三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)的應(yīng)用綜述

1、三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)的應(yīng)用綜述隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)在石油工業(yè)各應(yīng)用領(lǐng)域的不斷發(fā)展，以及油田勘探開發(fā)管理等領(lǐng)域現(xiàn)代化、一體化 管理進(jìn)程的不斷推進(jìn)，無論是科技開發(fā)人員還是生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理人員，都必須面對(duì)大量冗雜的帶有地理屬性 的信息數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的二維GIS雖然實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間數(shù)據(jù)的管理，卻不能解決對(duì)空間數(shù)據(jù)可視化管理的問題。 與傳統(tǒng)二維GIS相比，三維空間信息系統(tǒng)集地理信息圖形、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析、可視管理等功能于一身。 利用三維空間信息系統(tǒng)可將石油石化的海量空間組成要素，如油井、管線、儲(chǔ)油罐等進(jìn)行空間地理分析， 并進(jìn)行可視化展示。三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)信息化建設(shè)中將發(fā)揮越來越重要的作用。一、

2、三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)應(yīng)用的必要性與緊迫性（1）石油石化企業(yè)生產(chǎn)事故災(zāi)難嚴(yán)重2010年1月7日，中石油蘭州石化分公司316號(hào)罐區(qū)發(fā)生一起爆炸火災(zāi)事故，事故造成企業(yè)員工6人 當(dāng)場(chǎng)死亡、6人受傷，316罐區(qū)8個(gè)立式儲(chǔ)罐、2個(gè)球罐損毀，內(nèi)部管廊系統(tǒng)損壞嚴(yán)重，經(jīng)濟(jì)損失超過5000 萬元。2010年4月20日位于美國墨西哥灣的“深水地平線”鉆井平臺(tái)發(fā)生爆炸并引發(fā)大火，隨后沉入墨西 哥灣，造成11名工作人員死亡，鉆井平臺(tái)底部油井漏油不止。浮油向美國沿海及周邊擴(kuò)散，嚴(yán)重威脅墨西 哥灣的生態(tài)環(huán)境，危及鳥類、魚類等野生動(dòng)物生存。此次事故將給受災(zāi)地區(qū)帶來巨大的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)損失， 使得這些地區(qū)受經(jīng)濟(jì)危機(jī)的影響

3、雪上加霜。油氣開采和石油化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)，本身是高危險(xiǎn)性的行業(yè)。產(chǎn)品易燃易爆，有毒有害，又多以氣體和液 體狀態(tài)存在，極易泄漏和揮發(fā)。稍有不慎，就可能發(fā)生事故。一旦發(fā)生事故，不僅給生態(tài)環(huán)境帶來災(zāi)難， 而且也會(huì)給經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來重大損失。由于多數(shù)事故是毀滅性的，尤其爆炸事故。事故發(fā)生后就很難再對(duì)事 故發(fā)生前的設(shè)施設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行還原，因此，給事故發(fā)生原因追查、經(jīng)濟(jì)損失評(píng)估等工作帶來很大的困 難。（2）“場(chǎng)景再現(xiàn)”助力石油石化企業(yè)生產(chǎn)事故分析與調(diào)查三維空間信息系統(tǒng)的最大特點(diǎn)在于它能夠?qū)崿F(xiàn)全息現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景再現(xiàn)，以三維真實(shí)的場(chǎng)景關(guān)聯(lián)相關(guān)信息， 最大程度的做到人性化和可視化。三維空間信息系統(tǒng)通過建立設(shè)施設(shè)備的三維模型

