三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)的應(yīng)用綜述

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、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

201*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。

201*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)場景再現(xiàn)，以三維真實(shí)的場景關(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，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)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)石化場站的三維模型數(shù)量可以達(dá)到201*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)系置入場景，并根據(jù)實(shí)際工藝流程在三維場景中制作動(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)。

（3）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(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)與三維場景進(jìn)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?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、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)。

（4）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、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)營運(yùn)監(jiān)控管理

利用三維空間信息系統(tǒng)平臺(tái)，將生產(chǎn)營運(yùn)過程中的設(shè)備設(shè)施情況，實(shí)時(shí)監(jiān)測數(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，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

三維空間信息系統(tǒng)可滿足油氣管理部門在發(fā)生緊急事故快速反應(yīng)的需要，實(shí)現(xiàn)人員、資源、設(shè)備以及現(xiàn)場綜合控制管理，輔助分析決策、指揮調(diào)度。包括事故模擬、事故分析、事故處理和事故總結(jié)的全系列處理流程；集成設(shè)施設(shè)備及周邊環(huán)境空間數(shù)據(jù)，監(jiān)測管理，GPS數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程視頻數(shù)據(jù)，調(diào)控和搶維修系統(tǒng)，輔以無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和GIS分析，實(shí)現(xiàn)了事故快速定位，影響區(qū)域及影響環(huán)境快速分析，搶修方案快速訂，預(yù)案的智能啟動(dòng)，以及三維實(shí)時(shí)的調(diào)度、指揮。

擴(kuò)展閱讀：三維開發(fā)技術(shù)路徑

一、三維GIS開發(fā)平臺(tái)選擇：1、國外軟件：Skyline

美國Skyline軟件系統(tǒng)有限公司（SkylineSoftwareSystems,Inc.）成立于1997年，是世界領(lǐng)先的三維地球可視化軟件供應(yīng)商及服務(wù)商。公司提供全面的軟件平臺(tái)、工具和服務(wù)，使用戶能夠創(chuàng)建和分發(fā)具有真實(shí)照片質(zhì)感的三維交互虛擬場景。

Skyline軟件是利用航空影像、衛(wèi)星數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型和其它的2D或3D信息源，包括GIS數(shù)據(jù)集層等創(chuàng)建的一個(gè)交互式環(huán)境。它能夠允許用戶快速的融合數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)庫，并且有效地支持大型數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)信息流通訊技術(shù)，此系統(tǒng)還能夠快速和實(shí)時(shí)地向用戶展現(xiàn)3D地理空間影像。

Skyline軟件家族系列產(chǎn)品為網(wǎng)絡(luò)和非網(wǎng)絡(luò)環(huán)境提供了一個(gè)三維交互世界的窗口。以下的工作流程能夠指導(dǎo)你在本地或網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行基本數(shù)據(jù)生成，數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)可視化和數(shù)據(jù)分析等。產(chǎn)品能夠分離開或根據(jù)用戶需求進(jìn)行用戶化的特殊定制，初始化界面和在線幫助工具能夠幫助你設(shè)定適合自己的三維世界窗口來解決你特殊的商業(yè)案例。從生成飛行文件的地表數(shù)據(jù)集或從你的GIS投資在二維/三維的knowledgebase簡單的傳送地表數(shù)據(jù)。Skyline軟件家族能夠使你在一個(gè)新的視角又基于你已有的IT和GIS構(gòu)架來觀看你的商業(yè)案例。

2、國內(nèi)軟件：EV-Globle

EV-Globe集成最新的地理信息和三維軟件技術(shù)，具有大范圍的、海量的、多源的（至少包括DEM、DOM、DLG、三維模型數(shù)據(jù)和其它專題數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù)一體化管理和快速三維實(shí)時(shí)漫游功能，支持三維空間查詢、分析和運(yùn)算，可與常規(guī)GIS軟件集成，提供全球范圍基礎(chǔ)影像資料，方便快速構(gòu)建三維空間信息服務(wù)系統(tǒng)，亦可快速在二維GIS系統(tǒng)完成向三維的擴(kuò)展，是新一代的大型空間信息服務(wù)平臺(tái)。二、三維ＧＩＳ在石油化工行業(yè)的應(yīng)用

三維空間信息系統(tǒng)可將石油石化企業(yè)地理分布信息、廠區(qū)設(shè)施設(shè)備分布信息與周圍人文地理信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)相結(jié)合，與生產(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，筑起石油石化企業(yè)生產(chǎn)事故安全防范的屏障；亦可在石油石化企業(yè)發(fā)生重大安全生產(chǎn)事故后，通過“場景再現(xiàn)”，快速復(fù)原廠區(qū)設(shè)施設(shè)備，便于事故原因的追查與經(jīng)濟(jì)損失的評(píng)估。因此，對(duì)于石油石化企業(yè)來說，建設(shè)三維空間信息系統(tǒng)具有很大的必要性與緊迫性。

未來石油石化行業(yè)應(yīng)用特點(diǎn)對(duì)三維空間信息系統(tǒng)平臺(tái)提出了更高的技術(shù)要求，如高精度、高密度三維模型快速批量加載、工藝流程動(dòng)態(tài)管理、與SCADA系統(tǒng)集成、工程設(shè)計(jì)、管理一體化等技術(shù)都將成為未來的應(yīng)用難點(diǎn)和研究熱點(diǎn)。

此外，三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)的油氣勘探、油氣開發(fā)管理、生產(chǎn)營運(yùn)監(jiān)控管理、場站設(shè)施設(shè)備管理、石油管道管理、應(yīng)急救援決策指揮等眾多領(lǐng)域均具有廣泛應(yīng)用前景。

三、三維GIS開發(fā)技術(shù)路徑

1、影像數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

確定影像數(shù)據(jù)：如果我們所要做的工程范圍內(nèi)有以前拍攝的航片數(shù)據(jù)或高精度衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，需要先把影像數(shù)據(jù)處理為正射影像，并拼接在一起，可一個(gè)條帶拼接在一起，條帶與條帶之間無需拼接，最后直接將每個(gè)條帶加入TB模塊中。

2、DEM數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（1）大范圍的DEM數(shù)據(jù)

為了使場景更加漂亮，需要增加比我們所要做的工程范圍更大的DEM數(shù)據(jù)，可使用全國90米分辨率或全國30米分辨率的免費(fèi)DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，這類數(shù)據(jù)通過收集或直接從網(wǎng)上免費(fèi)下載。

（2）高精度的DEM

我們針對(duì)每個(gè)地區(qū)，比例尺可能有1：500、1：201*、1：5000不等，均可將此類地形圖做成高精度DEM添加到場景中。

3、場站模型建立（1）人工建模

（2）激光雷達(dá)掃描建模

4、將影像、DEM、模型導(dǎo)入三維平臺(tái)中5、系統(tǒng)功能開發(fā)

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