摘  要： 從海洋工程設施數字化的特點和全生命周期數字化管理思路入手，深入解析了實現油田數字化的各個環節，詳細闡述了實施海洋工程設施數字化的技術路線和應用途徑，為此項技術深入開展和廣泛應用奠定了基礎。
關鍵詞： 海洋工程；油田數字化；工程信息；在役設施；三維建模；關聯查詢

　數字化油田的概念起源于數字地球，其實質就是通過信息技術構建一個三維的虛擬模型，其中加載大量的油田信息，將兩者有機地統一在一個價值鏈中，建立起虛擬與現實之間的聯系[1]。數字化油田在開發、建設、生產過程中，利用實時數據流結合高速計算機，建立快速反饋的動態模型系統，實現實時資料的并行處理，以提高油田開發效率和科學管理水平[2]。海洋工程設施數字化是海上油田數字化的基礎，也是數字化系統的重要組成部分，在海上油田數字化過程中起著關鍵性的作用。
1 海洋工程設施數字化的特點
　在海洋工程領域中，工程設施數字化是將海上油氣田全部的工程項目信息、工程設計文件和工程設施設備資料等按照統一的規范和標準實施電子化，再將電子化資料與虛擬的三維模型進行有機的關聯，形成一個利用虛擬現實來表征的可視化系統。
　海洋工程設施數字化的目的是實現在海洋工程設施全生命周期管理，通過利用數字化技術實現油田設計建造、生產運營和維修改造等工作高效率的運行。在油氣田工程信息資產完整性管理上，真正意義地實現了把工程信息這一無形財富轉化為有形資產的重大轉變，并且通過科學管理和合理利用實現了其長效的價值，最終形成油田數字化資產。
2 海洋工程設施全生命周期數字化管理思路
　海洋工程設施全生命周期數字化管理是一個系統的、完善的動態管理過程，利用整體優化的統籌管理方式貫穿于工程設施設備的整個生命周期，以滿足設備設施的可靠性（包括性能、安全、環保）、可操作性、可維護性，使其更好地履行生產任務并規避因其引起的健康安全環保風險，實現其與經濟性的平衡、可持續發展。
　海洋工程設施的全生命周期管理貫穿前期研究、工程建設、運營維護、棄置處理，整個過程如圖1所示。
在前期研究階段，制定并實施數字化管理的規范和標準，分析在ODP報告編制過程中與將來設備設施完整性密切相關的因素和環節，對關鍵設備設施選型、選材和采購提出關鍵技術指標要求，提高設計基礎數據的準確性和代表性，完善開發方案，實現可靠性和經濟性的平衡，為后期設備設施數字化管理打下基礎。

　在工程建設階段，全過程采集工程數據信息，將與工程設施實體相關的數據信息都作為與實體資產同等重要的無形“信息資產”納入管理，通過工程信息的采集、校驗、審查、處理和轉換，將工程各設計階段的文字資料和圖紙、合同采辦、建造完工等資料進行數字化整理，再與創建的工程模型進行有機關聯，完成工程數據信息的集成，并形成后期日常更新與維護管理體系，最終實現海洋工程設施數字化。
　在運營維護、棄置處理階段，集中管理和維護數據信息，對工程設施設備進行適應性評估，對比投產后的實際情況與設計條件的偏差并采取有針對性的預防措施控制由此帶來的風險，維持工程設施設備的完整性，保證安全生產。對于改、擴建項目及設備設施操作條件的變更，充分利用工程設施數字化信息系統進行工程信息查詢和模擬計算，嚴格執行變更管理程序，制定改造方案、科學評估風險、落實保障措施。此外，對油田進行棄置處理時，若是工程設施設備本身原因導致廢棄，應對失效原因予以分析或研究，總結經驗教訓，避免同類問題重復出現。
3 海洋工程設施數字化技術實施內容
　海洋工程設施數字化技術主要分為新建工程項目數字化和在役工程設施數字化兩大類。
3.1 新建工程項目數字化技術
