3D GIS在数字化海上钻井平台中的应用研究

白启鹏，孙德鸿，张 锐，张文凯

(1.海油发展北京分公司信息技术开发中心，北京100027;2.北京则泰盛业科技发展有限公司，北京100107)

3D GIS在数字化海上钻井平台中的应用研究

白启鹏1，孙德鸿2，张 锐1，张文凯1

(1.海油发展北京分公司信息技术开发中心，北京100027;2.北京则泰盛业科技发展有限公司，北京100107)

针对海上钻井平台工程设备的数字化管理需求，研究如何将三维数字化工程模型与GIS形成有机结合，实现工程建造领域的可视化管理新模式，解决3D GIS平台在研发和应用过程中的关键技术难题。

3D GIS;三维激光扫描;钻井平台;可视化管理

一、3D GIS平台概述

随着我国海洋开发力度的不断增加，各个海上采油平台、陆地终端处理厂及炼化公司也在不断地发展壮大，如何通过可视化手段对大量的工程设备、设施进行管理已成为各个油田公司在信息化管理道路上的迫切需求［1］。对于区域跨度大、地理分布范围广、高精度的工程设备、设施模型，三维地理信息系统(3D GIS)给我们带来一个新的思路和方向。3D GIS是针对三维高精度工程数字化模型而开发的综合信息管理系统，它结合石油化工领域的业务特点，可承载海量高精度的工程数字模型，同时可根据具体的生产、培训等需求来实现专门的应用功能，如图1所示。

图1 3D GIS中的海上钻井平台

二、3D GIS在石油石化领域的应用方向

1.基础功能

3D GIS［2］包含了二维GIS的常用功能，如承载并浏览高精度的遥感影像数据，加载贴图文件，通过地理坐标实现对象的准确定位、测绘与仿真计算等功能。同时还具有对三维模型对象的操作功能，如三维模型的承载和编辑、显隐控制、颜色控制、碰撞检测、通视分析等。

2.三维浏览功能

三维数字化工程模型通过地理坐标可实现在3D GIS平台中的快速准确定位。管理者可以清晰直观地了解到所管辖各石油石化厂区和海上平台的地理位置，从整体上实现了宏观的管理。对于工程设备、设施也可实现在3D GIS平台中的高精度浏览。

3.数据应用功能

(1)工程资料档案

在油田工程领域，无论是设计阶段、施工阶段还是生产运维阶段，图纸信息和现场数据常会发生一些更新和变化。在实际业务中，对于某些设备的过程文档，查找起来十分复杂，常常存在文件丢失或更新不及时等现象。在3D GIS中，采用以三维模型为基本的管理单元，资料档案与模型相互关联的文档管理模式，实现模型与文档的交互式访问。通过模型快速定位文档，通过文档逆向查询模型，进而大幅提高文档管理和查询效率。

(2)实时生产数据

3D GIS平台可通过对SCADA或DCS等工业控制系统的接口开发，将诸如温度、压力、流速和流量等动态数据流接入系统内部，并建立其与三维模型的关联关系。通过对模型的拾取操作实现对重要数据的实时监视。这不仅降低了管理者对于工业控制系统的技术要求，也为管理者进行生产调度和现场指挥提供了第一手的参考信息。此外，对于特殊的重要设备，也可安放实时监控摄像头，通过动态视频信号的接入为安全生产提供重要的安全保障。

三、3D GIS在海上钻井平台应用的关键技术和解决方案

1.海量数据的承载和表现能力

海上钻井平台空间狭小，采油与处理设备种类繁多、管线分布复杂，其设备和工艺管线的数字化模型需求精度高、位置准。因此，3D GIS平台需要对各个设备和关键细节进行逐个建模，加之工程三维模型在建模过程中包含大量的面片(一个中等的采油平台所包含的片面数量一般会超过10万个)。因此，整个油田群的数据量极其庞大。解决承载能力最为有效的技术手段就是采用动态加载技术，即只有一定控制范围内可见的三维数字模型参与展示计算、暂驻计算机内存，不可见模型数据随时释放内存空间，以提高内存使用效率。具体的控制范围由视角的高程数据与三维模型的中心点距离根据具体情况在程序中进行控制设定，其运行情况如表1所示。通过动态加载技术，可以大大提高计算机的I/O存取速度和内存效率，提升了3D GIS系统的承载能力和调度能力。

