AR技術(shù)在油氣田地面工程設(shè)計中的應(yīng)用及前景

　　摘要：基于AR技術(shù)的可穿戴設(shè)備可以將計算機生成的圖像疊加到現(xiàn)實世界，用戶可以看到覆蓋有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的真實世界。近10年來，AR技術(shù)已從研究實驗室轉(zhuǎn)到了廣泛的可商用技術(shù)，逐步應(yīng)用于醫(yī)療、制造、工業(yè)設(shè)計、娛樂、市場營銷和軍事等方面。概述了AR技術(shù)可穿戴設(shè)備在近年內(nèi)的里程碑發(fā)展應(yīng)用案例，回顧了近年內(nèi)在石油和天然氣行業(yè)中AR技術(shù)的一些成功應(yīng)用案例及影響。針對AR技術(shù)在油氣田地面工程設(shè)計工作中的應(yīng)用前景，從站場設(shè)計、線路設(shè)計及配合施工等方面進(jìn)行了探討。由于AR技術(shù)能夠提供實時信息，其在油氣田地面工程中從設(shè)計至運維的全壽命周期中將具有不可忽視的應(yīng)用前景并將會在石油天然氣行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型道路中占有一席之地。

　　關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實;油氣田地面工程;可穿戴設(shè)備;數(shù)字化轉(zhuǎn)型

　　前言1977年《星球大戰(zhàn)》系列電影正傳第一部《星球大戰(zhàn)：新希望》中，展示了一種非常超前的全息影像技術(shù)，它作為電腦特效出現(xiàn)，但是卻預(yù)測了未來。30年后，3R技術(shù)(虛擬現(xiàn)實：VirtualReality，VR;增強現(xiàn)實：AugmentedReality，AR;混合現(xiàn)實：MixReality，MR)使得《星球大戰(zhàn)》系列電影所展現(xiàn)出來的未來科技已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)實，并成了當(dāng)前科技界的熱點。VR技術(shù)為電腦模擬的虛擬世界，強調(diào)沉浸感，目前已成熟應(yīng)用于游戲及影視娛樂;AR技術(shù)為將虛擬信息疊加至真實世界中，強調(diào)現(xiàn)場感及交互性，已逐漸在商業(yè)和工業(yè)中推廣。

　　油氣論文范例：塔里木盆地溫宿凸起油氣勘探突破及啟示

　　MR技術(shù)作為AR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，更強調(diào)在真實世界強化虛擬對象，虛擬物體和真實世界中的物體能夠相互遮擋并可相互自然地融合及實時互動，具有真實空間感，目前正在發(fā)展完善。廣義來說，AR技術(shù)比MR技術(shù)更寬泛，MR技術(shù)比AR技術(shù)更加嚴(yán)格，MR技術(shù)可視為AR技術(shù)的子集。虛擬圖像與現(xiàn)實世界無縫融合的AR技術(shù)以及建立在AR技術(shù)之上的MR技術(shù)已在醫(yī)學(xué)、娛樂、教育和工程等各方面逐步進(jìn)入實質(zhì)性應(yīng)用。隨著AR技術(shù)涉及的軟硬件領(lǐng)域的顯著改善，近五年來，逐漸走向成熟的AR技術(shù)在石油天然氣行業(yè)中的應(yīng)用案例也越來越多。

　　以云計算(CloudComputing)、移動互聯(lián)(MobileConnectivity)、人工智能(ArtificialIntelligence，AI)、大數(shù)據(jù)(BigData)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IndustrialInternetofThings，IIoT)等為代表的第四次工業(yè)革命(TheFourthIndustrialRevolution，4IR)帶來的浪潮以及全球新冠疫情大流行和低油價帶來危機，數(shù)字化轉(zhuǎn)型對于石油公司來說已從嘗試探索變成了迫在眉睫的生存之道。石油公司的很多項目也開始采用包括智慧管網(wǎng)、數(shù)字孿生等在內(nèi)的技術(shù)[1，AR技術(shù)與其他第四次工業(yè)革命的技術(shù)相互融合，已經(jīng)開始作為很多石油公司數(shù)字化道路上采用的技術(shù)手段，在降低成本、提高運營效率和提高工作場所安全等方面發(fā)揮了重要作用。

　　為此，回顧了AR技術(shù)近年來商用發(fā)展及市場化成功的可穿戴設(shè)備在石油工業(yè)中的使用案例，探討了AR技術(shù)在油氣站場設(shè)計、線路設(shè)計及現(xiàn)場配合施工中的應(yīng)用前景，期望對行業(yè)內(nèi)有興趣研究及使用AR技術(shù)的設(shè)計人員提供參考。AR技術(shù)簡介及商用發(fā)展AzumaRT在1997年提出的AR定義是目前被廣泛接受的定義，即AR是具有虛實結(jié)合、實時交互、三維注冊等三個特征的系統(tǒng)。

