深度数字化技术在半潜式生产平台中的应用研究

刘 霖，张建勇，钟 华

(1.中海油能源发展装备技术有限公司南海工程分公司，广东 湛江 524057；2.中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300452)

0 引言

目前，工程数字化技术在中国海油深水油气（田）中的应用程度较低，且技术相对落后。如何在现有基础上，对工程数字化过程中工程文件、工程模型及工程数据的采集范围、类型、颗粒度等方面进行深化研究，并基于自主研发且高效稳定的三维引擎技术，实现各类工程信息的关联展示，促进二、三维数据信息的深度立体融合，提高数据信息的利用附加值具有重要意义。

1 基本情况

1.1 工程数字化现状

中国海油自2009年开始在渤海的两个油田实施工程数字化技术试点项目，研究小组不仅从技术上验证了可行性，而且通过归纳和经验总结，初步建立了信息规范和规律性认识及工作模板，并以此为指导实施工程数据中心项目（EDIS），取得了较好的成效[1]。

经过10余年的努力，目前已经初步建立起EDIS（工程数字化信息系统）标准体系，形成从管理制度、标准规范、系统建设三个方面完善的运行机制，已良好地应用于浅水工程建设项目中。但受制于原有数字化建设思路及技术的局限，造成工程数字化的深度及广度都比较低，在一定程度上影响了后期的智能化及无人化建设。

1.2 深度数字化定义及必要性

中国海油历经的工程数字化过程是一种探索，更是一条常规的数字化转型之路，深度数字化（主要从技术角度考虑）是一个相对的概念，是常规工程数字化之上的延申及深化，借助先进的信息技术手段，与实际的建设规划密切结合，形成一套更完备，更符合需求，更能体现数字化技术价值所在的建设方案。

国务院办公厅2014年6月7日印发的《能源发展战略行动计划（2014-2020年）》中就提到：加快海洋石油开发。按照以近养远、远近结合，自主开发与对外合作并举的方针，加强渤海、东海和南海等海域近海油气勘探开发，加强南海深水油气勘探开发形势跟踪分析，积极推进深海对外招标和合作，尽快突破深海采油技术和装备自主制造能力，大力提升海洋油气产量[2]。

中国海油国家号召积极响应，奋力挺进深海，逐步开发深水油（气）田，随着“深海一号”的投产运营，标志着我国已经具有自主开发深水油气资源的技术力量及作业能力，在建设海油强国的道路上迈出了重要步伐。“深水一号”是半潜式生产平台，涉及的工程建设项目同样具有深海油气工程“高技术”“高投入”“高风险”的基本特征[3]，导致工程建设及生产运维的难度大，成本高昂；通过借助三维数字技术进行模拟分析，可降低建设安装及生产运维的风险，达到提质增效的目的，但苦于长期缺少自主知识产权的三维引擎及成熟的数据信息管控技术，且三维数字技术缺乏与现实状态深层次的联动，在响应、交互、应用、展示等多个方面都存在不足，无法满足现阶段的迫切需求。因此很有必要在原有的工程数字化基础上，借助先进的方法论及技术，开展深度数字化技术的应用研究。

2 研究思路

深度数字化要以“管理规范为基础，工程位号为核心，关联关系为纽带，信息系统为载体”的原则理念作为深化思路；通过对数据模型进行不断的深化、细化工作，以此来推动标准规范的更新，并提出对信息系统的功能优化及完善（其中包括核心的三维引擎自主研发及优化），来实现深度数字化建设。深度数字化可以理解为数字孪生技术的基础拓展阶段（即数字孪生1.0），对基础信息的标准定义（如数据、模型、平台架构等）进行了总结及凝练，能建立起统一的交付成果标准，且能提供物理资产的二、三维协同可视化展示。

2.1 数据模型的深化

根据中国海油工程建设项目的特点，工程数字化的数据信息采集内容大致可分为工程文件、工程模型、工程数据3大部分；对应于工程数字信息管理系统（EDIS）的数据分类包括：非结构化数据、三维可视化模型、结构化数据。数据模型的深化工作，将极大地细化数据信息的颗粒度，为后期的深化应用提供精确且有效的关键数据信息。

2.1.1 非结构化数据

非结构化数据主要针对在工程建设阶段产出的各文档类资料。经过多年的运行，通过常规运行的工程数字化项目，已采集到较完备的各类基础文档资料，能满足标准规范的要求。但随着后期改扩建项目的要求不断细致化，对工程建设期间的基础档案资料收集需求也逐步递增。因此，有必要通过目标倒推法进行梳理、分析、整理出生产方切实需求的文件类型及格式清单；比对工程项目建设阶段所有能采集到的数据及资料，筛选出各类承包商/供应商可（或者已）提交的相关内容；并将标准规范中未涉及的内容进行补充完善，作为下一个工程数字化建设项目的执行标准依据，从而形成一个不断质量提升的良好闭环。如图1所示。

图1 非结构化数据形成一个不断质量提升的良好闭环

另外，非结构化数据深化的先期工作，有助于后续的三维可视化模型及结构化数据的深化工作开展。

2.1.2 三维可视化模型

三维可视化模型主要以工程模型为基准，进行临摹复刻制作或者通过优化处理工具进行第一步的初步建模，已达到形似的效果。其中，针对部分特殊件模型，则需要采用临摹复刻的制作方式，利用三维建模软件进行轻量化的处理；而对于大批量且规格相同的设备或构件，则可以使用专门的优化处理工具进行转化，减少人工的低效处理介入。

