三維空間信息系統(tǒng)在石油石化行業(yè)的應用綜述

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)人員還是生產經營管理人員，都必須面對大量冗雜的帶有地理屬性的信息數(shù)據。傳統(tǒng)的二維GIS雖然實現(xiàn)了對空間數(shù)據的管理，卻不能解決對空間數(shù)據可視化管理的問題。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)據查詢、數(shù)據分析、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、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)生產事故災難嚴重

201*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，內部管廊系統(tǒng)損壞嚴重，經濟損失超過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)境和經濟損失，使得這些地區(qū)受經濟危機的影響雪上加霜。

油氣開采和石油化學工業(yè)生產，本身是高危險性的行業(yè)。產品易燃易爆，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)生產事故分析與調查

三維空間信息系統(tǒng)的最大特點在于它能夠實現(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，對設施設備運行情況進行實時監(jiān)控，動態(tài)模擬生產工藝流程，實現(xiàn)對生產設施設備的可視化管理。生產事故發(fā)生后，三維空間信息系統(tǒng)通過對生產事故發(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)據相結合，與石油石化企業(yè)生產調度、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)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石化場站的三維模型數(shù)量可以達到201*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)據對三維空間信息系統(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工藝流程的改變。因此，在生產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或三維GIS系統(tǒng)在對生產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)的生產管理帶來諸多不便。因此，石油石化企業(yè)在生產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、流經設備及變化情況。

其次，工藝流程拓撲分析。當生產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。

（3）SCADA數(shù)據與三維場景一體化

目前，傳統(tǒng)的SCADA數(shù)據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)據與儀器設備聯(lián)系起來，這種數(shù)據管理方式無法直觀展示監(jiān)控儀器設備數(shù)據變動情況，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)據的關聯(lián)。當用戶需要查看儀器設備SCADA數(shù)據時，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)據時，會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。這種方式也是沒有完全實現(xiàn)SCADA數(shù)據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、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)據與三維場景的一體化。

SCADA數(shù)據與三維場景一體化不僅可以解決數(shù)據直觀可視化顯示管理問題，而且還可為工藝流程展示、重大危險源巡檢和事故預警提供數(shù)據支持。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。

（4）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，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井的產量及其變化趨勢、工作狀況以及在油井管理、維護狀況等方面的信息。

（3）生產營運監(jiān)控管理

利用三維空間信息系統(tǒng)平臺，將生產營運過程中的設備設施情況，實時監(jiān)測數(shù)據等資料直觀，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)化資源調配提供依據；方便領導及時掌握管理生產營運情況，為科學的進行資料調配提供輔助分析。

（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)控設備和生產數(shù)據統(tǒng)一在三維平臺上進行管理，達到設施設備、數(shù)據的高度集成。

（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的需要，實現(xiàn)人員、資源、設備以及現(xiàn)場綜合控制管理，輔助分析決策、指揮調度。包括事故模擬、事故分析、事故處理和事故總結的全系列處理流程；集成設施設備及周邊環(huán)境空間數(shù)據，監(jiān)測管理，GPS數(shù)據，實時遠程視頻數(shù)據，調控和搶維修系統(tǒng)，輔以無線網絡環(huán)境和GIS分析，實現(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，預案的智能啟動，以及三維實時的調度、指揮。

擴展閱讀：三維開發(fā)技術路徑

一、三維GIS開發(fā)平臺選擇：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，是世界領先的三維地球可視化軟件供應商及服務商。公司提供全面的軟件平臺、工具和服務，使用戶能夠創(chuàng)建和分發(fā)具有真實照片質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、數(shù)字高程模型和其它的2D或3D信息源，包括GIS數(shù)據集層等創(chuàng)建的一個交互式環(huán)境。它能夠允許用戶快速的融合數(shù)據、更新數(shù)據庫，并且有效地支持大型數(shù)據庫和實時信息流通訊技術，此系統(tǒng)還能夠快速和實時地向用戶展現(xiàn)3D地理空間影像。

Skyline軟件家族系列產品為網絡和非網絡環(huán)境提供了一個三維交互世界的窗口。以下的工作流程能夠指導你在本地或網絡環(huán)境下進行基本數(shù)據生成，數(shù)據傳輸，數(shù)據可視化和數(shù)據分析等。產品能夠分離開或根據用戶需求進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。Skyline軟件家族能夠使你在一個新的視角又基于你已有的IT和GIS構架來觀看你的商業(yè)案例。

2、國內軟件：EV-Globle

EV-Globe集成最新的地理信息和三維軟件技術，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)據和其它專題數(shù)據）數(shù)據一體化管理和快速三維實時漫游功能，支持三維空間查詢、分析和運算，可與常規(guī)GIS軟件集成，提供全球范圍基礎影像資料，方便快速構建三維空間信息服務系統(tǒng)，亦可快速在二維GIS系統(tǒng)完成向三維的擴展，是新一代的大型空間信息服務平臺。二、三維ＧＩＳ在石油化工行業(yè)的應用

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)設施設備分布信息與周圍人文地理信息等基礎數(shù)據相結合，與生產調度、應急管理等系統(tǒng)相融合，實現(xiàn)信息資源共享，筑起石油石化企業(yè)生產事故安全防范的屏障；亦可在石油石化企業(yè)發(fā)生重大安全生產事故后，通過“場景再現(xiàn)”，快速復原廠區(qū)設施設備，便于事故原因的追查與經濟損失的評估。因此，對于石油石化企業(yè)來說，建設三維空間信息系統(tǒng)具有很大的必要性與緊迫性。

未來石油石化行業(yè)應用特點對三維空間信息系統(tǒng)平臺提出了更高的技術要求，如高精度、高密度三維模型快速批量加載、工藝流程動態(tài)管理、與SCADA系統(tǒng)集成、工程設計、管理一體化等技術都將成為未來的應用難點和研究熱點。

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、生產營運監(jiān)控管理、場站設施設備管理、石油管道管理、應急救援決策指揮等眾多領域均具有廣泛應用前景。

三、三維GIS開發(fā)技術路徑

1、影像數(shù)據準備

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

2、DEM數(shù)據準備（1）大范圍的DEM數(shù)據

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，可使用全國90米分辨率或全國30米分辨率的免費DEM數(shù)據進行融合，這類數(shù)據通過收集或直接從網上免費下載。

（2）高精度的DEM

我們針對每個地區(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）激光雷達掃描建模

4、將影像、DEM、模型導入三維平臺中5、系統(tǒng)功能開發(fā)

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