4、，對(duì)設(shè)施設(shè)備運(yùn)行情況 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，動(dòng)態(tài)模擬生產(chǎn)工藝流程，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)施設(shè)備的可視化管理。生產(chǎn)事故發(fā)生后，三維空間 信息系統(tǒng)通過對(duì)生產(chǎn)事故發(fā)前的“場(chǎng)景再現(xiàn)”，便于分析事故發(fā)生在哪一個(gè)環(huán)節(jié)，追查事故發(fā)生原因。同 時(shí)，還可對(duì)事故造成的經(jīng)濟(jì)損失情況進(jìn)行有效評(píng)估。（3）三維空間信息系統(tǒng)筑起石油石化企業(yè)生產(chǎn)事故安全防范的屏障由于石油石化的行業(yè)特點(diǎn)，企業(yè)安全防范系統(tǒng)建設(shè)顯得更為重要。三維空間信息系統(tǒng)可將石油石化企 業(yè)地理分布信息、各石油石化企業(yè)廠區(qū)設(shè)施設(shè)備分布信息與企業(yè)周圍人文地理信息以及相映的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相 結(jié)合，與石油石化企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度、應(yīng)急管理等系統(tǒng)相融合，實(shí)現(xiàn)信息資源共享，為石油石化企業(yè)安全防范 管理現(xiàn)

5、代化打下良好基礎(chǔ)。二、三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)應(yīng)用研究的技術(shù)熱點(diǎn)與難點(diǎn)石油石化行業(yè)的應(yīng)用特點(diǎn)對(duì)三維空間信息平臺(tái)提出了更高的技術(shù)要求，未來三維空間信息系統(tǒng)在石油 石化行業(yè)的應(yīng)用研究的技術(shù)熱點(diǎn)與難點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。（1）高密度、高精度三維模型快速批量加載石油石化企業(yè)的儲(chǔ)油罐、管線、閥門等設(shè)施設(shè)備種類繁多、連接復(fù)雜，例如一平方公里范圍內(nèi)石化場(chǎng) 站的三維模型數(shù)量可以達(dá)到2000個(gè)以上，而相同面積的城市三維中，模型數(shù)量只有幾十或幾百個(gè)。尤其是 利用LIDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取的石油石化設(shè)施設(shè)備的三維模型，其中單個(gè)模型的數(shù)據(jù)量就可達(dá)到十幾個(gè)GB。批 量加載這么高密度、高精度的三維模型數(shù)據(jù)對(duì)三維空間信息

6、系統(tǒng)平臺(tái)提出了更高的技術(shù)要求。三維空間信息系統(tǒng)平臺(tái)在批量加載高密度、高精度的三維模型時(shí)，需要耗費(fèi)大量的計(jì)算機(jī)資源，三維 模型的加載數(shù)量和實(shí)時(shí)顯示速度都受到了限制。因此，如何優(yōu)化模型加載算法，包括計(jì)算分解、計(jì)算重用 和對(duì)批量三維模型數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和管理，從而降低計(jì)算機(jī)CPU和總線開銷、提高三維模型批量加載 規(guī)模和顯示速度都將成為三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)應(yīng)用研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。（2）工藝流程動(dòng)態(tài)管理石油石化企業(yè)的生產(chǎn)工藝流程是動(dòng)態(tài)的，每一道工序之間是互相關(guān)聯(lián)的，任何一道工序的變化都可能 導(dǎo)致整個(gè)生產(chǎn)工藝流程的改變。因此，在生產(chǎn)過程中需要時(shí)刻關(guān)注每道工序的運(yùn)行變化情況。目前，二維 GIS或三

7、維GIS系統(tǒng)在對(duì)生產(chǎn)工藝流程的展示與管理方面都是靜態(tài)的。工藝流程中任一道工序的變化情況、 以及對(duì)整個(gè)工藝流程的影響情況，系統(tǒng)都無法實(shí)時(shí)、直觀的展示出來，這也給企業(yè)的生產(chǎn)管理帶來諸多不 便。因此，石油石化企業(yè)在生產(chǎn)工藝流程的管理過程中對(duì)三維空間信息系統(tǒng)提出了以下兩個(gè)層面的需求：首先，工藝流程的三維動(dòng)態(tài)展示。包括如何將管線、閥門、彎頭、三通等各類設(shè)備之間的連通邏輯關(guān) 系置入場(chǎng)景，并根據(jù)實(shí)際工藝流程在三維場(chǎng)景中制作動(dòng)態(tài)仿真流程表現(xiàn)，動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)工藝流程的路線、 流經(jīng)設(shè)備及變化情況。其次，工藝流程拓?fù)浞治?。?dāng)生產(chǎn)工藝流程某一道工序發(fā)生事故時(shí)，如何分析得到與事發(fā)設(shè)備相關(guān)聯(lián) 的設(shè)備、管線、閥門等，如何判斷

