三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)的應用綜述

1、三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)的應用綜述隨著現(xiàn)代科學技術在石油工業(yè)各應用領域的不斷發(fā)展，以及油田勘探開發(fā)管理等領域現(xiàn)代化、一體化 管理進程的不斷推進，無論是科技開發(fā)人員還是生產(chǎn)經(jīng)營管理人員，都必須面對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雖然實現(xiàn)了對空間數(shù)據(jù)的管理，卻不能解決對空間數(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、儲油罐等進行空間地理分析， 并進行可視化展示。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)應用的必要性與緊迫性（1）石油石化企業(yè)生產(chǎn)事故災難嚴重2010年1月7日，中石油蘭州石化分公司316號罐區(qū)發(fā)生一起爆炸火災事故，事故造成企業(yè)員工6人 當場死亡、6人受傷，316罐區(qū)8個立式儲罐、2個球罐損毀，內(nèi)部管廊系統(tǒng)損壞嚴重，經(jīng)濟損失超過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，鉆井平臺底部油井漏油不止。浮油向美國沿海及周邊擴散，嚴重威脅墨西 哥灣的生態(tài)環(huán)境，危及鳥類、魚類等野生動物生存。此次事故將給受災地區(qū)帶來巨大的環(huán)境和經(jīng)濟損失， 使得這些地區(qū)受經(jīng)濟危機的影響

3、雪上加霜。油氣開采和石油化學工業(yè)生產(chǎn)，本身是高危險性的行業(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)境帶來災難， 而且也會給經(jīng)濟發(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)生后就很難再對事 故發(fā)生前的設施設備運行情況進行還原，因此，給事故發(fā)生原因追查、經(jīng)濟損失評估等工作帶來很大的困 難。（2）“場景再現(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)的最大特點在于它能夠?qū)崿F(xiàn)全息現(xiàn)實場景再現(xiàn)，以三維真實的場景關聯(lián)相關信息， 最大程度的做到人性化和可視化。三維空間信息系統(tǒng)通過建立設施設備的三維模型

4、，對設施設備運行情況 進行實時監(jiān)控，動態(tài)模擬生產(chǎn)工藝流程，實現(xiàn)對生產(chǎn)設施設備的可視化管理。生產(chǎn)事故發(fā)生后，三維空間 信息系統(tǒng)通過對生產(chǎn)事故發(fā)前的“場景再現(xiàn)”，便于分析事故發(fā)生在哪一個環(huán)節(jié)，追查事故發(fā)生原因。同 時，還可對事故造成的經(jīng)濟損失情況進行有效評估。（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，企業(yè)安全防范系統(tǒng)建設顯得更為重要。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)設施設備分布信息與企業(yè)周圍人文地理信息以及相映的基礎數(shù)據(jù)相 結合，與石油石化企業(yè)生產(chǎn)調(diào)度、應急管理等系統(tǒng)相融合，實現(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。二、三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)應用研究的技術熱點與難點石油石化行業(yè)的應用特點對三維空間信息平臺提出了更高的技術要求，未來三維空間信息系統(tǒng)在石油 石化行業(yè)的應用研究的技術熱點與難點體現(xiàn)在以下幾個方面。（1）高密度、高精度三維模型快速批量加載石油石化企業(yè)的儲油罐、管線、閥門等設施設備種類繁多、連接復雜，例如一平方公里范圍內(nèi)石化場 站的三維模型數(shù)量可以達到2000個以上，而相同面積的城市三維中，模型數(shù)量只有幾十或幾百個。尤其是 利用LIDAR點云數(shù)據(jù)提取的石油石化設施設備的三維模型，其中單個模型的數(shù)據(jù)量就可達到十幾個GB。批 量加載這么高密度、高精度的三維模型數(shù)據(jù)對三維空間信息

6、系統(tǒng)平臺提出了更高的技術要求。三維空間信息系統(tǒng)平臺在批量加載高密度、高精度的三維模型時，需要耗費大量的計算機資源，三維 模型的加載數(shù)量和實時顯示速度都受到了限制。因此，如何優(yōu)化模型加載算法，包括計算分解、計算重用 和對批量三維模型數(shù)據(jù)組織結構的優(yōu)化和管理，從而降低計算機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)應用研究的熱點與難點。（2）工藝流程動態(tài)管理石油石化企業(yè)的生產(chǎn)工藝流程是動態(tài)的，每一道工序之間是互相關聯(lián)的，任何一道工序的變化都可能 導致整個生產(chǎn)工藝流程的改變。因此，在生產(chǎn)過程中需要時刻關注每道工序的運行變化情況。目前，二維 GIS或三

7、維GIS系統(tǒng)在對生產(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、 以及對整個工藝流程的影響情況，系統(tǒng)都無法實時、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三維空間信息系統(tǒng)提出了以下兩個層面的需求：首先，工藝流程的三維動態(tài)展示。包括如何將管線、閥門、彎頭、三通等各類設備之間的連通邏輯關 系置入場景，并根據(jù)實際工藝流程在三維場景中制作動態(tài)仿真流程表現(xiàn)，動態(tài)顯示整個工藝流程的路線、 流經(jīng)設備及變化情況。其次，工藝流程拓撲分析。當生產(chǎn)工藝流程某一道工序發(fā)生事故時，如何分析得到與事發(fā)設備相關聯(lián) 的設備、管線、閥門等，如何判斷

