,不同工廠及項目的員工也可以遠程協作及協助,從而使得旅行成本及相關風險得到降低,并提高了效率[19]。微軟公司Hololens頭顯在雪佛龍公司的應用見圖2。

圖2 微軟公司Hololens頭顯在雪佛龍公司的應用照片

2018年5月,霍尼韋爾公司發布了智能可穿戴設備Skills Insight,該設備結合了RealWear HMT-1Z1頭顯和霍尼韋爾Movilizer平臺,支持危險場所現場服務運營。可響應語音并具有作業程序可視化、實時數據可視化、視頻捕捉及回放、語音控制及搜索、遠程專家待命、地理定位及導航、資產可視化、緊急疏散及救助等功能[20]。2019年，殼牌公司為開展數字化轉型,聯合霍尼韋爾公司在美國、中國、德國等12個國家和地區的運營地點部署RealWear HMT-1Z1頭顯并通過專家遠程指導方式成功解決故障。2020年7月,法國石油巨頭道達爾公司在美國得州拉波特的聚丙烯工廠中部署了RealWear HMT-1Z1頭顯,其遠程協助功能使得道達爾公司在專家差旅成本及新冠疫情防控上取得了明顯的效果。RealWear HMT-1Z1頭顯在霍尼韋爾公司的應用見圖3。

圖3 RealWear HMT-1Z1在霍尼韋爾公司的應用照片

中東石油巨頭沙特阿美石油公司的奧斯曼尼亞天然氣工廠使用無人機和頭戴設備來檢查管道和機械設備,幫助工廠縮短了90%的檢查時間。2020年,沙特阿美石油公司利用AR設備遠程監視設備和材料制造,評估了韓國的鋼管制造商。沙特阿美石油公司認為AR頭戴設備的使用不僅降低了新冠疫情傳播風險,還為沙特阿美石油公司的數字化轉型計劃錦上添花。

De Souza Cardoso L F等學者[21]調查了2012—2018年間AR技術在工業中的應用,涉及建筑工程和設施管理(AEC/FM)、航空、汽車、電子/自動化、能源、政府、物流、船舶和機械等領域,發現AR技術在提高生產靈活性、降低操作時間、提高生產質量、增加操作人員安全及健康、促進決策等方面均有顯著效果。2021年10月,著名數據分析公司GlobalData發布了《石油和天然氣的增強現實》(Augmented Reality in Oil and Gas)報告[22],報告預計未來三到五年內AR技術有可能對油氣行業的傳統運營部門產生顛覆性影響。

3 AR技術在油氣地面工程設計中的應用

3.1 站場設計

AR技術在景觀設計、城市規劃及工程評價等領域的應用已得到眾多學者的研究和探索,王靖濱等人[23]基于Visual C/C++6.0開發工具實現了AR景觀規劃系統,將設計對象和真實世界相融合并對設計人員提供了良好的幫助。管濤等人[24]設計并實現了基于增強現實的虛擬小區規劃系統,證明了增強現實技術在小區規劃應用中的優勢。申杰等人[25]利用AR技術對大型建設項目可視化評價進行了探討,結果表明采用AR技術提高了工作效率并帶來巨大的經濟效益。Phan V T等人[26]基于AR技術和Google Earth創建了ARCdesk程序,方便建筑設計和城市規劃。

已在景觀設計及城市規劃中探索使用的AR技術,在油氣管道站場規劃設計中同樣有著光明的應用前景。雪佛龍公司在墨西哥灣的馬洛油田中,設計工程師將3D設計模型全息投影到會議室中,使得現場工程師和專家能夠準確看到模型外觀,并在部件裝配前測試間距、評估安全性并核驗其他設計問題。

油氣管道設計中廣泛使用的CAD、PDS、SP3D、PDMS等設計軟件完成的3D模型往往只停留在設計人員電腦中,在常規工程建設現場最終都是以打印的2D平面圖紙作為結果,使用效果大打折扣。AR技術的使用可以將3D模型的全息影像投射到現實世界,將設計成果可視化,提升了工程師對模型進行評估和改進的能力。例如,設計人員可以結合AR開發平臺編輯應用程序,將設計模型及成果導入頭顯等AR設備,采用AR在現場完成等比例的站場3D模型投影后,設計和施工工程師可以置身其中,對模型按照實物狀態進行審核,親身體驗置于現場的模型,確定設計合理性,在施工之前發現問題并及時處理;監理工程師在現場施工過程中及施工完成后,可以摒棄耗時的常規2D圖紙現場校核模式,采用AR技術將模型投射到實體上進行對比,從而評估實物同3D設計模型的匹配度,提升質檢的準確性和效率;運營工程師可以走進投射到現場的虛擬工藝裝置區,體驗設備及管道的人體工程學情況,在工程完成前對裝置區各功能進行熟悉及模擬操作,不僅能提前將問題在施工前及時反饋給設計改進,還能有助于提高操作熟練程度和投產安全。

