深度數字化技術在半潛式生產平臺中的應用研究

劉 霖，張建勇，鐘 華

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

0 引言

目前，工程數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。如何在現有基礎上，對工程數字化過程中工程文件、工程模型及工程數據的采集范圍、類型、顆粒度等方面進行深化研究，并基于自主研發且高效穩定的三維引擎技術，實現各類工程信息的關聯展示，促進二、三維數據信息的深度立體融合，提高數據信息的利用附加值具有重要意義。

1 基本情況

1.1 工程數字化現狀

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

經過10余年的努力，目前已經初步建立起EDIS（工程數字化信息系統）標準體系，形成從管理制度、標準規范、系統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。但受制于原有數字化建設思路及技術的局限，造成工程數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 深度數字化定義及必要性

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

國務院辦公廳2014年6月7日印發的《能源發展戰略行動計劃（2014-2020年）》中就提到：加快海洋石油開發。按照以近養遠、遠近結合，自主開發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，加強南海深水油氣勘探開發形勢跟蹤分析，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量[2]。

中國海油國家號召積極響應，奮力挺進深海，逐步開發深水油（氣）田，隨著“深海一號”的投產運營，標志著我國已經具有自主開發深水油氣資源的技術力量及作業能力，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運維的難度大，成本高昂；通過借助三維數字技術進行模擬分析，可降低建設安裝及生產運維的風險，達到提質增效的目的，但苦于長期缺少自主知識產權的三維引擎及成熟的數據信息管控技術，且三維數字技術缺乏與現實狀態深層次的聯動，在響應、交互、應用、展示等多個方面都存在不足，無法滿足現階段的迫切需求。因此很有必要在原有的工程數字化基礎上，借助先進的方法論及技術，開展深度數字化技術的應用研究。

2 研究思路

深度數字化要以“管理規范為基礎，工程位號為核心，關聯關系為紐帶，信息系統為載體”的原則理念作為深化思路；通過對數據模型進行不斷的深化、細化工作，以此來推動標準規范的更新，并提出對信息系統的功能優化及完善（其中包括核心的三維引擎自主研發及優化），來實現深度數字化建設。深度數字化可以理解為數字孿生技術的基礎拓展階段（即數字孿生1.0），對基礎信息的標準定義（如數據、模型、平臺架構等）進行了總結及凝練，能建立起統一的交付成果標準，且能提供物理資產的二、三維協同可視化展示。

2.1 數據模型的深化

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

2.1.1 非結構化數據

非結構化數據主要針對在工程建設階段產出的各文檔類資料。經過多年的運行，通過常規運行的工程數字化項目，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據及資料，篩選出各類承包商/供應商可（或者已）提交的相關內容；并將標準規范中未涉及的內容進行補充完善，作為下一個工程數字化建設項目的執行標準依據，從而形成一個不斷質量提升的良好閉環。如圖1所示。

圖1 非結構化數據形成一個不斷質量提升的良好閉環

另外，非結構化數據深化的先期工作，有助于后續的三維可視化模型及結構化數據的深化工作開展。

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；而對于大批量且規格相同的設備或構件，則可以使用專門的優化處理工具進行轉化，減少人工的低效處理介入。

2.1.2.1 優化原則

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

（1）常用基本體應確保最優段面數。

（2）優化后的外觀不能出現變形現象且相似模型應保持采用統一處理方式。

（3）規范貼圖使用規則，盡量減少貼圖數量，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應控制在400萬面以內。

（5）標準設備較多的模型項目，每個設備對象的面數應控制在1 000面以內。

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，平滑值根據具體情況設置，一般建議取值為50～70，確保不出現黑邊，并且輪廓邊緣光滑即可。

2.1.2.3 建模深度的優化規則

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

2.1.2.4 材質及貼圖要求

紋理材質球的名稱應與貼圖名稱保持一致，即所有材質球都需要一一對應。其中，材質球可以使用標準模板，通過調整參數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 結構化數據

2.1.3.1 動態實時數據接入

建立實時數據緩存數據庫，可作為動態數據接入的緩沖區域，為展示環境提供延時低、精度高、信息豐富的實時數據；在網絡異常的狀態下，也可通過循環加載緩存數據的方式無縫切換至過渡展示模式，避免出現因數據遲滯而引起的系統錯誤狀態。

2.1.3.2 完整性數據補充及完善

切合生產運維的需求，在工程建設階段采集的屬性數據基礎上，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、透平發電機中的原動機等，以便有更豐富、更詳盡的數據信息進行展示及查閱，提高生產運維的執行效率。

2.1.3.3 關聯關系信息細化及完善

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

2.2 三維引擎優化及應用

2.2.1 三維引擎優化級基礎功能建設

通過性能優秀的三維引擎平臺，能輕松擴展搭建出一個高效、穩定、且功能強大的融合基礎平臺，將前述的所有基礎數據信息進行有機融合，并借以直觀的展示方式進行呈現，達到二、三維數據的關聯聯動、無縫切換的成效。

2.2.1.1 實時數據融合

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

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（暫不涉及設備內部的工藝流程），以動態的形式展現物流在整個工藝系統中的流向狀態，并通過不同的顏色進行物流介質的區分，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整。

2.2.1.3 實時預警報警

基于實時數據、模型融合等基礎應用功能，通過不間斷地監測生產運營數據，并與經驗庫及保護數據庫進行比對的方式，針對不符合生產條件或安全條件的數值信息進行分級別的預警、報警，以便于實現自動化的生產運營監控，為最終的決策提供數據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、數據同步系統等輔助信息，實現專家遠程會診，信息融合展示，使生產得到有效的管控，避免人工巡檢的安全風險，實現有效、可靠巡檢，提升企業的安全管理水平。

2.2.2.2 智能化運營及調度

在三維可視化模擬模型的基礎上，結合機理、數據模型，以及生產作業流程，借助智能化巡檢、監測等技術，實現自動化的生產，并可以根據現場實際情況，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的持續穩定，最后將歷史信息進行比對分析，總結經驗，豐富決策分析數據庫，形成完善的良性循環。

2.2.2.3 事故應急處理

基于歷史事故經驗數據及其他各技術學科的基礎數據，構建出與現場一致的三維可視化虛擬場景，實現事先模擬預演以及應急預案指導等功能。提升現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 結束語

蓬勃發展的計算機技術，不斷挑戰并改變著這個世界的運轉模式，傳統的海工技術已經不能滿足日益快速發展的行業需求，必須要與信息系統工程、網絡安全工程、設備設施風險評估、大數據分析、虛擬與現實、模擬仿真等行業或技術充分結合起來，不斷豐富深度數字化的內涵，才能煥發出新的生命力，這也是石油化工行業未來的發展趨勢。因此，要一如既往，遵循國家的戰略部署，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，實現高質量發展，助力中國海油從傳統管理模式向數字化、智能化的跨越，終將建成“智慧海油”。