　　第一個真正的計算機生成的AR體驗可以追溯到計算機圖形學(xué)(CAD)之父和虛擬現(xiàn)實(VirtualReality，VR)之父SutherlandIE的成果，他于1963年在麻省理工學(xué)院開發(fā)了世界上第一個交互式圖形應(yīng)用，1968年他與BobSproull一起創(chuàng)建了第一個原型AR系統(tǒng)。SutherlandIE的理念隨后在NASA及美國空軍為代表的美國軍政部門及一些大學(xué)的實驗室中一直默默發(fā)展，電腦和工業(yè)領(lǐng)域在幾十年后才體會到其理念帶來的劃時代變革。以AzumaRT為代表的美國學(xué)者一直在跟蹤調(diào)查AR技術(shù)在理論和應(yīng)用方面的進(jìn)展，中國學(xué)者在21世紀(jì)初開始大量跟蹤AR技術(shù)的發(fā)展。

　　1999年，Kato及BillinghurstM[1基于C/C++開發(fā)了開源AR軟件開發(fā)工具包ARtoolKit，并在華盛頓大學(xué)HIT實驗室發(fā)布，該工具使開發(fā)人員無需構(gòu)建自己的跟蹤系統(tǒng)即可構(gòu)建AR應(yīng)用程序，很多程序員基于此項開源代碼完成了AR程序及應(yīng)用的創(chuàng)建。AR顯示設(shè)備可以使得用戶同虛擬現(xiàn)實內(nèi)容進(jìn)行自然交互，而虛擬內(nèi)容則與周圍的現(xiàn)實世界融為一體，用戶則可以始終保持與現(xiàn)實世界的互動。

　　21世紀(jì)初，AR技術(shù)在博物館及主題公園的虛擬展示及體育比賽轉(zhuǎn)播中開始逐漸應(yīng)用，隨后應(yīng)用于游戲及電視直播領(lǐng)域。隨著基于Flash、智能手機及全球商業(yè)營銷的發(fā)展，AR技術(shù)在21世紀(jì)第10個年頭得到了發(fā)展，2015年至2017年短短兩年間，從微軟、亞馬遜、蘋果、谷歌等老牌科技公司到AR初創(chuàng)公司，行業(yè)新品也如雨后春筍般出現(xiàn)。2015年月微軟公司發(fā)布了頭戴式顯示器MicrosoftHoloLens，2019年月又發(fā)布了升級版的HoloLens。

　　微軟的HoloLens采用MR技術(shù)將計算機圖像與現(xiàn)實視野相結(jié)合，以真實自然的方式實現(xiàn)全息圖的觸摸、抓握和移動，目前已廣泛應(yīng)用于軍隊軍工、航空航天、醫(yī)學(xué)、汽車等領(lǐng)域，成為迄今為止最為成功及實用的AR頭戴顯示設(shè)備之一。2017年月AR初創(chuàng)公司RealWear推出了帶有AR功能的RealWearHMT工業(yè)可頭戴計算機，2018年月推出了可用于石油化工行業(yè)環(huán)境的RealWearHMT1Z1防爆型工業(yè)頭戴計算機，RealWea頭戴計算機一經(jīng)推出，就廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

　　AR可穿戴設(shè)備在石油工業(yè)的探索應(yīng)用已持續(xù)近一年的低油價及全球新冠疫情大流行的局面使得石油公司不得不面對削減成本、遠(yuǎn)程辦公、遠(yuǎn)程協(xié)助、遠(yuǎn)程維護檢修等問題，各大石油公司被迫將尚在嘗試中的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提前推到前臺，AR技術(shù)也越發(fā)得到石油公司的關(guān)注和應(yīng)用。石油公司已開始認(rèn)識到AR技術(shù)在遠(yuǎn)程檢查維護、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程員工培訓(xùn)和遠(yuǎn)程協(xié)助中的優(yōu)勢。目前，石油公司與微軟公司、谷歌公司等科技巨頭合作開發(fā)專用的AR技術(shù)及穿戴設(shè)備，一些AR科技初創(chuàng)公司及游戲引擎開發(fā)公司也逐漸參與其中以滿足石油公司的特殊需求，目前AR技術(shù)在石油天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)逐步推廣。