AR技術的可視化功能使得各類工程師在項目完成前就能達到身臨其境的狀態,在設計、模型審查、施工及運營等整個項目生命周期都可以起到輔助作用。

3.2 線路設計

AR技術目前已在地理信息系統及城市地下管網規劃中得到嘗試應用。孫敏等人[27]提出了ARGIS概念,將地理信息系統(GIS)同AR技術相結合,使得GIS的虛擬數字化空間同AR的實時交互有效結合。常勇等人[28]提出了基于RTK GPS同測角傳感器相結合的戶外混合AR系統,探討并驗證了其在地下管網3D可視化中的應用,使用AR技術可以觀察到地下縱橫交錯的各類管線的走向、相互位置,并可進行相關的查詢和分析,有效地解決管網管理中存在的很多難題。周玲等人[29]設計了城市地下管網AR系統,利用ARCore實現了管道模型的虛實融合,可以多方位實時查看。

目前管道線路的設計基本上是基于2D的平面斷面圖設計,今后,在油氣管道線路設計中,AR技術的3D虛實結合顯示模式在以下兩方面會有一定的發展空間。

1)在油氣管道大中型穿跨越設計中,借助AR技術,可以將設計圖紙同地理信息系統或Google Earth相結合,將設計成果同現場的數字化3D地形結合,專業內校審及設計方案評審階段都可以讓參與者體驗設計成果的實際效果,從而給出更好的指導意見,有助于設計成果的完善。

2)在管道完成設計后,導入AR應用程序,并將已建管道、已建光電纜、已建道路、房屋等測量信息3D化后導入AR程序,使用AR設備即可以看到擬建管線同已建設施的空間位置關系,有利于判斷穿越方式、穿越埋深、管道走向、安全距離等是否合理。

3.3 配合施工

何波等人[30]采用文獻分析法對2013—2019年間工程施工中AR技術應用的文獻進行了分析,研究發現AR技術在進度監控、質量控制、組裝模擬等方面得到較多的應用,同時指出AR技術在施工時面臨的位置感知、對齊和遮擋等問題需要進一步解決。2019年6月,中國石油在陜京四線采用了RealWear HMT-1Z1配合施工,減少了專家及設計人員出差成本。

AR技術在配合施工具備的優勢表現在以下兩方面。

1)遠程指導,節省成本。目前設計單位現場配合施工的主要方式是通過各種交通工具到現場實地出差,項目投產之前往往需要不同專業數十人現場配合施工。采用AR技術后,現場僅需要在不同場區配備少量主要專業的設計人員,各專業負責人則可以在單位辦公室通過與現場設計人員頭戴的AR設備連線,設計成果導入AR設備后連線雙方均可以看到,辦公室的專業負責人可以在設備上輸入及標識解決辦法或語音溝通指導,現場人員隨時讀取,從而解決問題。AR技術的采用,不僅使人員差旅成本降低,還降低了差旅過程中的風險;同時由于免除了往返時間,提高了解決問題的效率;使設計負責人在短時間內為不同項目遠程指導更加便利。

2)設計成果可以在現場可視化、數字化工作流、提高生產效率并減少錯誤。比如,將管道線路全線的壓力、管徑、壁厚、埋深、穿越等設計參數輸入AR系統,配合AR系統的定位及現場3D全息投影技術,設計人員頭戴AR設備,在現場實時看到正在施工或將要施工的虛擬管線,并可隨時調出該處管線的埋深、穿越情況、壓力、管徑等信息,提高了發現問題和解決問題的能力,提高了工作效率。

3.4 數字化成果交付

隨著4IR時代的到來及快速發展,近年來,工程建設領域已逐漸從傳統的設計施工模式全面轉入數字化時代[31-35]。對于各工程設計公司,設計成果的數字化移交是其發展目標之一及實現數字化轉型的標志。設計成果數字化移交不僅推動了工程設計公司業務的轉變和進發,最重要的效果是使得業主運營單位可以在后續依據數字化移交的數據文件及3D模型實現廠/站，及其站外管道的全生命周期的數字化,方便開展資產管理及運維管理。具備的虛實結合、實時互動及數據檢索等功能的AR/MR技術可結合3D數字化移交成果,在生產企業的員工培訓、維修前演練、運營維護過程中的指導等方面發揮作用。

4 結論與思考

低油價、新冠疫情及第四次工業革命帶來了石油工業數字化轉型的迫切需求,大數據分析、工業物聯網、機器人與無人機、人工智能、云計算、3D打印、虛擬現實/增強現實/混合現實等數字化領域的新技術逐漸得到應用,中國石油企業在創建智慧管網等數字化轉型方面已經開始探索及發力。在全球新冠疫情大流行及低油價帶來的行業危機中,提高效率和遠程辦公(遠程協助、遠程培訓等)的常態化將促進AR/MR等新技術的使用和發展。

目前,AR技術隨著智能手機和平板電腦的廣泛應用已逐漸普及,隨著軟硬件的進步及同物聯網、大數據和人工智能等技術相結合,AR可穿戴設備在石油和天然氣工業中將易于發揮作用。AR/MR頭戴設備具有解放雙手的用戶界面、遠程指導、減少差旅、智能檢索、數據可視化、數字化工作流等功能,對油氣管道的設計、施工、運營都會產生積極影響,也對提高生產效率、增強工作場所安全、降低成本至關重要。