3D GIS在數(shù)字化海上鉆井平臺中的應(yīng)用研究

白啟鵬，孫德鴻，張 銳，張文凱

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

3D GIS在數(shù)字化海上鉆井平臺中的應(yīng)用研究

白啟鵬1，孫德鴻2，張 銳1，張文凱1

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

針對海上鉆井平臺工程設(shè)備的數(shù)字化管理需求，研究如何將三維數(shù)字化工程模型與GIS形成有機結(jié)合，實現(xiàn)工程建造領(lǐng)域的可視化管理新模式，解決3D GIS平臺在研發(fā)和應(yīng)用過程中的關(guān)鍵技術(shù)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(fā)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(fā)展壯大，如何通過可視化手段對大量的工程設(shè)備、設(shè)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(qū)域跨度大、地理分布范圍廣、高精度的工程設(shè)備、設(shè)施模型，三維地理信息系統(tǒng)(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(shù)字化模型而開發(fā)的綜合信息管理系統(tǒng)，它結(jié)合石油化工領(lǐng)域的業(yè)務(wù)特點，可承載海量高精度的工程數(shù)字模型，同時可根據(jù)具體的生產(chǎn)、培訓(xùn)等需求來實現(xiàn)專門的應(yīng)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(lǐng)域的應(yīng)用方向

1.基礎(chǔ)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(shù)據(jù)，加載貼圖文件，通過地理坐標實現(xiàn)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(shù)字化工程模型通過地理坐標可實現(xiàn)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(qū)和海上平臺的地理位置，從整體上實現(xiàn)了宏觀的管理。對于工程設(shè)備、設(shè)施也可實現(xiàn)在3D GIS平臺中的高精度瀏覽。

3.數(shù)據(jù)應(yīng)用功能

(1)工程資料檔案

在油田工程領(lǐng)域，無論是設(shè)計階段、施工階段還是生產(chǎn)運維階段，圖紙信息和現(xiàn)場數(shù)據(jù)常會發(fā)生一些更新和變化。在實際業(yè)務(wù)中，對于某些設(shè)備的過程文檔，查找起來十分復(fù)雜，常常存在文件丟失或更新不及時等現(xiàn)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(guān)聯(lián)的文檔管理模式，實現(xiàn)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(chǎn)數(shù)據(jù)

3D GIS平臺可通過對SCADA或DCS等工業(yè)控制系統(tǒng)的接口開發(fā)，將諸如溫度、壓力、流速和流量等動態(tài)數(shù)據(jù)流接入系統(tǒng)內(nèi)部，并建立其與三維模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系。通過對模型的拾取操作實現(xiàn)對重要數(shù)據(jù)的實時監(jiān)視。這不僅降低了管理者對于工業(yè)控制系統(tǒng)的技術(shù)要求，也為管理者進行生產(chǎn)調(diào)度和現(xiàn)場指揮提供了第一手的參考信息。此外，對于特殊的重要設(shè)備，也可安放實時監(jiān)控攝像頭，通過動態(tài)視頻信號的接入為安全生產(chǎn)提供重要的安全保障。

三、3D GIS在海上鉆井平臺應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和解決方案

1.海量數(shù)據(jù)的承載和表現(xiàn)能力

海上鉆井平臺空間狹小，采油與處理設(shè)備種類繁多、管線分布復(fù)雜，其設(shè)備和工藝管線的數(shù)字化模型需求精度高、位置準。因此，3D GIS平臺需要對各個設(shè)備和關(guān)鍵細節(jié)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(shù)量一般會超過10萬個)。因此，整個油田群的數(shù)據(jù)量極其龐大。解決承載能力最為有效的技術(shù)手段就是采用動態(tài)加載技術(shù)，即只有一定控制范圍內(nèi)可見的三維數(shù)字模型參與展示計算、暫駐計算機內(nèi)存，不可見模型數(shù)據(jù)隨時釋放內(nèi)存空間，以提高內(nèi)存使用效率。具體的控制范圍由視角的高程數(shù)據(jù)與三維模型的中心點距離根據(jù)具體情況在程序中進行控制設(shè)定，其運行情況如表1所示。通過動態(tài)加載技術(shù)，可以大大提高計算機的I/O存取速度和內(nèi)存效率，提升了3D GIS系統(tǒng)的承載能力和調(diào)度能力。