表1 不同模型展现时的内存PF使用率

2.数据在局域网内的高速传输

3D GIS在C/S架构的网络应用中，需要解决海量的模型数据在网络中的传输速度问题，采用一般的C/S架构很难应付如此庞大的网络带宽需求。通过研究测试，此问题可以在两个方面进行优化:①网络设计方面，采用分布式集群服务器结构和负载均衡技术是解决3D GIS在局域网中如何快速传输数据的主要方法。此设计主要是将三维模型数据、地理信息空间数据、资料档案和动态数据流分别存放在同一局域网内的不同服务器上，应用平台以并行访问的形式同时读取各个服务器，如图2所示。②硬件方面，将3D GIS的各服务器和客户端部署在以光纤为传输介质的高速局域网内也可大幅提高数据信息的传输速度。

图2 3D GIS局域网架构图

3.3 D GIS的二次开发

(1)外部数据挂接

在实际的建造、生产和运维过程中，三维模型需要挂接其自身对应的属性、资料和文档，实现模型与数据的关联设置、交互查询、统计和分析功能。同时在石油石化领域，各种管理系统和资料数据库已初具规模，若重新收集资料档案，再去定制和搭建底层数据库，必定耗费大量的时间和资源。因此3D GIS采用Web Services技术针对所需的资料，在已有数据库的基础上开发局域网访问接口，将现有的资料和档案与三维模型进行关联，此技术路线既提升了原有数据库的实用性，又大大缩短了3D GIS的二次开发周期，如图2所示。

(2)实时数据流接入

针对实时动态数据流的导入，首先要确定其数据源:①现有的SCADA/DCS系统往往遵从着统一的行业标准，只要熟悉这些SDK函数的使用说明，就可以通过对接口程序的开发将动态数据流导入3D GIS系统并建立关联关系;②针对没有连入中控系统的设备设施，可采用安放传感器的方式将实时数据流接入信号采集前置机，然后通过前置机向实时动态数据流服务器发送信息，最后通过3D GIS的接口开发建立模型与动态数据的关联关系。

(3)报表统计分析功能

对于3D GIS中的三维数字模型，无论其关联的是工程资料档案，还是实时更新的动态数据流，只有将其数据进行合理的统计、分析和展现，才能为上层决策者提供直观有效的信息。因此，3D GIS在二次开发的时候应该注重各用户角色对不同数据的需求形式，以有效合理的方式进行统计和分析，提升数据的潜在价值。

4.三维模型的建立

(1)正向建模技术

对于新建或在建的海上采油平台，三维模型的建立过程往往通过其原始的设计图纸采用PDMS等工程建模软件来进行三维模型的创建。这样可以保证模型与设计图纸的精确匹配，且模型建立速度快、数据量大小适中。

(2)逆向建模技术

对于已建多年的钻井平台，特别是其设计资料保存不完整的老旧钻井平台，目前最好的办法是采用三维激光扫描技术对其进行模型的建立。此方法通过对物体表面几何体的物理空间分析，得到与物理表面形状相一致的点云(如图3所示)，再通过对点云的分析、拼接、建模等过程，进而得到与扫描对象精确匹配的三维数字模型。采用三维激光扫描技术，可以在资料不完善的情况下，创建与实际物体完全一致的三维数字模型(如图4所示)。

