石油勘探开发信息化须依靠物联网与虚拟现实技术的完美结合

于顺安

（中国石油大庆油田有限责任公司第一采油厂信息中心）

0 引言

如果说，第一次工业革命是对人的动力的放大（蒸汽机）、第二次工业革命是对放大了的动力的传递的革命。那么，我们有理由认为：“第三次工业革命，就是对人类的智力放大和对放大了的智力的传递的革命”，兼顾了第一次、第二次工业革命两者的特征。

第三次工业革命的特征既然是人类的智力的放大和对放大了的智力的传递方式的革命，我们有理由给出这样的解释：“第三次工业革命是以计算机技术和互联网技术为主导技术的信息化技术群所引导的革命”。具体到石油企业的信息化进程，按照“计算机技术和互联网技术为主导技术的信息化技术群”的定义，虚拟现实技术可以认为是极大地扩大了人所能处理的智力方法，而物联网则是传递虚拟现实技术与石油企业的传递方式的最好技术。虚拟现实技术与物联网技术的完美结合。足以引发石油企业信息化质的改变。

1 物联网在石油企业中的应用

早在8年前，大港油田就已经试验、示范、并全面推开物联网的应用，共实施2000多口油井。温家宝总理在江苏无锡考察时指示“把传感系统和TD技术结合起来”、“尽快建立中国的传感信息中心，或者叫‘感知中国’中心”。江苏、上海、北京等地迅速作出反应，在智慧医疗、人才培养、电子商务、物流、水资源管理等方面大力推进物联网建设[1]。

物联网是在互联网上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。 在这个网络中，物品(商品)能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。 其实质是利用射频自动识别(RFID)技术，通过计算机互联网实现物品(商品)的自动识别和信息的互联与共享[2]如图1所示。

图1 物联网结构图

中国石油很多油田早在8年前，就结束油井、水井和原有的井、站、联合站模式，形成以满足油藏勘探、开发一体化的新理念，实现信息化、网络化与油田开采系统无线结合，这已经属于物联网技术的应用，目前，油田运行、油藏的作业测试、采油等各类实测数据（包括各种曲线、各类图片）都可通过有线或无线网络方式，实现异地终端获取，在某种程度上，实现了工作效率和管理效益的不断提高（图2），并利用物联网、信息化手段达到节能减排增效的目的[3]。

图2 某油田企业勘探开发信息化系统结构图

由于物联网所提供的信息，是有关采集对象的一项一项的单个数据，即便经过计算机系统的友好性加工，也只能得到曲线或函数图片，如图3、图4所示。

图3 数据二维曲线展示

图4 数据三维空间展示

而这种平面或立体显示的应用专业性非常强，非专业人员很难在短时间内明白这些数据，不能直观了解现实目标的运转情况，难以及时发出控制信息以实现动态控制。

2 物联网与虚拟现实技术

因为“人类在对信息的收集、交流、传播、利用中，最常用的是人类自身与自然界交互的方式-听觉与视觉，这也是最有效最自然的交互方式和手段。人类通过听觉和视觉从客观世界获取80%的信息”[3]，那么，应运而生的虚拟现实技术就是在计算机图形学、人机接口技术、图像处理与模式识别、人工智能技术、语音处理与音响技术、网络技术、并行处理技术、高性能计算机系统以及传感技术的基础上发展起来的一门新兴交叉学科[4]。

按照当今国际上流行的定义，一个能够在真正意义上实现虚拟现实的系统应当具有以下三个基本要素：①能够给用户一个三维立体的虚拟世界；②应当给使用者身临其境的感觉，并有实时任意活动的自由度；③用户能够通过一些控制装置实时地操纵和改变所进入的虚拟世界[5-6]。

如图5所示，沉浸、交互和构想三要素是每个虚拟现实系统所必备的，虚拟现实的每一步发展，都是围绕这三大要素来进行的。沉浸，就是实现人与提供虚拟现实技术的计算机系统融为一体，如图6中的虚拟数字人一样，给现实中的操作者的感觉，就像真正进入到屏幕中的场景，感觉越逼真，其沉浸度就越好；交互，则是人与提供虚拟现实技术的计算机之间的信息交换手段，键盘、鼠标、触屏、眼睛信号识别等，都是交互的手段，而且，进行交互的时间和复杂程度越来越小的趋势，就是交互度的提高；构想，是最为难以实现的要素，它要求提供虚拟现实的计算机系统可以方便地根据操作者的要求，构建符合需要的系统功能，以便实现操作者进一步的目的和要求。

图5 虚拟现实的三大要素“3I”