表1 不同模型展現(xiàn)時的內(nèi)存PF使用率

2.數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)內(nèi)的高速傳輸

3D GIS在C/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，需要解決海量的模型數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速度問題，采用一般的C/S架構(gòu)很難應(yīng)付如此龐大的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求。通過研究測試，此問題可以在兩個方面進行優(yōu)化:①網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方面，采用分布式集群服務(wù)器結(jié)構(gòu)和負載均衡技術(shù)是解決3D GIS在局域網(wǎng)中如何快速傳輸數(shù)據(jù)的主要方法。此設(shè)計主要是將三維模型數(shù)據(jù)、地理信息空間數(shù)據(jù)、資料檔案和動態(tài)數(shù)據(jù)流分別存放在同一局域網(wǎng)內(nèi)的不同服務(wù)器上，應(yīng)用平臺以并行訪問的形式同時讀取各個服務(wù)器，如圖2所示。②硬件方面，將3D GIS的各服務(wù)器和客戶端部署在以光纖為傳輸介質(zhì)的高速局域網(wǎng)內(nèi)也可大幅提高數(shù)據(jù)信息的傳輸速度。

圖2 3D GIS局域網(wǎng)架構(gòu)圖

3.3 D GIS的二次開發(fā)

(1)外部數(shù)據(jù)掛接

在實際的建造、生產(chǎn)和運維過程中，三維模型需要掛接其自身對應(yīng)的屬性、資料和文檔，實現(xiàn)模型與數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)設(shè)置、交互查詢、統(tǒng)計和分析功能。同時在石油石化領(lǐng)域，各種管理系統(tǒng)和資料數(shù)據(jù)庫已初具規(guī)模，若重新收集資料檔案，再去定制和搭建底層數(shù)據(jù)庫，必定耗費大量的時間和資源。因此3D GIS采用Web Services技術(shù)針對所需的資料，在已有數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上開發(fā)局域網(wǎng)訪問接口，將現(xiàn)有的資料和檔案與三維模型進行關(guān)聯(lián)，此技術(shù)路線既提升了原有數(shù)據(jù)庫的實用性，又大大縮短了3D GIS的二次開發(fā)周期，如圖2所示。

(2)實時數(shù)據(jù)流接入

針對實時動態(tài)數(shù)據(jù)流的導(dǎo)入，首先要確定其數(shù)據(jù)源:①現(xiàn)有的SCADA/DCS系統(tǒng)往往遵從著統(tǒng)一的行業(yè)標準，只要熟悉這些SDK函數(shù)的使用說明，就可以通過對接口程序的開發(fā)將動態(tài)數(shù)據(jù)流導(dǎo)入3D GIS系統(tǒng)并建立關(guān)聯(lián)關(guān)系;②針對沒有連入中控系統(tǒng)的設(shè)備設(shè)施，可采用安放傳感器的方式將實時數(shù)據(jù)流接入信號采集前置機，然后通過前置機向?qū)崟r動態(tài)數(shù)據(jù)流服務(wù)器發(fā)送信息，最后通過3D GIS的接口開發(fā)建立模型與動態(tài)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

(3)報表統(tǒng)計分析功能

對于3D GIS中的三維數(shù)字模型，無論其關(guān)聯(lián)的是工程資料檔案，還是實時更新的動態(tài)數(shù)據(jù)流，只有將其數(shù)據(jù)進行合理的統(tǒng)計、分析和展現(xiàn)，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(fā)的時候應(yīng)該注重各用戶角色對不同數(shù)據(jù)的需求形式，以有效合理的方式進行統(tǒng)計和分析，提升數(shù)據(jù)的潛在價值。

