陈 勇 ，孙文磊，谭远华，郑 雄

CHEN Yong1 , SUN Wen-lei1 , TAN Yuan-hua2, ZHENG Xiong3

（1.新疆大学 机械工程学院，乌鲁木齐 830047；2.红有软件有限责任公司，克拉玛依 834000；3.西部钻探 克拉玛依市井下作业公司，克拉玛依 834000）

0 引言

石油作为国家的重要能源供应，在国民经济的发展中起着无可替代的作用，随着社会的发展和科技的进步，对油田的建设、开采和管理提出了更高的要求。传统的油田发展模式已经越来越难以适应现代社会和市场的要求，而要解决这一矛盾，加快构建智慧油田显然是一个不错的选择，智慧油田是数字油田的高级形式，数字油田主要是建立在互联网的基础上，主要是数据的采集；而智慧油田是建立在物联网和云计算等众多的先进信息化技术基础上的，甚至包括未来的新技术、新理念，智慧油田更多注重的是对数据的智慧处理，并以此为管理层和决策层提供及时准确的决策依据。目前，国内外的石油行业在构建智慧油田的进程中已有着长足的进步，挪威国家石油公司与IBM合作建立的智慧油田项目使得其采收率大大提高，国内的华北油田、新疆油田等油田在构建数字油田的基础上，也提出了构建智慧油田的目标。依托克拉玛依智慧城市和新疆油田的智慧化建设，红有软件公司为智慧城市和智慧油田的建设提供整体的解决方案，承担、完成了数字新疆油田建设，开发了100多套系统，经过长期油田业务积累，具备了数字油田整体解决方案的能力。智慧油田通过云计算、物联网、现代通讯、虚拟化等新技术的应用，具有对油田的全方位感知能力，实现了油田的智能巡检、自动感知、多种数据融合的功能，构建绿色数据中心基本框架，建设和应用实时生产监控及操作系统，实现井场数据的自动化采集和传输，提高数据自动化采集率和对生产动态分析和优化功能；并与油气生产物联网系统集成，实现对油气开采的生产运行管理以及设备的综合管理。

在克拉玛依市构建智慧城市和智慧油田的大环境下，运用现代的科技手段来代替传统的人工劳动已成为必然趋势。在物联网的基础上，通过不同类型的传感器实时采集每台抽油机工作的关键参数并传输保存在数据库中，结合虚拟现实技术和现代通讯技术，把分布在各地的不同型号抽油机的相关信息全部整合在一个软件中，通过与数据库（储存抽油机的工作参数信息）相连，可精确查询每一台抽油机的实时工作情况和其他相关信息，并通过三维可视化技术直观呈现，方便管理人员对所有抽油机的情况进行查询了解，对管理决策提供一定的参考价值。本文以智慧油田的构建为背景，在物联网和虚拟现实可视化技术的基础上，选取一种抽油机上的传感器——井口压力传感器，以此为例来阐述抽油机装备工况采集与可视化的整个系统构成，为智慧油田的构建提供了一定的参考价值。

1 基于物联网抽油机装备工况采集

智慧油田的构建是由多个层级组成的，其中非常重要的一个就是感知层，近年来包括物联网、云计算、新一代互联网在内的现代信息技术的快速发展，为智慧油田的建设提供了可靠的技术支撑，高速发展的物联网技术和现代通讯技术使得感知层的构建快速而有效。就物联网技术在智慧油田构建中的运用而言，所涉及的关键技术有：通讯技术和传感器技术。而这两个关键技术中又有其各自需要解决的问题：

1.1 现代通讯技术

通过传感器采集的抽油机装备工况信息，最终需传输到监控终端保存。考虑到抽油机装备的数量众多，传感器所采集的数据也将是海量的，如何将数量众多的信息安全、准确的传输到监控终端是现代通讯技术需要解决的问题。