　新建工程項目數字化是基于對工程設施全生命期的完整性管理，在新建工程項目啟動、計劃、實施、收尾過程中，將全部工程數據信息作為無形“信息資產”納入全方位管理，項目完工時形成完整的數字化資產并按照數字化資產的移交方式進行交付。同時對于新建工程項目的管理類文檔也作為組織過程資產，納入數字化資產管理范圍。新建工程項目數字化技術的實施伴隨著工程項目總體進度同步開展進行，具體實施內容可分為以下3個步驟。
　（1）前期準備
　①在工程項目啟動初期編制新建工程項目數字化實施管理程序，規范并指導整個工程項目建設期間的數字化工作。
　②建立工程數據信息集成系統平臺，作為工程信息儲存、查詢和應用的載體，用于整個工程項目的數字化管理。系統服務器性能要與實際用戶數量相匹配，CPU主頻至少為4 GHz、內存要求4 GB以上，操作系統建議使用：Windows Server 2003，數據庫系統建議使用ORACLE10g，服務器需要有備份。
　③組織項目組內的從業人員進行崗位職責和技能的專業培訓，特別是針對IT工程師和文控工程師兩個崗位，需要掌握系統安裝、維護、管理、操作等技能，并且能夠對工程文件、模型、數據進行完成性和規范性的審查。
　④編制工程項目EPCI總包部分、設計承包商部分、平臺建造和安裝部分、設備供應商部分的數字化技術要求，明確規定承包商、供應商在項目各個工程階段所應提交的工程圖紙文件、數據和模型等資料的范圍和格式，并且要求嚴格遵守移交流程完成工程信息的提交工作。
　（2）工程實施
　①在工程項目計劃、實施過程中，同步進行工程信息的采集工作，對于過程文件、成果文件和完工文件進行線上采集（通過信息集成系統直接采集），對于提交的階段性成果模型和完工模型（包括三維模型、智能P&ID 模型、結構計算模型）進行線下采集（在信息集成系統外進行采集）。
　②為確保采集到的工程信息能夠在數據集成系統中實現高效、快速、準確、完整的查詢和應用，需要在工程信息采集完成后，信息上載前對工程信息進行校驗。按照規范性、完整性、唯一性、一致性、正確性的原則對工程文件、工程模型和工程數據進行嚴格審查。針對大批量的工程文件，可利用專門的校驗工具進行文件清單、設備清單校驗以及文件存在性校驗。
　③對于通過校驗和審查的工程信息，可以進行數據裝載，將采集的工程信息上載到工程數據信息集成系統平臺，執行信息裝載流程，如圖2所示。

　④信息裝載成功后，對于信息集成系統還需要進行日常運維和管理，實時更新數據信息。以工作流的形式實現新建工程項目文件線上提交、線上審查、最終成果入庫的運行機制，確保在工程項目實施階段，執行過程的可追溯和執行狀態的可把控。
　（3）完工移交
　通過日常的規范化管理、標準化采集、處理和存儲在信息集成系統平臺中形成了大量的工程數據信息。在項目移交階段，還需要對工程信息的規范性、完整性和關聯關系提取進行最終審查，交付審查通過后，按照相關管理流程進行數字化資產的整體移交工作，不僅縮短了工程項目移交、生產準備時間，而且提高了油田運營的效能。
3.2 在役工程設施數字化技術
　在役工程設施數字化與新建工程項目數字化在技術實施上有很大的不同。在役油田的工程建設初期，由于受到經濟技術、管理理念等多方面因素的限制，缺乏完善的基于全生命周期的工程數據信息集成系統平臺，工程建設完工移交時也沒有形成完整的油田數字化資產，因此在役工程設施數字化技術涉及到對工程文件、工程模型兩個方面的追溯和補充，并且數字化技術實施期間不能影響在役油田正常的開發、生產工作。