4.三維模型的建立

(1)正向建模技術(shù)

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(shè)計圖紙采用PDMS等工程建模軟件來進行三維模型的創(chuàng)建。這樣可以保證模型與設(shè)計圖紙的精確匹配，且模型建立速度快、數(shù)據(jù)量大小適中。

(2)逆向建模技術(shù)

對于已建多年的鉆井平臺，特別是其設(shè)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(shù)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(shù)字模型。采用三維激光掃描技術(shù)，可以在資料不完善的情況下，創(chuàng)建與實際物體完全一致的三維數(shù)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(zhuǎn)換技術(shù)

對于高精度要求下的鉆井平臺及其設(shè)備設(shè)施，往往采用專業(yè)化的工程設(shè)計軟件或者三維激光掃描技術(shù)進行模型的建造，這主要取決于技術(shù)需求和原始設(shè)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(qū)域加油站等，往往采用二維貼圖的方式進行表現(xiàn)，最后通過3D GIS系統(tǒng)為各種不同格式的模型數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一承載、統(tǒng)一展現(xiàn)、統(tǒng)一管理的應(yīng)用平臺。實際開發(fā)中應(yīng)根據(jù)不同的客戶需求，設(shè)計不同的解決方案，最后將各種格式的模型和數(shù)據(jù)統(tǒng)一導(dǎo)入3D GIS平臺。

5.地理信息的獲取

(1)地理遙感影像數(shù)據(jù)

陸地遙感影像數(shù)據(jù)的獲?。?］對于3D GIS至關(guān)重要，它是體現(xiàn)3D GIS系統(tǒng)核心價值的關(guān)鍵要素之一。利用地理遙感影像數(shù)據(jù)，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(guān)系。實際應(yīng)用中，當(dāng)三維工程模型按照預(yù)先給定的地理坐標導(dǎo)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(tǒng)計原因或技術(shù)原因所導(dǎo)致，但無論何種原因，必須通過3D GIS對三維模型進行動態(tài)微調(diào)，此時的地理遙感影像數(shù)據(jù)就是微調(diào)的質(zhì)量控制點。通過對主要設(shè)備衛(wèi)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(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)匹配程度

(2)海底地理信息

隨著我國石油勘探技術(shù)和海洋開發(fā)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(dǎo)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(xiàn)，就必須結(jié)合海底的地形地貌。但是目前海底的地理數(shù)據(jù)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(xiàn)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(chǔ)信息。基于此，在3D GIS系統(tǒng)中采用了兩種展現(xiàn)形式結(jié)合的方法:①根據(jù)起點和終點的地理坐標，在一定高程數(shù)據(jù)以上的視角，根據(jù)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(shù)據(jù)以下的視角，根據(jù)地理坐標動態(tài)生成首尾相接的長度為2 cm的三維數(shù)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(xiàn)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(shù)據(jù)視角下的顯示模式

四、結(jié)束語

3D GIS將高精度的三維工程數(shù)字化模型與地理空間信息相結(jié)合，充分發(fā)揮了三維數(shù)字化模型的特點，雖然存在諸多的技術(shù)難題，但仍然是未來可視化應(yīng)用的一個新方向。其在海量數(shù)據(jù)的承載和網(wǎng)絡(luò)傳輸方面，在各類格式模型的相互轉(zhuǎn)換方面，都需要隨著應(yīng)用的深化去逐步優(yōu)化和完善。3D GIS是未來可視化技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路，如果能將其與石油石化領(lǐng)域的各類管理系統(tǒng)相結(jié)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(yè) GIS技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望［J］.測繪與空間地理信息，2007，30(1):54-60.

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［3］ 徐青.地理三維可視化技術(shù)［M］.北京:測繪出版社，2000.

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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(lǐng)域的應(yīng)用。