三维空间信息系统在石油石化行业的应用综述
三维空间信息系统在石油石化行业的应用综述
随着现代科学技术在石油工业各应用领域的不断发展，以及油田勘探开发管理等领域现代化、一体化管理进程的不断推进，无论是科技开发人员还是生产经营管理人员，都必须面对大量冗杂的带有地理属性的信息数据。传统的二维GIS虽然实现了对空间数据的管理，却不能解决对空间数据可视化管理的问题。与传统二维GIS相比，三维空间信息系统集地理信息图形、数据查询、数据分析、可视管理等功能于一身。利用三维空间信息系统可将石油石化的海量空间组成要素，如油井、管线、储油罐等进行空间地理分析，并进行可视化展示。三维空间信息系统在石油石化行业信息化建设中将发挥越来越重要的作用。
一、三维空间信息系统在石油石化行业应用的必要性与紧迫性
（1）石油石化企业生产事故灾难严重
201*年1月7日，中石油兰州石化分公司316号罐区发生一起爆炸火灾事故，事故造成企业员工6人当场死亡、6人受伤，316罐区8个立式储罐、2个球罐损毁，内部管廊系统损坏严重，经济损失超过5000万元。
201*年4月20日位于美国墨西哥湾的“深水地平线”钻井平台发生爆炸并引发大火，随后沉入墨西哥湾，造成11名工作人员死亡，钻井平台底部油井漏油不止。浮油向美国沿海及周边扩散，严重威胁墨西哥湾的生态环境，危及鸟类、鱼类等野生动物生存。此次事故将给受灾地区带来巨大的环境和经济损失，使得这些地区受经济危机的影响雪上加霜。
油气开采和石油化学工业生产，本身是高危险性的行业。产品易燃易爆，有毒有害，又多以气体和液体状态存在，极易泄漏和挥发。稍有不慎，就可能发生事故。一旦发生事故，不仅给生态环境带来灾难，而且也会给经济发展带来重大损失。由于多数事故是毁灭性的，尤其爆炸事故。事故发生后就很难再对事故发生前的设施设备运行情况进行还原，因此，给事故发生原因追查、经济损失评估等工作带来很大的困难。
（2）“场景再现”助力石油石化企业生产事故分析与调查
三维空间信息系统的最大特点在于它能够实现全息现实场景再现，以三维真实的场景关联相关信息，最大程度的做到人性化和可视化。三维空间信息系统通过建立设施设备的三维模型，对设施设备运行情况进行实时监控，动态模拟生产工艺流程，实现对生产设施设备的可视化管理。生产事故发生后，三维空间信息系统通过对生产事故发前的“场景再现”，便于分析事故发生在哪一个环节，追查事故发生原因。同时，还可对事故造成的经济损失情况进行有效评估。
（3）三维空间信息系统筑起石油石化企业生产事故安全防范的屏障
由于石油石化的行业特点，企业安全防范系统建设显得更为重要。三维空间信息系统可将石油石化企业地理分布信息、各石油石化企业厂区设施设备分布信息与企业周围人文地理信息以及相映的基础数据相结合，与石油石化企业生产调度、应急管理等系统相融合，实现信息资源共享，为石油石化企业安全防范管理现代化打下良好基础。
二、三维空间信息系统在石油石化行业应用研究的技术热点与难点
石油石化行业的应用特点对三维空间信息平台提出了更高的技术要求，未来三维空间信息系统在石油石化行业的应用研究的技术热点与难点体现在以下几个方面。
（1）高密度、高精度三维模型快速批量加载
石油石化企业的储油罐、管线、阀门等设施设备种类繁多、连接复杂，例如一平方公里范围内石化场站的三维模型数量可以达到201*个以上，而相同面积的城市三维中，模型数量只有几十或几百个。尤其是利用LIDAR点云数据提取的石油石化设施设备的三维模型，其中单个模型的数据量就可达到十几个GB。批量加载这么高密度、高精度的三维模型数据对三维空间信息系统平台提出了更高的技术要求。
三维空间信息系统平台在批量加载高密度、高精度的三维模型时，需要耗费大量的计算机资源，三维模型的加载数量和实时显示速度都受到了限制。因此，如何优化模型加载算法，包括计算分解、计算重用和对批量三维模型数据组织结构的优化和管理，从而降低计算机CPU和总线开销、提高三维模型批量加载规模和显示速度都将成为三维空间信息系统在石油石化行业应用研究的热点与难点。
（2）工艺流程动态管理
石油石化企业的生产工艺流程是动态的，每一道工序之间是互相关联的，任何一道工序的变化都可能导致整个生产工艺流程的改变。因此，在生产过程中需要时刻关注每道工序的运行变化情况。目前，二维GIS或三维GIS系统在对生产工艺流程的展示与管理方面都是静态的。工艺流程中任一道工序的变化情况、以及对整个工艺流程的影响情况，系统都无法实时、直观的展示出来，这也给企业的生产管理带来诸多不便。因此，石油石化企业在生产工艺流程的管理过程中对三维空间信息系统提出了以下两个层面的需求：