8、那些工序受到影響，那些工序應該關閉等。這些都是工藝流程動態(tài)管理 應用技術研究的熱點與難點。SCADA數(shù)據(jù)與三維場景一體化目前，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)控儀器設備數(shù)據(jù)變動情況，不便于對儀器設備的實時 化操作。第二種方式是在二維GIS系統(tǒng)中將儀器設備進行圖形化，然后在儀器設備圖形化符號屬性中建立 與SCADA數(shù)據(jù)的關聯(lián)。當用戶需要查看儀器設備SCADA數(shù)據(jù)時，需要點擊儀器設備圖形化符號。同樣，這 種方式也不便于SCADA數(shù)據(jù)的直觀展示，尤其需要同時查看多個儀器設備監(jiān)控數(shù)據(jù)時，會給用戶的

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 擊三維模型，打開另外開一個窗口來顯示SCADA數(shù)據(jù)。這種方式也是沒有完全實現(xiàn)SCADA數(shù)據(jù)與三維場景 的一體化。而有一些三維空間信息系統(tǒng)平臺通過構建儀表盤功能，將SCADA數(shù)據(jù)與三維場景進行一體化顯 示。儀表盤功能使得用戶在三維場景中無需任何操作就可以直觀地查看SCADA監(jiān)控數(shù)據(jù)、設備運行工況參 數(shù)，如油罐的實時液壓、溫度等。因此，儀表盤功能解決了部分SCADA數(shù)據(jù)與三維場景的一體化。SCADA數(shù)據(jù)與三維場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、 重大危險源巡檢和事故預警提供數(shù)據(jù)支持。便于工作人員從全局出發(fā)對廠區(qū)設備進行有效的監(jiān)測管理，同 時，通過預設的報警功能，可以迅速定位危險源，結合廠區(qū)的三維場景管理系統(tǒng)，及時做好應急措施。因 此，如何將SCADA數(shù)據(jù)與三維場景一體化顯示，將成為未來三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)應用研究的 技術難點和熱點。三維空間信息系統(tǒng)平臺與CAD工程設計一體化目前，三維空間信息系統(tǒng)平臺三維建模方式是，首先進行現(xiàn)場拍照；然后利用三維建模軟件進行模型 搭建、貼圖；最后再將建好的三維模型導入到三維空間信息系統(tǒng)平臺。這種三維建模方式一般會耗費大量 的人力和物力，并且建模的精度不高，同時，造成了設施設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)建設中費用支出最大的一塊。與此同時，企業(yè)擁有大量的設施設備二維、三維CAD設計數(shù)據(jù)資料。但是，由于目前大部分三維空間 信息系統(tǒng)軟件在導入CAD三維模型數(shù)據(jù)過程中，會造成大量信息的損失。從而，導致這些已有的CAD數(shù)據(jù) 資料無法得到充分應用。在三維空間信息系統(tǒng)建設中，如果能夠直接應用已有的CAD三維模型數(shù)據(jù)，不僅會大大加快三維空間 信息系統(tǒng)建模速度，還會大大提高三維建模精度。因此，三維空間信息系統(tǒng)平臺與CAD工程設計一體化的 技術，將成為未來三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)應用研究的難點與熱點。三、三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)中的應用領域（1）油

12、氣勘探利用三維空間信息技術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 進度圖和勘探成果圖，并對成果進行直觀可視化展示。管理人員可以及時、準確、形象、直觀地了解有關 情況，并進行綜合分析對比，從而準確、合理、迅速地進行勘探工作部署。（2）油氣開發(fā)管理利用三維空間信息技術不僅可以及時、準確、直觀地了解油氣資源的空間分布及其特征、油氣開發(fā)的 進展情況以及油井和油氣管線的維護狀況及其維修進度，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生產(chǎn)井的產(chǎn)量及其變化趨勢、工作狀況以及在油井管理、維護狀 況等方面的信息。（3）生產(chǎn)營運監(jiān)控管理利用三維空

13、間信息系統(tǒng)平臺，將生產(chǎn)營運過程中的設備設施情況，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)等資料直觀，準確的 表現(xiàn)出來。通過反映成品油資源分布動態(tài)、計劃執(zhí)行情況和油庫庫存變化趨勢，為優(yōu)化資源調(diào)配提供依據(jù); 方便領導及時掌握管理生產(chǎn)營運情況，為科學的進行資料調(diào)配提供輔助分析。（4）場站設施設備管理石油石化設施設備是企業(yè)生產(chǎn)的基礎，是整個企業(yè)安全運營的核心。三維GIS平臺提供將石油石化設 施設備進行高精度建模仿真，并對監(jiān)控設備和生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一在三維平臺上進行管理，達到設施設備、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可對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，通過分析地理位置 和故障類型以及管線結構等因素，維修人員能夠迅速找出故障點并加以解決。（6）應急救援決策指揮三維空