油田注水系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)初探

張瑞杰 王大維 張恒生

關(guān)鍵詞：油田注水系統(tǒng);數(shù)據(jù);可視化;設(shè)計(jì)

1 油田注水系統(tǒng)概述

在陸上油田的開(kāi)發(fā)中，經(jīng)過(guò)多年開(kāi)采后，我國(guó)諸多油田已進(jìn)入注水開(kāi)采階段。注水系統(tǒng)作為油田生產(chǎn)系統(tǒng)的主要組成部分，通過(guò)對(duì)地層進(jìn)行注水作業(yè)，可有效地補(bǔ)充地層能量，對(duì)提高原油采收率，維持油田高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)起到了重要的保障作用。油田注水系統(tǒng)是一種大型的密閉流體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通常由注水站、注水管網(wǎng)、配水間和注水井組成。注水站的來(lái)水經(jīng)其中的注水泵升壓、計(jì)量后，注入到注水管網(wǎng)中，并由管網(wǎng)送水至各配水間，在配水間通過(guò)閥門(mén)控制，達(dá)到各注水井的配注流量后注入各注水井，最后注入到地層中[1]。

2 數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)概述

數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)的目的是建立數(shù)據(jù)與用戶(hù)間信息傳遞的橋梁，采用構(gòu)建數(shù)據(jù)與圖形元素間映射的方式使復(fù)雜的數(shù)據(jù)易于理解和使用[2]。目前，較常見(jiàn)的數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)多集中在以下幾方面：（1） 印刷在傳統(tǒng)紙質(zhì)媒體或顯示在靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)的靜態(tài)數(shù)據(jù)信息的圖表，在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要進(jìn)行較多的藝術(shù)和美觀方面的考量;（2） 交互式的Web 開(kāi)發(fā)，多針對(duì)某一時(shí)代性具有寓意的主題來(lái)進(jìn)行展示，會(huì)有大量圖形元素展示，并以動(dòng)效的方式進(jìn)行;（3） 商業(yè)智能方向的可視化設(shè)計(jì)，主要著眼于歷史數(shù)據(jù)的分析和展示，以輔助決策;（4） 針對(duì)具體的科研項(xiàng)目進(jìn)行可視化開(kāi)發(fā)，針對(duì)性強(qiáng)但開(kāi)發(fā)維護(hù)成本相對(duì)較高，在生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、地理和工程模擬等領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)的大型數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)的應(yīng)用在電力、交通、物流等行業(yè)中較為集中，在石油行業(yè)也有部分應(yīng)用。在石油行業(yè)中應(yīng)用數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)，可對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以多種方式在工程技術(shù)管理人員面前呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，從而使工作人員及時(shí)獲取信息，提高工作效率。

3 油田注水系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)意義

通過(guò)數(shù)據(jù)可視化的方法將不易理解的油田注水系統(tǒng)數(shù)據(jù)映射為使用者所容易觀察與理解的視覺(jué)圖像，讓系統(tǒng)使用者能從歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的新形式展示中提高對(duì)信息的分析和感知能力，對(duì)于現(xiàn)有問(wèn)題的產(chǎn)生原因有更深入的了解，有利于解決方案的提出，同時(shí)能預(yù)測(cè)甚至防止新問(wèn)題的產(chǎn)生。使數(shù)據(jù)的使用者對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況和生產(chǎn)信息有更全面地把握和理解。通過(guò)數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)，對(duì)數(shù)據(jù)映射出的圖形元素進(jìn)行顯示方式、層級(jí)、位置等規(guī)劃，使用戶(hù)可以清楚地了解系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀況和各局部節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、歷史趨勢(shì)，預(yù)測(cè)接下來(lái)的生產(chǎn)狀況，提供現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化讀取方案，使工作人員在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法接受的信息轉(zhuǎn)化為可接受的信息。通過(guò)可視化大幅提升數(shù)據(jù)的可讀性，使數(shù)據(jù)出呈現(xiàn)合理的信息密度。使用戶(hù)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效的監(jiān)控與分析，為注水系統(tǒng)工作者的管理和決策提供依據(jù)。

4 油田注水系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)思路

4.1 著重降低信息密度的可視化設(shè)計(jì)

油田注水系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化特點(diǎn)體現(xiàn)在節(jié)點(diǎn)類(lèi)型多、管線結(jié)構(gòu)模擬復(fù)雜、數(shù)據(jù)類(lèi)型多、數(shù)據(jù)量極大等方面，如果對(duì)生成的可視化對(duì)象進(jìn)行傳統(tǒng)的圖表羅列式展現(xiàn)，會(huì)使信息密度過(guò)大，導(dǎo)致可視化設(shè)計(jì)使用不友好，從而降低生產(chǎn)管理效率。因此，在進(jìn)行油田注水系統(tǒng)的多類(lèi)型數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)時(shí)，在構(gòu)建數(shù)據(jù)至圖形元素映射的過(guò)程中需要著重進(jìn)行信息密度的降低，以提升數(shù)據(jù)可讀性。