首先，工艺流程的三维动态展示。包括如何将管线、阀门、弯头、三通等各类设备之间的连通逻辑关系置入场景，并根据实际工艺流程在三维场景中制作动态仿真流程表现，动态显示整个工艺流程的路线、流经设备及变化情况。
其次，工艺流程拓扑分析。当生产工艺流程某一道工序发生事故时，如何分析得到与事发设备相关联的设备、管线、阀门等，如何判断那些工序受到影响，那些工序应该关闭等。这些都是工艺流程动态管理应用技术研究的热点与难点。
（3）SCADA数据与三维场景一体化
目前，传统的SCADA数据显示与管理方式有两种。第一种方式是通过一张张的表格将SCADA数据与仪器设备联系起来，这种数据管理方式无法直观展示监控仪器设备数据变动情况，不便于对仪器设备的实时化操作。第二种方式是在二维GIS系统中将仪器设备进行图形化，然后在仪器设备图形化符号属性中建立与SCADA数据的关联。当用户需要查看仪器设备SCADA数据时，需要点击仪器设备图形化符号。同样，这种方式也不便于SCADA数据的直观展示，尤其需要同时查看多个仪器设备监控数据时，会给用户的操作带来了诸多不便。
目前，大部分三维空间信息系统在与SCADA数据集成过程中与二维GIS系统的处理方式相同，需要点击三维模型，打开另外开一个窗口来显示SCADA数据。这种方式也是没有完全实现SCADA数据与三维场景的一体化。而有一些三维空间信息系统平台通过构建仪表盘功能，将SCADA数据与三维场景进行一体化显示。仪表盘功能使得用户在三维场景中无需任何操作就可以直观地查看SCADA监控数据、设备运行工况参数，如油罐的实时液压、温度等。因此，仪表盘功能解决了部分SCADA数据与三维场景的一体化。
SCADA数据与三维场景一体化不仅可以解决数据直观可视化显示管理问题，而且还可为工艺流程展示、重大危险源巡检和事故预警提供数据支持。便于工作人员从全局出发对厂区设备进行有效的监测管理，同时，通过预设的报警功能，可以迅速定位危险源，结合厂区的三维场景管理系统，及时做好应急措施。因此，如何将SCADA数据与三维场景一体化显示，将成为未来三维空间信息系统在石油石化行业应用研究的技术难点和热点。
（4）三维空间信息系统平台与CAD工程设计一体化
目前，三维空间信息系统平台三维建模方式是，首先进行现场拍照；然后利用三维建模软件进行模型搭建、贴图；最后再将建好的三维模型导入到三维空间信息系统平台。这种三维建模方式一般会耗费大量的人力和物力，并且建模的精度不高，同时，造成了设施设备三维建模成本居高不下，使得三维建模成为石油石化企业三维空间信息系统建设中费用支出最大的一块。
与此同时，企业拥有大量的设施设备二维、三维CAD设计数据资料。但是，由于目前大部分三维空间信息系统软件在导入CAD三维模型数据过程中，会造成大量信息的损失。从而，导致这些已有的CAD数据资料无法得到充分应用。
在三维空间信息系统建设中，如果能够直接应用已有的CAD三维模型数据，不仅会大大加快三维空间信息系统建模速度，还会大大提高三维建模精度。因此，三维空间信息系统平台与CAD工程设计一体化的技术，将成为未来三维空间信息系统在石油石化行业应用研究的难点与热点。
三、三维空间信息系统在石油石化行业中的应用领域
（1）油气勘探
利用三维空间信息技术可建立石油勘探综合管理信息系统、制作区域油气勘探综合部署图、勘探工程进度图和勘探成果图，并对成果进行直观可视化展示。管理人员可以及时、准确、形象、直观地了解有关情况，并进行综合分析对比，从而准确、合理、迅速地进行勘探工作部署。
（2）油气开发管理
利用三维空间信息技术不仅可以及时、准确、直观地了解油气资源的空间分布及其特征、油气开发的进展情况以及油井和油气管线的维护状况及其维修进度，从而正确地部署开发工作。还可以精确的确定油气井的位置，直观形象的了解到所有有关生产井的产量及其变化趋势、工作状况以及在油井管理、维护状况等方面的信息。
（3）生产营运监控管理
利用三维空间信息系统平台，将生产营运过程中的设备设施情况，实时监测数据等资料直观，准确的表现出来。通过反映成品油资源分布动态、计划执行情况和油库库存变化趋势，为优化资源调配提供依据；方便领导及时掌握管理生产营运情况，为科学的进行资料调配提供辅助分析。
（4）场站设施设备管理
石油石化设施设备是企业生产的基础，是整个企业安全运营的核心。三维GIS平台提供将石油石化设施设备进行高精度建模仿真，并对监控设备和生产数据统一在三维平台上进行管理，达到设施设备、数据的高度集成。
（5）石油管道管理