8、那些工序受到影響，那些工序應(yīng)該關(guān)閉等。這些都是工藝流程動(dòng)態(tài)管理 應(yīng)用技術(shù)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。SCADA數(shù)據(jù)與三維場(chǎng)景一體化目前，傳統(tǒng)的SCADA數(shù)據(jù)顯示與管理方式有兩種。第一種方式是通過一張張的表格將SCADA數(shù)據(jù)與儀 器設(shè)備聯(lián)系起來，這種數(shù)據(jù)管理方式無法直觀展示監(jiān)控儀器設(shè)備數(shù)據(jù)變動(dòng)情況，不便于對(duì)儀器設(shè)備的實(shí)時(shí) 化操作。第二種方式是在二維GIS系統(tǒng)中將儀器設(shè)備進(jìn)行圖形化，然后在儀器設(shè)備圖形化符號(hào)屬性中建立 與SCADA數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。當(dāng)用戶需要查看儀器設(shè)備SCADA數(shù)據(jù)時(shí)，需要點(diǎn)擊儀器設(shè)備圖形化符號(hào)。同樣，這 種方式也不便于SCADA數(shù)據(jù)的直觀展示，尤其需要同時(shí)查看多個(gè)儀器設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)時(shí)，會(huì)給用戶的

9、操作帶 來了諸多不便。目前，大部分三維空間信息系統(tǒng)在與SCADA數(shù)據(jù)集成過程中與二維GIS系統(tǒng)的處理方式相同，需要點(diǎn) 擊三維模型，打開另外開一個(gè)窗口來顯示SCADA數(shù)據(jù)。這種方式也是沒有完全實(shí)現(xiàn)SCADA數(shù)據(jù)與三維場(chǎng)景 的一體化。而有一些三維空間信息系統(tǒng)平臺(tái)通過構(gòu)建儀表盤功能，將SCADA數(shù)據(jù)與三維場(chǎng)景進(jìn)行一體化顯 示。儀表盤功能使得用戶在三維場(chǎng)景中無需任何操作就可以直觀地查看SCADA監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行工況參 數(shù)，如油罐的實(shí)時(shí)液壓、溫度等。因此，儀表盤功能解決了部分SCADA數(shù)據(jù)與三維場(chǎng)景的一體化。SCADA數(shù)據(jù)與三維場(chǎng)景一體化不僅可以解決數(shù)據(jù)直觀可視化顯示管理問題，而且還可為工藝流程展示、

10、 重大危險(xiǎn)源巡檢和事故預(yù)警提供數(shù)據(jù)支持。便于工作人員從全局出發(fā)對(duì)廠區(qū)設(shè)備進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)管理，同 時(shí)，通過預(yù)設(shè)的報(bào)警功能，可以迅速定位危險(xiǎn)源，結(jié)合廠區(qū)的三維場(chǎng)景管理系統(tǒng)，及時(shí)做好應(yīng)急措施。因 此，如何將SCADA數(shù)據(jù)與三維場(chǎng)景一體化顯示，將成為未來三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)應(yīng)用研究的 技術(shù)難點(diǎn)和熱點(diǎn)。三維空間信息系統(tǒng)平臺(tái)與CAD工程設(shè)計(jì)一體化目前，三維空間信息系統(tǒng)平臺(tái)三維建模方式是，首先進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拍照；然后利用三維建模軟件進(jìn)行模型 搭建、貼圖；最后再將建好的三維模型導(dǎo)入到三維空間信息系統(tǒng)平臺(tái)。這種三維建模方式一般會(huì)耗費(fèi)大量 的人力和物力，并且建模的精度不高，同時(shí)，造成了設(shè)施設(shè)備三維建模成本居高