通過在役工程設施數字化技術可以提供與油田現狀高度一致的設計文件（包括詳細設計、完工設計、改造設計、合同采辦、設備資料）、三維模型、結構SACS模型，實現設備所在系統位置的快速定位、實現工程設施設備和設計文件及工程模型之間的關聯查詢。在油氣田生產運維期間，為油田擴建、工程設施改造、故障維修提供準確工程信息，提高工程效率、降低實施風險并減少經濟損失。同時，對于海上油氣田發生的安全應急事件，也可以利用三維可視化和共享信息平臺，對突發事件進行快速、準確的分析，提高應急指揮能力。
　在役工程設施數字化技術包含工程文件收集與整理、工程模型建立、工程文件與模型的關聯、工程信息校驗及上載、數字化成果移交幾部分內容，技術實施路線如圖3所示。

3.2.1工程文件收集與整理
　在役油氣田在起初工程建設完工移交生產時，會將詳細設計和完工設計等文件一并交付，原始文件基本上都存放在檔案館中。對于此類文件收集過程較為容易，只需嚴格按照檔案館借閱流程即可完成工程文件收集工作。除此之外，在油田運營期間，為了增加油氣產量、更新設施設備，大多數在役油田都經歷過多次的改造，而油田改造過程中的歸檔工作還不夠完善，以至于部分資料甚至散落在承包商手中，文件收集工作比較被動。對于投產年限較短的油田，通過多方咨詢和記錄追溯還可以找到基本的工程文件，但對于部分接近服役年限的油田，因為運營時間太長，工程文件缺失嚴重，導致文件收集工作無法正常進行，只能通過下文介紹的逆向工程建模技術直接恢復工程信息。
對于工程文件的整理工作主要分為資料電子化、整卷拆分、規范命名和歸類整理幾個步驟。
　（1）資料電子化
　資料電子化就是嚴格按照既定流程和規范對收集到的資料進行電子掃描、圖像處理、OCR識別和文字校對等工作，最大限度地利用其使用價值。資料電子化工作流程如圖4所示。

　（2）文件拆分及命名
　在資料電子化過程中，為了提高掃描效率、保證工作質量，一般將整卷文件集中掃描成一個PDF文件，之后再利用切分工具參照簽署頁的內容進行劃分，將整卷文件中的每一份單獨文件提取出來，按照【文件編碼】【空格】【版本號】的格式進行獨立命名，并且確保每一個文件只對應一個文件編碼。例如文件編碼中的地理信息編碼可參照【國別編碼】－【行業編碼】－【區域編碼】－【油田編碼】的格式進行編制；圖紙文件編碼可參照【設計階段】－【設計圖紙類型】－【單體區域編碼】－【模塊區域編碼】－【專業編碼】－【圖號】－【次級序列號】的格式進行編制；設備編碼可參照【單體或模塊編碼】－【機械設備編碼】－【系統編碼】－【序列號】的格式進行編制；管線編碼可參照【公稱直徑】－【管線內介質縮寫】－【系統編碼】－【序列號】－【壓力等級及材料等級編碼】－【絕緣防護編碼】的格式進行編制。
　（3）歸類整理
　對于已完成拆分、命名工作的文件，需要對其進行歸類整理，將單獨文件存放到指定的層級結構中。例如對于設計文件將分6個層級進行存放，層級結構如圖5所示。

　文件存放完畢后，按照【專業】－【文件編碼】－【文件名稱】－【模塊】－【最終版本】的格式匯總編制整個文件目錄清單，以便于后期的查詢和檢索。
3.2.2 工程模型建立
　在役工程設施三維模型的建立與新建工程項目三維模型的創建在技術實施路線上存在一些差異。前文所述新建工程項目數字化技術的實施伴隨著工程項目總體進度同步開展進行，三維模型也是依據設計文件、設計圖紙、P&ID圖等設計資料逐步創建和完善起來的。對于這種主要依靠圖紙文件等設計資料進行三維工程模型創建的過程稱其為正向建模。