利用三维空间信息技术可对于输油管线的空间分布、输油能力、工作状况等方面内容进行管理，从而合理的布线，充分地利用现有的输油管线，以便更好的控制成本。在管线出现故障时，通过分析地理位置和故障类型以及管线结构等因素，维修人员能够迅速找出故障点并加以解决。
（6）应急救援决策指挥
三维空间信息系统可满足油气管理部门在发生紧急事故快速反应的需要，实现人员、资源、设备以及现场综合控制管理，辅助分析决策、指挥调度。包括事故模拟、事故分析、事故处理和事故总结的全系列处理流程；集成设施设备及周边环境空间数据，监测管理，GPS数据，实时远程视频数据，调控和抢维修系统，辅以无线网络环境和GIS分析，实现了事故快速定位，影响区域及影响环境快速分析，抢修方案快速订，预案的智能启动，以及三维实时的调度、指挥。
扩展阅读：三维开发技术路径
一、三维GIS开发平台选择：1、国外软件：Skyline
美国Skyline软件系统有限公司（SkylineSoftwareSystems,Inc.）成立于1997年，是世界领先的三维地球可视化软件供应商及服务商。公司提供全面的软件平台、工具和服务，使用户能够创建和分发具有真实照片质感的三维交互虚拟场景。
Skyline软件是利用航空影像、卫星数据、数字高程模型和其它的2D或3D信息源，包括GIS数据集层等创建的一个交互式环境。它能够允许用户快速的融合数据、更新数据库，并且有效地支持大型数据库和实时信息流通讯技术，此系统还能够快速和实时地向用户展现3D地理空间影像。
Skyline软件家族系列产品为网络和非网络环境提供了一个三维交互世界的窗口。以下的工作流程能够指导你在本地或网络环境下进行基本数据生成，数据传输，数据可视化和数据分析等。产品能够分离开或根据用户需求进行用户化的特殊定制，初始化界面和在线帮助工具能够帮助你设定适合自己的三维世界窗口来解决你特殊的商业案例。从生成飞行文件的地表数据集或从你的GIS投资在二维/三维的knowledgebase简单的传送地表数据。Skyline软件家族能够使你在一个新的视角又基于你已有的IT和GIS构架来观看你的商业案例。
2、国内软件：EV-Globle
EV-Globe集成最新的地理信息和三维软件技术，具有大范围的、海量的、多源的（至少包括DEM、DOM、DLG、三维模型数据和其它专题数据）数据一体化管理和快速三维实时漫游功能，支持三维空间查询、分析和运算，可与常规GIS软件集成，提供全球范围基础影像资料，方便快速构建三维空间信息服务系统，亦可快速在二维GIS系统完成向三维的扩展，是新一代的大型空间信息服务平台。二、三维ＧＩＳ在石油化工行业的应用
三维空间信息系统可将石油石化企业地理分布信息、厂区设施设备分布信息与周围人文地理信息等基础数据相结合，与生产调度、应急管理等系统相融合，实现信息资源共享，筑起石油石化企业生产事故安全防范的屏障；亦可在石油石化企业发生重大安全生产事故后，通过“场景再现”，快速复原厂区设施设备，便于事故原因的追查与经济损失的评估。因此，对于石油石化企业来说，建设三维空间信息系统具有很大的必要性与紧迫性。
未来石油石化行业应用特点对三维空间信息系统平台提出了更高的技术要求，如高精度、高密度三维模型快速批量加载、工艺流程动态管理、与SCADA系统集成、工程设计、管理一体化等技术都将成为未来的应用难点和研究热点。
此外，三维空间信息系统在石油石化行业的油气勘探、油气开发管理、生产营运监控管理、场站设施设备管理、石油管道管理、应急救援决策指挥等众多领域均具有广泛应用前景。
三、三维GIS开发技术路径
1、影像数据准备
确定影像数据：如果我们所要做的工程范围内有以前拍摄的航片数据或高精度卫星影像数据，需要先把影像数据处理为正射影像，并拼接在一起，可一个条带拼接在一起，条带与条带之间无需拼接，最后直接将每个条带加入TB模块中。
2、DEM数据准备（1）大范围的DEM数据
为了使场景更加漂亮，需要增加比我们所要做的工程范围更大的DEM数据，可使用全国90米分辨率或全国30米分辨率的免费DEM数据进行融合，这类数据通过收集或直接从网上免费下载。
（2）高精度的DEM
我们针对每个地区，比例尺可能有1：500、1：201*、1：5000不等，均可将此类地形图做成高精度DEM添加到场景中。
3、场站模型建立（1）人工建模
（2）激光雷达扫描建模
4、将影像、DEM、模型导入三维平台中5、系统功能开发
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