11、不下，使得三維建模成為 石油石化企業(yè)三維空間信息系統(tǒng)建設(shè)中費(fèi)用支出最大的一塊。與此同時(shí)，企業(yè)擁有大量的設(shè)施設(shè)備二維、三維CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)資料。但是，由于目前大部分三維空間 信息系統(tǒng)軟件在導(dǎo)入CAD三維模型數(shù)據(jù)過程中，會(huì)造成大量信息的損失。從而，導(dǎo)致這些已有的CAD數(shù)據(jù) 資料無法得到充分應(yīng)用。在三維空間信息系統(tǒng)建設(shè)中，如果能夠直接應(yīng)用已有的CAD三維模型數(shù)據(jù)，不僅會(huì)大大加快三維空間 信息系統(tǒng)建模速度，還會(huì)大大提高三維建模精度。因此，三維空間信息系統(tǒng)平臺(tái)與CAD工程設(shè)計(jì)一體化的 技術(shù)，將成為未來三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)應(yīng)用研究的難點(diǎn)與熱點(diǎn)。三、三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域（1）油

12、氣勘探利用三維空間信息技術(shù)可建立石油勘探綜合管理信息系統(tǒng)、制作區(qū)域油氣勘探綜合部署圖、勘探工程 進(jìn)度圖和勘探成果圖，并對(duì)成果進(jìn)行直觀可視化展示。管理人員可以及時(shí)、準(zhǔn)確、形象、直觀地了解有關(guān) 情況，并進(jìn)行綜合分析對(duì)比，從而準(zhǔn)確、合理、迅速地進(jìn)行勘探工作部署。（2）油氣開發(fā)管理利用三維空間信息技術(shù)不僅可以及時(shí)、準(zhǔn)確、直觀地了解油氣資源的空間分布及其特征、油氣開發(fā)的 進(jìn)展情況以及油井和油氣管線的維護(hù)狀況及其維修進(jìn)度，從而正確地部署開發(fā)工作。還可以精確的確定油 氣井的位置，直觀形象的了解到所有有關(guān)生產(chǎn)井的產(chǎn)量及其變化趨勢(shì)、工作狀況以及在油井管理、維護(hù)狀 況等方面的信息。（3）生產(chǎn)營(yíng)運(yùn)監(jiān)控管理利用三維空

13、間信息系統(tǒng)平臺(tái)，將生產(chǎn)營(yíng)運(yùn)過程中的設(shè)備設(shè)施情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等資料直觀，準(zhǔn)確的 表現(xiàn)出來。通過反映成品油資源分布動(dòng)態(tài)、計(jì)劃執(zhí)行情況和油庫庫存變化趨勢(shì)，為優(yōu)化資源調(diào)配提供依據(jù); 方便領(lǐng)導(dǎo)及時(shí)掌握管理生產(chǎn)營(yíng)運(yùn)情況，為科學(xué)的進(jìn)行資料調(diào)配提供輔助分析。（4）場(chǎng)站設(shè)施設(shè)備管理石油石化設(shè)施設(shè)備是企業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是整個(gè)企業(yè)安全運(yùn)營(yíng)的核心。三維GIS平臺(tái)提供將石油石化設(shè) 施設(shè)備進(jìn)行高精度建模仿真，并對(duì)監(jiān)控設(shè)備和生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一在三維平臺(tái)上進(jìn)行管理，達(dá)到設(shè)施設(shè)備、數(shù)據(jù) 的高度集成。（5）石油管道管理利用三維空間信息技術(shù)可對(duì)于輸油管線的空間分布、輸油能力、工作狀況等方面內(nèi)容進(jìn)行管理，從而 合理的布線，充分地利用現(xiàn)有的輸油管線，以便更好的控制成本。在管線出現(xiàn)故障時(shí)，通過分析地理位置 和故障類型以及管線結(jié)構(gòu)等因素，維修人員能夠迅速找出故障點(diǎn)并加以解決。（6）應(yīng)急救援決策指揮三維空