　由于在役油田服役時間較長，期間因為管理或技術上的種種原因，海洋石油平臺原始資料的保留不盡人意，很難在短時間內將油田設計、建造文件全部收集起來。此外，因為油田經歷了多次改造，平臺結構、工程設施布局和管線位置都與最初的設計條件產生了一些變化，原始資料已不能完全準確地反映當下油田的狀況。因此，只能利用三維激光掃描儀對在役工程設施進行實景掃描復制，以掃描所得到的點云數據為基礎，建立三維工程模型，進而恢復在役油田的歷史工程信息和現在運行狀況。三維激光掃描儀的工作原理是通過定義坐標原點并向外發射激光束，采集和處理反射數據形成具有一定分辨率的空間點，利用組成的點云圖來表達目標物體表面的特征，如圖6所示。對于這種無需工程圖紙、依靠掃描所獲得的點云數據建立三維工程模型的建模過程稱其為逆向建模。
　雖然逆向建模技術可以解決因原始資料不足帶來的問題，也可以準確地反映平臺工程設施的完整性。但是受到三維激光掃描儀自身以及海上場地的限制，對于平臺導管架水下部分、上部組塊受遮擋的位置和管線密集區域都無法獲得準確的點云數據，并且逆向建模的周期太長，因此對于在役工程設施三維工程模型的建立通常采用正向建模與逆向建模相結合的技術方式[3]。
　在正向建模過程中，為保證三維工程模型中元件選型和材料代碼的一致性，必須先建立統一使用的三維圖元庫，其中定義儲存在圖元文件中圖像的尺寸、圖元文件的大小、調色板的數目、圖元文件中記錄數等內容。三維模型可運用AVEVA PDMS、PDS、AutoPLANT Piping等軟件進行繪制，模型總體要求體現平臺設施的完整性，與設計成果文件保持統一。模型的外觀盡量和廠家資料保持相似性、尺寸要與廠家提供尺寸保持一致，如果需要則根據廠家圖紙深度細化撬內設備。模型的顏色設置需按照規范要求對板材、結構梁柱、設備和管材介質等單元統一進行配色，如圖7所示。
　正向建模和三維激光掃描工作完成后，一個重要的環節就是將激光掃描獲得的點云數據與正向模型進行比對，如圖8所示。比對前需要統一空間坐標系，建立基準點和基準面。
圖8所示正逆向模型比對結果是點云數據與正向模型空間位置、尺寸相符合，對于此情況可以直接保留正向模型作為三維工程模型。如果在正逆向模型比對時出現偏移的情況，如圖9所示（正向模型相對于點云數據空間位置向左偏移），則需要根據點云數據的空間位置調整正向模型的位置，匹配成功后形成三維工程模型。如果正向模型與點云數據比對時發生較大差異，比如正向模型中有此設備但無點云數據，或者存在點云數據但正向模型中無此設備。對此則需要完全清除正向模型，根據獲得點云數據和現場差異處照片進行逆向建模，并將逆向模型作為最終的三維工程模型。

3.2.3 工程信息校驗及上載
　為了確保工程信息滿足工程設施數字化的要求，需要對其進行校驗和審查。重點檢查工程文件和工程位號的命名、編碼和儲存是否符合規則要求，確保工程文件和工程位號在同一工程項目中不重復、不沖突，具有唯一性。檢查各個專業工程位號的基本信息（位號、名稱、類別、模塊代號、專業代號、系統代號等）是否正確，確保各專業工程位號與詳設成果文件、完工文件等工程文件之間關聯關系的準確性和完整性。檢查通過工程位號能否關聯到三維模型、智能P&ID圖以及相對應的設計圖紙，并驗證圖紙中是否存在設備位號的相關信息。檢查三維工程模型中的設備位號命名、管線命名是否相關圖紙保持一致，確證每個設備對應的工程位號與設計文件中的工程位號相一致。工程信息審查通過后，全部上載至工程數據信息集成系統，完成工程信息的集成工作。
3.2.4 數字化成果移交
　工程信息數據成功裝載后，需要對信息集成系統進行試運行測試，例如通過圖紙編號或工程位號，測試是否能在系統中查詢到對應的工程文件，并能夠正常瀏覽；測試三維工程模型能否在系統中正常展示，能否查詢到設施設備相應的關聯屬性。測試完成后形成完善的在役工程設施數字化資產，并交付生產作業方使用，實現海洋工程設施全生命周期的數字化管理。