　　英國石油巨頭BP公司很早就開始嘗試可視化技術(shù)和AR技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，并大力發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)，開展數(shù)字化轉(zhuǎn)型的努力。2017年，BP使用AR初創(chuàng)公司Fieldbit公司的FieldbitHero智能眼鏡，使用實時視頻使在控制室的專家可以看到現(xiàn)場技術(shù)人員的所見，從而確保問題的準(zhǔn)確診斷。然后，使用AR技術(shù)，F(xiàn)ieldbitHero智能眼鏡可使專家在技術(shù)人員從事設(shè)備修復(fù)工作時，將易于理解的視覺指令和來自控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)疊加到技術(shù)人員的視野中，通過AR技術(shù)的使用，BP公司發(fā)現(xiàn)提高了運營安全性和運營效率18。

　　FieldbitHero智能眼鏡在BP公司的應(yīng)用見圖。2018年雪佛龍公司與微軟公司合作，為其現(xiàn)場技術(shù)人員配備了微軟Hololens頭顯來開展日常維護及專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)。借助HoloLens頭顯遠(yuǎn)程協(xié)助的優(yōu)勢，雪佛龍位于各地的專家可以為分布全球的工廠和項目提供遠(yuǎn)程指導(dǎo)，不同工廠及項目的員工也可以遠(yuǎn)程協(xié)作及協(xié)助，從而使得旅行成本及相關(guān)風(fēng)險得到降低，并提高了效率19。

　　微軟公司Hololens頭顯在雪佛龍公司的應(yīng)用見圖。2018年月，霍尼韋爾公司發(fā)布了智能可穿戴設(shè)備SkillsInsight，該設(shè)備結(jié)合了RealWearHMT1Z1頭顯和霍尼韋爾的Movilizer平臺，支持危險場所現(xiàn)場服務(wù)運營�？身憫�(yīng)語音并具有作業(yè)程序可視化、實時數(shù)據(jù)可視化、視頻捕捉及回放、語音控制及搜索、遠(yuǎn)程專家待命、地理定位及導(dǎo)航、資產(chǎn)可視化、緊急疏散及救助等功能20。

　　2019年殼牌公司為開展數(shù)字化轉(zhuǎn)型，聯(lián)合霍尼韋爾公司在美國、中國、德國等12個國家和地區(qū)的運營地點部署RealWearHMT1Z1頭顯并通過專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)方式成功解決故障。2020年月，法國石油巨頭道達(dá)爾公司在美國得州拉波特的聚丙烯工廠中部署了RealWearHMT1Z1頭顯，其遠(yuǎn)程協(xié)助功能使得道達(dá)爾公司在專家差旅成本及新冠疫情防控上取得了明顯的效果。

　　AR技術(shù)在油氣地面工程設(shè)計中的應(yīng)用

　　AR技術(shù)在景觀設(shè)計、城市規(guī)劃及工程評價等領(lǐng)域的應(yīng)用已得到眾多學(xué)者的研究和探索，王靖濱等人基于VisualC/C++6.0開發(fā)工具實現(xiàn)了一個AR景觀規(guī)劃系統(tǒng)，將設(shè)計對象和真實世界相融合并對設(shè)計人員提供了良好的幫助。管濤等人設(shè)計并實現(xiàn)了基于增強現(xiàn)實的虛擬小區(qū)規(guī)劃系統(tǒng)，證明了增強現(xiàn)實技術(shù)在小區(qū)規(guī)劃應(yīng)用中的優(yōu)勢。

　　申杰等人利用AR技術(shù)對大型建設(shè)項目可視化評價進(jìn)行了探討，結(jié)果表明采用AR技術(shù)提高了工作效率并帶來巨大的經(jīng)濟效益。PhanVT等人基于AR技術(shù)和GoogleEarth創(chuàng)建了ARCdesk程序，方便建筑設(shè)計和城市規(guī)劃。已在景觀設(shè)計及城市規(guī)劃中探索使用的AR技術(shù)，在油氣管道站場規(guī)劃設(shè)計中同樣有著光明的應(yīng)用前景。

　　雪佛龍公司在墨西哥灣的馬洛油田中，設(shè)計工程師將3D設(shè)計模型全息投影到會議室中，使得現(xiàn)場工程師和專家能夠準(zhǔn)確看到模型外觀，并在部件裝配前測試間距、評估安全性并核驗其他設(shè)計問題。油氣管道設(shè)計中廣泛使用的CAD、PDS、SP3D、PDMS等設(shè)計軟件完成的3D模型往往只停留在設(shè)計人員電腦中，在常規(guī)工程建設(shè)現(xiàn)場最終都是以打印的2D平面圖紙作為結(jié)果，使用效果大打折扣。AR技術(shù)的使用可以將3D模型的全息影像投射到現(xiàn)實世界，將設(shè)計成果可視化，提升了工程師對模型進(jìn)行評估和改進(jìn)的能力。