4.2 加入注意力引導(dǎo)的可視化設(shè)計(jì)

目前普遍認(rèn)為，在人類(lèi)的信息認(rèn)知過(guò)程中，人不具有同時(shí)認(rèn)知所有信息的能力，僅有選擇性地注意所有信息中的一部分，認(rèn)知系統(tǒng)通過(guò)限制進(jìn)入的信息量來(lái)避免超負(fù)荷。這種選擇性注意被歸結(jié)為通道容量（Channel Capacity）的不足，即人類(lèi)沒(méi)有能力同時(shí)處理所有感覺(jué)到的信息，注意是一個(gè)容量有限的信息處理系統(tǒng)的必然結(jié)果。由于注水系統(tǒng)工作人員需要長(zhǎng)時(shí)間使用數(shù)據(jù)可視化程序，產(chǎn)生的工作疲勞導(dǎo)致工作人員注意力不易集中，通道容量逐漸下降，單位時(shí)間內(nèi)可認(rèn)知到的信息量隨工作時(shí)長(zhǎng)增加而逐漸減少。同時(shí)可視化程序生成的可交互圖形元素?cái)?shù)量大，位置相對(duì)密集，部分圖形元素具有強(qiáng)時(shí)效性，這些情況使用戶(hù)產(chǎn)生了關(guān)注重要節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，忽略無(wú)效信息的迫切需求。因此，需要在交互界面設(shè)計(jì)上對(duì)用戶(hù)進(jìn)行注意力引導(dǎo)，以使用戶(hù)的有限注意力資源可高效應(yīng)用于需要進(jìn)行認(rèn)知的可視化圖形，避免多個(gè)形式類(lèi)似的圖形元素彼此之間構(gòu)成“噪聲”干擾，影響用戶(hù)的認(rèn)知效率。在注意力引導(dǎo)的過(guò)程中，可以利用“彈窗效應(yīng)”，通過(guò)與界面其他位置不同的動(dòng)效或音效的提示迅速將用戶(hù)的注視點(diǎn)轉(zhuǎn)移至關(guān)鍵區(qū)域，如重點(diǎn)提示區(qū)域、數(shù)據(jù)異常變動(dòng)區(qū)域或報(bào)警區(qū)域，使相應(yīng)可視化區(qū)域的展現(xiàn)形式以相對(duì)大幅度的動(dòng)效產(chǎn)生變化。但因油田注水系統(tǒng)可視化程序具有多節(jié)點(diǎn)、大數(shù)據(jù)特性，過(guò)多的動(dòng)效和音效頻繁出現(xiàn)會(huì)對(duì)用戶(hù)的使用造成干擾，故在對(duì)用戶(hù)的注意力進(jìn)行引導(dǎo)時(shí)需要對(duì)動(dòng)效和音效的使用進(jìn)行一定程度上的節(jié)制[3]。

在對(duì)界面布局進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，同樣應(yīng)當(dāng)充分考慮用戶(hù)的注意力分布，Staufer 認(rèn)為人的視覺(jué)注意在屏幕上分布并不均勻。在屏幕左上角的注意力約占40%，而在右下角的注意力最低[4]。依此按照重要性的不同，對(duì)各個(gè)不同可視化組件的布局進(jìn)行設(shè)計(jì)具有一定實(shí)踐意義，以期達(dá)到突出重點(diǎn)，使用戶(hù)的注意力集中在更重要的可視化圖形元素上。

5 油田注水系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)的技術(shù)支撐

5.1 技術(shù)架構(gòu)與技術(shù)棧

在油田注水系統(tǒng)數(shù)字化過(guò)程中出現(xiàn)的信息密度過(guò)大問(wèn)題，也出現(xiàn)在電網(wǎng)、氣象監(jiān)測(cè)、物流等數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)量大的行業(yè)中。各行業(yè)在早期多使用C / S 架構(gòu)進(jìn)行可視化開(kāi)發(fā)，但隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，在可視化開(kāi)發(fā)中占有優(yōu)勢(shì)的B / S 架構(gòu)逐漸進(jìn)入可視化開(kāi)發(fā)人員的視野中。其中，如html5 與JavaScript 等技術(shù)混用的方案發(fā)展日趨成熟，在各行業(yè)中被廣泛應(yīng)用，但該技術(shù)棧在油田注水系統(tǒng)可視化開(kāi)發(fā)中還鮮有應(yīng)用?；谙嚓P(guān)技術(shù)棧開(kāi)發(fā)的軟件具有跨平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)在無(wú)需下載客戶(hù)端占據(jù)內(nèi)存，只需準(zhǔn)備好瀏覽器并連入網(wǎng)絡(luò)即可使用，這簡(jiǎn)化了用戶(hù)操作流程，優(yōu)化了用戶(hù)體驗(yàn)。開(kāi)發(fā)一個(gè)版本，即可在不同平臺(tái)使用，取消了針對(duì)不同平臺(tái)兼容性的重復(fù)性開(kāi)發(fā)，從而能大幅度降低開(kāi)發(fā)支出和運(yùn)維成本，基于B / S 架構(gòu)的開(kāi)發(fā)模式也使數(shù)據(jù)傳輸共享的效率獲得了提高。同時(shí)，該技術(shù)棧的跨平臺(tái)特性也兼容了對(duì)移動(dòng)端的支持。在不專(zhuān)門(mén)進(jìn)行移動(dòng)端開(kāi)發(fā)的情況下，即允許用戶(hù)在移動(dòng)設(shè)備上隨時(shí)隨地對(duì)油田注水系統(tǒng)可視化軟件進(jìn)行使用。這一具有創(chuàng)新性的技術(shù)應(yīng)用拓寬了工作人員的工作活動(dòng)范圍，解決了現(xiàn)場(chǎng)工作人員在操作可視化軟件時(shí)的諸多限制（如工作地點(diǎn)被限制在特定臺(tái)式機(jī)旁），為注水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)的工作管理賦予了提效空間。