4 海洋工程設施數字化技術實施應用
4.1 新建工程項目數字化技術的應用
　2010年4月，番禺4-2/5-1調整開發項目正式啟動，項目周期為兩年半。為了提升項目執行效率、保證工程建設質量，在項目啟動初期制定了明確的數字化管理措施，將工程信息采集和移交規范列入合同條款，要求各承包單位必須嚴格執行。與此同時，項目全過程使用工程數據信息集成系統平臺，工程文件實現在線管理。
　數字化技術的成功應用改變了傳統的管理模式，使工程項目管理高效有序。信息集成系統的線上辦公流程全面替代了原有的線下辦公方式，項目群信息的傳遞使得日常工作更加合理和規范、工程文件快速流轉使得線上審批快捷方便，例如設計類文件的審批周期由原來平均7天縮短為2天。
　三維工程模型的智能化設計大幅度提升了平臺建造效率。據統計兩個平臺的模型零部件達5萬多個，對于建造過程中各專業之間互相碰撞的問題，在設計階段即可利用工程模型予以解決。在實際建造中也可以利用工程模型調整各專業間的施工順序，有效避免返工現象，僅僅用了兩個多月的時間即完成了平臺上部組塊的結構建造。
　載入工程信息，形成數字化資產。將所有設施設備（其中組塊642臺套、空調64臺、風機70臺）的設計資料信息、工程模型信息、廠家資料信息、設備技術參數信息、招投標/合同資料信息、建造安裝信息、調試記錄信息全部導入信息集成系統，并與MAXIMO等系統建立接口，實現了數字化資產的移交。該項目最終提前試生產約兩個月，成為第一個實現全過程數字化管理的工程項目。
4.2 在役工程設施數字化技術的應用
　綏中36-1-J平臺是一座老舊平臺，分為新區和老區兩部分，新區是2009年實施的增加外掛井槽裝置，工程設計資料較為齊全，老區為J平臺的主體部分，建成于20世紀90年代中期，一直沿用至今，期間經歷過多次改造。因服役期間較長且對于歷史資料沒有統一的歸檔要求和標準，平臺資料缺失較多，現有資料已不能全面反映平臺現狀。為此，使用在役工程設施數字化技術對油田的歷史工程信息和現階段運行狀況進行恢復。
在工程模型建立階段，采用正向建模與逆向建模相結合的方法，先根據現有工程文件進行正向建模，再將三維激光掃描儀掃描獲取的平臺點云數據與正向模型進行比對，最后利用點云數據將變更改造后的情況在工程軟件中逐一恢復出來。經統計，通過正逆向模型比對，現有綏中36-1-J平臺老區實際增加了13個設備，增加了915 m管線和281個管件，涉及領域涵蓋了工藝、安全/消防、機械、儀表、配管、結構、電氣、通信、海管等專業，逆向模型的修正數量幾乎占到三維工程模型總量的三分之一。對于新增的工程設施設備追溯并補充其屬性信息，最終實現整個平臺工程設施的數字化。
　本文的主要內容來自于中國海油多年來數字化領域的探索。實踐證明在海洋工程建設領域合理運用工程設施數字化技術能夠明顯減少海洋石油平臺建造時間，降低后期運營維護成本，同時很好地解決了工程資料保管和有效利用問題，使其形成油田數字化資產、促進海上油氣田開發建設的智能化和信息化。雖然目前海洋工程設施數字化程度還不夠高，新建工程項目全過程的數字化管理還處于起步階段，在役工程設施數字化實施路徑還需要進一步的探索和補充，但隨著數字化技術應用范圍的不斷擴大、應用程度的不斷深入、應用體系的不斷完善，將來必將發揮其更為顯著的成效。
參考文獻
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