目前运用的主要有有线传输和无线传输两种方法。有线传输具有的特点是：传输稳定、可承载的数据流量巨大，但因抽油机的分布范围广泛，采用有线传输将需要铺设大量的传输线路，耗费巨大的人力物力财力，将大大增加智慧油田的购建成本。无线传输具有的优点是：综合成本低、组网灵活、可扩展性好，考虑油田抽油机装备的现实分布情况，无线传输更适合于智慧油田的构建，但无线传输也有其不足之处，因无线传输本身的非定向性，数据的传播的是开放的，因此如何做好数据传输的安全性和保密性将是信息传送中必须要考虑的问题；也因无线传输的开放性，数据的传输过程容易受到环境干扰，所以如何保证无线传输的抗干扰能力将决定着整个物联网感知结果的稳定性和可靠性。

1.2 传感器技术

利用传感器所采集的抽油机信息必须是管理人员最关心的信息，对整个抽油机装备实现物联网的远端监控和智能感知全覆盖，需采用数量众多且种类不同的传感器，因此如何更稳定、更经济、更准确的实现传感器信息的采集和处理将面临以下四方面的问题：

1）不同类型的传感器所采集的数据格式不同，如何对这些数据进行统一整合将是构建智慧油田必须解决问题之一。

2）每一种传感器在数据的采集过程中由于不同的原因都会产生一定的误差，因此需要控制传感器的数据采集误差，通过合理的求解算法，尽可能的提高数据采集精度，使其保持在误差允许的范围。

3）因抽油机的装备数量众多，构建智慧油田所需安装的各种类型的传感器数量也将是巨大的，且抽油机的分布范围广，供电极为不便，因此如何降低 传感器等其他设备的功耗将对构建智慧油田的成本控制产生重大影响。

4）因油田环境的特殊性，所安装的传感器需有抗干扰、抗油、抗水、抗腐蚀等特点，保证传感器工作的稳定性。

传感器的种类虽然不同，但构成参数采集、处理、传送的工作模块基本相同。本文以抽油机井口压力传感器为例，阐述抽油机装备信息采集系统的信息提取过程，抽油机井口压力传感器工作模块的构成及工作流程如图1所示。

图1 井口压力传感器模块及工作流程

2 基于VRP的抽油机装备三维可视化

虚拟现实技术是将复杂和抽象的数据以非量化的、直观的形式呈现给用户，使用户以最自然的方式实现与作业对象的交互技术。可视化（Visualization）是虚拟现实技术的关键技术之一，是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。它涉及到计算机图形学、图像处理、计算机视觉、计算机辅助设计等多个领域，成为研究数据表示、数据处理、决策分析等一系列问题的综合技术，它以人们惯于接受的表格、图形、图像等方法并辅以信息处理技术将客观事物及其内在的联系进行表现，其结果便于人们记忆和理解。可视化对于信息的处理和表达方式有其他方式无法取代的优势，其特点可总结为可视性、交互性和多维性。

本文运用数字化建模技术和虚拟现实技术，借助VRP和3ds Max等软件，在物联网的基础之上，构建抽油机装备工况交互式三维可视化环境模型，为智慧油田的构建提供借鉴。其系统实现的路线图设计如图2所示。

图2 系统实现的路线图设计

3 抽油机装备工况采集与可视化实现

3.1 信息采集模块设计

因油气资源的分布范围广泛，且多在人烟稀少的野外，导致了抽油机井的分布范围广泛，甚至在戈壁、沙漠之中，给抽油机的寻井工作带来诸多不便。在构建智慧油田的大环境下，在数字油田的建设基础上，运用先进的传感器技术、无线通讯、虚拟现实等技术，对分布在不同地区的抽油机工况进行远程实时监测，信息自动采集，通过无线通讯技术将采集的数据传输到监控站并保存，在监控终端运用虚拟现实技术把采集的抽油机参数实时立体显示在监控平台上，极大的提高了对分布范围广泛的抽油机井的监控效率，方便了油田的管理工作。