图3 海上某平台上层甲板点云图

图4 通过点云建造三维工程模型

(3)格式转换技术

对于高精度要求下的钻井平台及其设备设施，往往采用专业化的工程设计软件或者三维激光扫描技术进行模型的建造，这主要取决于技术需求和原始设计文档的完善程度;对于中等精度要求的非重点建筑，往往采用3ds Max或Maya软件进行模型的建造;对于低精度要求的码头、区域加油站等，往往采用二维贴图的方式进行表现，最后通过3D GIS系统为各种不同格式的模型数据提供统一承载、统一展现、统一管理的应用平台。实际开发中应根据不同的客户需求，设计不同的解决方案，最后将各种格式的模型和数据统一导入3D GIS平台。

5.地理信息的获取

(1)地理遥感影像数据

陆地遥感影像数据的获取［3］对于3D GIS至关重要，它是体现3D GIS系统核心价值的关键要素之一。利用地理遥感影像数据，可以快速查询各个对象的地理坐标，清晰直观地反映出各实体对象之间的位置关系。实际应用中，当三维工程模型按照预先给定的地理坐标导入以后，模型的中心坐标与给定的地理坐标往往存在一定范围的误差，这些误差可能是统计原因或技术原因所导致，但无论何种原因，必须通过3D GIS对三维模型进行动态微调，此时的地理遥感影像数据就是微调的质量控制点。通过对主要设备卫星遥感影像的核对工作，就可以保障三维工程模型位置与其实际的地理位置高度匹配，如图5所示。

图5 三维模型与卫星遥感影像数据匹配程度

(2)海底地理信息

随着我国石油勘探技术和海洋开发的快速深入，海上的采油平台和海上装备是本3D GIS需要承载的主要对象。对于导管架、海底采油树、海底光缆、海底输油管线等海底模型的展现，就必须结合海底的地形地貌。但是目前海底的地理数据较难获取，同时又具有高度保密的特性，因此在3D GIS中，主要采用虚拟的海底地形和地貌，其真实度还有待大幅提高。

6.长距离输油管线的展示

长距离管线主要包括海底输油管线和陆地输油管线，若采用三维模型对输油管线进行建模，在高海拔视角下，输油管线的路由情况是无法被观测的。若采用矢量线段来展示输油管线的路由，在具体查看三维模型的时候，其矢量线段的展现形式又无法被拾取，因此无法显示输油管线的管径、管壁、材料等基础信息。基于此，在3D GIS系统中采用了两种展现形式结合的方法:①根据起点和终点的地理坐标，在一定高程数据以上的视角，根据地理坐标拟合出直线路径以便查看路由情况;②在一定高程数据以下的视角，根据地理坐标动态生成首尾相接的长度为2 cm的三维数字化管线模型，同时挂接输油管线的各种属性，既达到了长距离输油管线在宏观视角下的路由展示，又实现了管线属性的查询功能，如图6所示。

图6 长距离输油管线在不同高程数据视角下的显示模式

四、结束语

3D GIS将高精度的三维工程数字化模型与地理空间信息相结合，充分发挥了三维数字化模型的特点，虽然存在诸多的技术难题，但仍然是未来可视化应用的一个新方向。其在海量数据的承载和网络传输方面，在各类格式模型的相互转换方面，都需要随着应用的深化去逐步优化和完善。3D GIS是未来可视化技术发展的必经之路，如果能将其与石油石化领域的各类管理系统相结合，则必将促使我们的管理模式提升到一个新水平、新高度。

［1］ 宋跃滨，孙晓生.石油行业 GIS技术应用现状与展望［J］.测绘与空间地理信息，2007，30(1):54-60.

［2］ 肖乐斌，钟耳顺，刘纪远.三维GIS的基本问题讨论［J］.中国图象图形学报:A辑，2001，6(9):30-36.

［3］ 徐青.地理三维可视化技术［M］.北京:测绘出版社，2000.

［4］ 李清泉，等.三维空间数据的实时获取、建模与可视化［M］.武汉:武汉大学出版社，2003.

［5］ 王瑜，刘西涛，李健玲，等.3D-GIS技术的发展与应用［J］.甘肃科技，2009，25(8):57-58，75.

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

白启鹏(1982—)，男，辽宁辽阳人，工程师，主要研究方向为3D GIS在石油石化领域的应用。