　　例如，設(shè)計人員可以結(jié)合AR開發(fā)平臺編輯應(yīng)用程序，將設(shè)計模型及成果導(dǎo)入頭顯等AR設(shè)備，采用AR在現(xiàn)場完成等比例的站場3D模型投影后，設(shè)計和施工工程師可以置身其中，對模型按照實物狀態(tài)進(jìn)行審核，親身體驗置于現(xiàn)場的模型，確定設(shè)計合理性，在施工之前發(fā)現(xiàn)問題并及時處理;監(jiān)理工程師在現(xiàn)場施工過程中及施工完成后，可以摒棄耗時的常規(guī)2D圖紙現(xiàn)場校核模式，采用AR技術(shù)將模型投射到實體上進(jìn)行對比，從而評估實物同3D設(shè)計模型的匹配度，提升質(zhì)檢的準(zhǔn)確性和效率。

　　運營工程師可以走進(jìn)投射到現(xiàn)場的虛擬工藝裝置區(qū)，體驗設(shè)備及管道的人體工程學(xué)情況，在工程完成前對裝置區(qū)各功能進(jìn)行熟悉及模擬操作，不僅能提前將問題在施工前及時反饋給設(shè)計改進(jìn)，還能有助于提高操作熟練程度和投產(chǎn)安全。AR技術(shù)的可視化功能使得各類工程師在項目完成前就能達(dá)到身臨其境的狀態(tài)，在設(shè)計、模型審查、施工及運營等整個項目生命周期都可以起到輔助作用。

　　線路設(shè)計

　　AR技術(shù)目前已在地理信息系統(tǒng)及城市地下管網(wǎng)規(guī)劃中得到嘗試應(yīng)用。孫敏等人提出了ARGIS概念，將地理信息系統(tǒng)(GIS)同AR技術(shù)相結(jié)合，使得GIS的虛擬數(shù)字化空間同AR的實時交互有效結(jié)合。常勇等人提出了基于RTKGPS同測角傳感器相結(jié)合的戶外混合AR系統(tǒng)，探討并驗證了其在地下管網(wǎng)可視化中的應(yīng)用，使用AR技術(shù)可以觀察到地下縱橫交錯的各類管線的走向、相互位置，并可進(jìn)行相關(guān)的查詢和分析，有效地解決管網(wǎng)管理中存在的很多難題。周玲等人29設(shè)計了城市地下管網(wǎng)AR系統(tǒng)，利用ARCore實現(xiàn)了管道模型的虛實融合，可以多方位實時查看。目前管道線路的設(shè)計基本上是基于2D的平面斷面圖設(shè)計，今后，在油氣管道線路設(shè)計中，AR技術(shù)的3D虛實結(jié)合顯示模式在以下兩方面會有一定的發(fā)展空間。

　　結(jié)論與思考

　　低油價、新冠疫情及第四次工業(yè)革命帶來了石油工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的迫切需求，大數(shù)據(jù)分析、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、機器人與無人機、人工智能、云計算、3D打印、虛擬現(xiàn)實增強現(xiàn)實混合現(xiàn)實等數(shù)字化領(lǐng)域的新技術(shù)逐漸得到應(yīng)用，中國石油企業(yè)在創(chuàng)建智慧管網(wǎng)等數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面已經(jīng)開始探索及發(fā)力。在全球新冠疫情大流行及低油價帶來的行業(yè)危機中，提高效率和遠(yuǎn)程辦公(遠(yuǎn)程協(xié)助、遠(yuǎn)程培訓(xùn)等)的常態(tài)化將促進(jìn)AR及MR等新技術(shù)的使用和發(fā)展。

　　目前，AR技術(shù)應(yīng)用隨著智能手機和平板電腦的廣泛應(yīng)用已逐漸普及，隨著軟硬件的進(jìn)步及同物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)相結(jié)合，AR可穿戴設(shè)備在石油和天然氣工業(yè)中將易于發(fā)揮作用。AR及MR頭戴設(shè)備具有解放雙手的用戶界面、遠(yuǎn)程指導(dǎo)、減少差旅、智能檢索、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)字化工作流等功能，對油氣管道的設(shè)計、施工、運營都會產(chǎn)生積極影響，也對提高生產(chǎn)效率、增強工作場所安全、降低成本至關(guān)重要。

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