5.2 無(wú)刷新技術(shù)

注水管網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是油田注水系統(tǒng)可視化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，普通規(guī)模的油田注水系統(tǒng)具有數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)和數(shù)千段管線。用戶(hù)在此類(lèi)具有較多交互單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頁(yè)面中進(jìn)行單元素交互時(shí)，不希望頁(yè)面中其他已加載完成的部分發(fā)生變化或重新加載。因此為滿足開(kāi)發(fā)需求，需要實(shí)現(xiàn)頁(yè)面刷新數(shù)據(jù)。目前，解決此類(lèi)問(wèn)題的常用方案是使用Ajax 技術(shù)，在不刷新頁(yè)面的情況下，向服務(wù)器端發(fā)送請(qǐng)求，和服務(wù)器端進(jìn)行交互，從而更改客戶(hù)端頁(yè)面中的數(shù)據(jù)或狀態(tài)，來(lái)響應(yīng)用戶(hù)與此類(lèi)交互單元的頻繁交互行為，進(jìn)行高效的可視化展示。目前，諸多油氣企業(yè)的數(shù)字化推進(jìn)面臨原有平臺(tái)與新開(kāi)發(fā)平臺(tái)不兼容問(wèn)題，較為常見(jiàn)的解決方式是將原有平臺(tái)內(nèi)容遷移至新開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使原有平臺(tái)內(nèi)容作為新平臺(tái)的子模塊，這種操作方式將會(huì)面臨較大的開(kāi)發(fā)成本問(wèn)題，進(jìn)而會(huì)降低部分企業(yè)推動(dòng)可視化開(kāi)發(fā)的積極性。這種情況下，如果利用WebBrowser 等新式控件，允許用戶(hù)在窗體中使用導(dǎo)航Web 頁(yè)面，將新開(kāi)發(fā)內(nèi)容以插件形式集成于現(xiàn)有軟件中，使開(kāi)發(fā)成本有限的企業(yè)具備低成本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的管理能力。

5.3 可視化庫(kù)

隨著近年來(lái)html5 等技術(shù)的迅速發(fā)展，大量適用于可視化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的相關(guān)框架和可視化庫(kù)層出不窮，這使得可視化開(kāi)發(fā)成本大幅降低，為合理成本下的高質(zhì)量可視化設(shè)計(jì)提供了空間。其中國(guó)內(nèi)百度團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的Echarts、阿里團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的AntV 系列都是其中著名的技術(shù)產(chǎn)品。在油田注水系統(tǒng)可視化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中可以利用此類(lèi)可視化庫(kù)更好地滿足用戶(hù)需求，油田注水系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)展示功能的同時(shí)，能夠兼顧用戶(hù)的交互體驗(yàn)、情感、認(rèn)知規(guī)律、視覺(jué)偏好和操作習(xí)慣[5]。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)新時(shí)期油田注水系統(tǒng)所面臨的數(shù)據(jù)問(wèn)題，對(duì)油田注水系統(tǒng)進(jìn)行的可視化研究會(huì)提供切實(shí)可行的創(chuàng)新解決方案，使生產(chǎn)作業(yè)的反饋過(guò)程以數(shù)字化方式完成，消除數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中的人力浪費(fèi)，讓管理人員更好地理解和使用數(shù)據(jù)，從大量原來(lái)沒(méi)有被利用起來(lái)的數(shù)據(jù)中感知到有用信息，做出高效且有依據(jù)的決策判斷，使企業(yè)效率提高、管理更為順暢、生產(chǎn)質(zhì)量更有保障。結(jié)合設(shè)計(jì)考量和技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用的研究對(duì)降低用戶(hù)疲勞感、提高用戶(hù)數(shù)據(jù)使用效率、增加用戶(hù)使用舒適度均有積極作用，對(duì)油田注水領(lǐng)域數(shù)字化建設(shè)具有較好的實(shí)踐意義。