对一台抽油机实现监控需采集抽油机的电参数，井口压力，抽油机的光杆功率随位移变化的曲线，一个冲程周期内抽油机的有功功率曲线、电流曲线，抽油机的平衡率，抽油机的运行状态等参数。针对不同的参数及不同的工作环境需采用不同类型及型号的传感器，选择传感器时，为保证数据采集准确可靠，需考虑抽油机独特的工作环境，产品须具有抗腐蚀、防油、防水等性能，还需考虑传感器采集数据的稳定性、精确性、抗干扰性等性能。

3.2 工况可视化设计

通过不同类型和型号的传感器，将抽油机的关键工作参数采集并通过无线传输协议和数据转换技术，保存在监控终端的数据库中。运用3ds Max软件对抽油机的工作环境进行建模，并通过接口软件导入到VRP中，制作抽油机装备工况交互式三维可视化环境模型，并将其和采集的抽油机装备信息数据库连接，便于查询每一台抽油机的实时工作信息。

3ds Max是一款专业的三维动画渲染和制作软件，可构建出非常精美的三维场景模型。但过于精美的画质往往会导致所构建的三维模型面片数过高，将占用大量的计算机资源，从而严重影响后期的虚拟场景的运行速度，更严重的甚至导致虚拟场景无法运行。因此，在保证模型美观性前提下，应尽可能的精简模型的面片数。模型场景的整体面片数越少，占用系统资源越少，整个系统的运行速度也越快，场景的运行也更流畅。

对抽油机的模型进行优化前后的模型面片数如图3所示。

图3 抽油机模型面数和顶点数优化前后对比

通过图3可以看出，在对模型进行精简优化后，抽油机模型的面片数和顶点数大幅降低，但模型的美观性和完整性并没有受影响。越少的模型个数和面片数占用系统的资源越少，场景的加载速度也越快，流畅性也越高。

在3ds Max中制作好的场景将最终场景通过接口软件调入VRP中，再对场景进行微调，最终场景图如图4所示。

图4 VRP中调整后的场景

模型调整后，创建相机，通过绘制的运动路径设置相机的运动方式以及设置添加虚拟人等，实现平台的漫游操作，使得整个场景看起来更加逼真。

在VRP-builder中，将调整好的模型和传感器采集的抽油机关键参数数据库链接，每一台抽油机都对应着一组特定的数值，里面记录着抽油机的型号、地理位置、工作参数等信息，并制作脚本语言。三维场景的交互动作可以通过VRP脚本来实现，即根据系统的任务要求和场景设定，将VRP脚本文件分为4组（欢迎界面脚本、全景巡视脚本、抽油机任务脚本、界面交互脚本）。VRP编程脚本如图5所示，所有的交互功能均依靠编辑的脚本文件程序控制，编辑好所有的脚本文件后，点击VRP软件上方的按键，将制作好的文件打包成可独立运行的EXE文件并测试，运行后如图6所示，通过鼠标控制视角的远近和方位，也可通过设置的相机对整个场景进行漫游。

图5 VRP编程脚本

当鼠标移动到某一台抽油机上时，其所对应的数据库数据就可显示出来，当移动到另一台抽油机上时它所对应的数据就显示出来，且所有的抽油机相关参数都以固定的频率进行刷新，以保证所显示的数据能够真实的反映每台抽油机的实时工作状况。

图6 工况查询

5 结束语

本文在物联网的基础上，应用3ds Max与VRP等软件相结合的方式完成对抽油机装备工况查询系统的设计开发，并利用VRP软件平台实现人机交互功能。所开发的平台即可作为装备工况信息查询系统，实时查看每台抽油机的工作信息和关键工作参数，又可作为油田的视景仿真系统，实现油田的三维视景仿真漫游功能，为数字油田和智慧油田的构建提供借鉴。

展望未来，作为智慧油田的一部分，整个系统还可与GIS（地理信息系统）结合，构建1：1的真实场景，当某一个抽油机出现问题时，就可在监控平台上突出表现出来，发出警报并显示出该抽油机的故障信息和地理位置，利用GPS系统对维修人员的响应速度进行监测，做到快速发现、精准定位、快速处置，将经济损失降到最低，免去了人工寻井带来的种种弊端，解放了劳动力，提高了生产效率。

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