图6 虚拟现实技术的三维虚拟环境显示

从物联网中，如果能实时得到图6中各个构成元素（管线、高架管线等）的动态数据，就可以通过虚拟现实技术在图6中，真实地正看到现实中各个元素（管线、高架管线等）的动态景象，并可根据虚拟现实技术中的交互功能，对现实中的各个元素（管线、高架管线等）进行控制操作，达到物联网根本无法做到的高仿真度的实时控制功能。

从计算机中看到的虚拟环境，都是通过物联网技术得到实时的传输和更新，从图7中，我们看到，只有将虚拟现实技术和物联网技术结合起来，才可以提高应用效率和效益，特别在操作友好性方面有极大的提升空间。

图7 物联网与虚拟环境的关系

3 有关石油企业物联网、虚拟现实与勘探开发系统相结合的建议

随着计算机技术和互联网技术的发展趋势，能源企业必将着力实现物联网技术与虚拟现实技术相结合的信息实时化大跨越，开展以ERP、AO系统为主的系统建设、系统集成及升级换代，在企业管理决策的人工智能支持、管理流程业务的一体化协同、生产运行、分级决策等方面加强应用；积极推进物联网技术的应用，在勘探、开发等石油上下游领域实现实时数据采集和实时传输，在生产流程管理和优化上，加强物联网和虚拟现实技术的融合。此外，中国石油还将加快推进以数据中心为重点的基础设施建设，利用云计算、虚拟技术等新技术，建设绿色数据中心。

在勘探、开发一体化的进程中，将逐步建成物联网与虚拟现实技术相结合的信息化管理系统，在各个油田的生产运行过程中，进一步发挥物联网与虚拟现实技术相接合的技术优势，增加实时数据采集的无线终端装置，以求实现原始数据采集实时性和完全性，尽可能地提高物理网络速度，在多个探区、井、站、库等采油生产诸单元作为实时数据采集的数据源，利用物联网的技术装备设施，通过企业门户网等传输介质，将各类实时数据传输到已经开发成熟的“勘探开发信息化系统数据库”，并遵照勘探、开发一体化生产流程，组织和管理这些采集来的生产数据，进一步整合、梳理、归类，进而支持油藏地质学研究、数值模拟研究、生产实际状况诊断专家系统，参见图8。与勘探开发信息化系统不同的是，图8中的蓝色大箭头所指的、框图中向上的小箭头指向，（小箭头来向是图8中右边紫色框中的伺服机构模块，该模块的功能就是预先设置一些可能出现的状况的处理措施，然后根据系统执行结果修正数据采集模块等诸模块，取消箭头，即可实现这一部分功能的自动执行），由于物联网的应用，特别是与虚拟现实技术结合后的物联网技术，能够在计算机终端中的虚拟环境中得以实现，即在数据采集端可以进行控制操作，把根据采集到的数据进行分析后的结果，通过物联网的执行控制部分（图8中蓝圈中向上的箭头），进行修正，可及大地减少操作的专业性、增加友好性，使整个生产过程的效率与效益达到最大化。

图8 注水生产实时分析优化专家系统构架[7]

4 物联网与虚拟环境结合的应用前景与展望

能源行业的物联网和虚拟现实技术的结合，作为一项新技术也将逐渐应用到油田生产实践中。基于物联网和虚拟现实技术的完美结合的数字化油田，在生产数据采集、生产状态远程监控、物流管理等领域有极为深远的应用前景，不仅可以实现异地操作，紧密生产诸环节连接，还可以实现油田各类综合业务与技术的梳理与整合，更可以进一步升级管理、拓宽业务。

运用物联网和虚拟现实技术的完美结合来构建数字化的现代化油田，是油田信息化高水平建设的最佳途径之一。随着油田勘探开发一体化的进一步深入、生产信息的实时采集与生产数据的梳理与整合的智能专家技术的迅速发展，互联网与移动通信网合二为一的逐步实现，物联网与虚拟现实技术相结合成度的日益提高和完善，油田大规模运用物联网与虚拟现实技术完美结合的时机日趋成熟。

参考资料

1 霍学文，王敬东，张玉龙.华北油田"钻探"物联网[J].中国电信业，2010,（8）：75.

2 王国武.射频识别（RFID）及其典型应用[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2005,（5）.

3 杨扬.石油物联网如何加速推动数字油田建设[J].中国石油和化工，2011,（2）：44-47.

4 宋晓伟.地铁列车运行控制视景仿真系统中三维建模技术的研究与实现[D].北京交通大学，2007.

5 孙文磊.基于虚拟现实的六自由度平台系统设计与仿真[D].厦门大学，2006.

6 汪成为，高文，土行仁.灵境(虚拟现实)技术的理论及应用[M].北京:清华人学出版社，1996.

7 沐峻丞，檀朝东，黄晶涛,等.运用物联网技术构建数字化油田[J].中国石油化工.2010，（9）：53-55.