2.1.2.1 优化原则

为了控制三维可视化模型的点、面数据，避免过大情况，造成超出三维引擎系统负荷的限定，三维可视化模型优化处理的原则包括：

（1）常用基本体应确保最优段面数。

（2）优化后的外观不能出现变形现象且相似模型应保持采用统一处理方式。

（3）规范贴图使用规则，尽量减少贴图数量，纯色贴图应采用最小像素图片的处理方式。

（4）单一单体设施的整体模型面数应控制在400万面以内。

（5）标准设备较多的模型项目，每个设备对象的面数应控制在1 000面以内。

2.1.2.2 段面配置建议

为了满足后期展示应用的效果高质量、软硬件普适的基本需求，所有圆形体面需要平滑处理，平滑值根据具体情况设置，一般建议取值为50～70，确保不出现黑边，并且轮廓边缘光滑即可。

2.1.2.3 建模深度的优化规则

生产运维阶段，主要重点关注的设备设施涉及生产工艺、公用、消防救生等几大关键系统，因此三维可视化模型的建模对象也会有所取舍。针对重要生产工艺管线上的仪表阀门，则需根据后期的深化应用，进行更细致的精细化建模，如为热点触发、动态展示、二、三维协同等细腻展示效果提供基础模型支撑。

2.1.2.4 材质及贴图要求

纹理材质球的名称应与贴图名称保持一致，即所有材质球都需要一一对应。其中，材质球可以使用标准模板，通过调整参数做到与实际想过接近，以达到最原始，最逼真程度的还原；贴图的文件格式应采用通用的图片格式，以适用于不同的应用项目中。另外，由于透明贴图非常消耗GPU资源，因此尽量做到少用或不用透明贴图。

2.1.3 结构化数据

2.1.3.1 动态实时数据接入

建立实时数据缓存数据库，可作为动态数据接入的缓冲区域，为展示环境提供延时低、精度高、信息丰富的实时数据；在网络异常的状态下，也可通过循环加载缓存数据的方式无缝切换至过渡展示模式，避免出现因数据迟滞而引起的系统错误状态。

2.1.3.2 完整性数据补充及完善

切合生产运维的需求，在工程建设阶段采集的属性数据基础上，有针对性对关键橇块或设备对应的子设备属性信息进行补充、扩充，如吊机设备涉及的电动机、透平发电机中的原动机等，以便有更丰富、更详尽的数据信息进行展示及查阅，提高生产运维的执行效率。

2.1.3.3 关联关系信息细化及完善

数字化系统建设的核心信息，设备设施对象与非结构化资料间的纽带及桥梁，更细化、深化的关联关系信息的建立，将会极大地提高数据信息查阅的便利性，避免人工查阅的低效性，进而影响生产运维事件的处理时效性。

2.2 三维引擎优化及应用

2.2.1 三维引擎优化级基础功能建设

通过性能优秀的三维引擎平台，能轻松扩展搭建出一个高效、稳定、且功能强大的融合基础平台，将前述的所有基础数据信息进行有机融合，并借以直观的展示方式进行呈现，达到二、三维数据的关联联动、无缝切换的成效。

2.2.1.1 实时数据融合

完成与实时数据信息的对接，及时响应传输端的访问请求并对数据信息进行识别、触发等操作，结合三维可视化模型中按照预设方案定制的“热点”位置信息，完成模型与数据信息的深度映射及关联。

2.2.1.2 工艺流程模拟

在三维可视化模型的工艺流程模拟基础上（暂不涉及设备内部的工艺流程），以动态的形式展现物流在整个工艺系统中的流向状态，并通过不同的颜色进行物流介质的区分，直观地展示模拟效果。还可利用定制化的工具进行相关模拟流程的制定和调整。

2.2.1.3 实时预警报警

基于实时数据、模型融合等基础应用功能，通过不间断地监测生产运营数据，并与经验库及保护数据库进行比对的方式，针对不符合生产条件或安全条件的数值信息进行分级别的预警、报警，以便于实现自动化的生产运营监控，为最终的决策提供数据信息及处理方式支撑。

2.2.2 三维拓展应用展望

2.2.2.1 设备设施远程智能巡检

利用三维可视化模型，建立与巡检现场一致的虚拟场景，借助智能运维辅助设备与远端的专家进行实时沟通与互动，同时叠加专家系统、数据同步系统等辅助信息，实现专家远程会诊，信息融合展示，使生产得到有效的管控，避免人工巡检的安全风险，实现有效、可靠巡检，提升企业的安全管理水平。

2.2.2.2 智能化运营及调度

在三维可视化模拟模型的基础上，结合机理、数据模型，以及生产作业流程，借助智能化巡检、监测等技术，实现自动化的生产，并可以根据现场实际情况，进行智能分析、判断，提供决策支持信息，最大限度地保障生产的持续稳定，最后将历史信息进行比对分析，总结经验，丰富决策分析数据库，形成完善的良性循环。

2.2.2.3 事故应急处理

基于历史事故经验数据及其他各技术学科的基础数据，构建出与现场一致的三维可视化虚拟场景，实现事先模拟预演以及应急预案指导等功能。提升现场安全的有效管控能力，极大地提高事故处理的及时性，降低损失。

3 结束语

蓬勃发展的计算机技术，不断挑战并改变着这个世界的运转模式，传统的海工技术已经不能满足日益快速发展的行业需求，必须要与信息系统工程、网络安全工程、设备设施风险评估、大数据分析、虚拟与现实、模拟仿真等行业或技术充分结合起来，不断丰富深度数字化的内涵，才能焕发出新的生命力，这也是石油化工行业未来的发展趋势。因此，要一如既往，遵循国家的战略部署，严格按照中国海油的奋斗目标努力开拓，不断提升管控能力，防范安全风险，实现高质量发展，助力中国海油从传统管理模式向数字化、智能化的跨越，终将建成“智慧海油”。