AR技術在油氣田地面工程設計中的應用及前景

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

　　關鍵詞：增強現實;油氣田地面工程;可穿戴設備;數字化轉型

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

　　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技術作為AR技術的進一步發展，更強調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，目前正在發展完善。廣義來說，AR技術比MR技術更寬泛，MR技術比AR技術更加嚴格，MR技術可視為AR技術的子集。虛擬圖像與現實世界無縫融合的AR技術以及建立在AR技術之上的MR技術已在醫學、娛樂、教育和工程等各方面逐步進入實質性應用。隨著AR技術涉及的軟硬件領域的顯著改善，近五年來，逐漸走向成熟的AR技術在石油天然氣行業中的應用案例也越來越多。

　　以云計算(CloudComputing)、移動互聯(MobileConnectivity)、人工智能(ArtificialIntelligence，AI)、大數據(BigData)和工業物聯網(IndustrialInternetofThings，IIoT)等為代表的第四次工業革命(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，數字化轉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、數字孿生等在內的技術[1，AR技術與其他第四次工業革命的技術相互融合，已經開始作為很多石油公司數字化道路上采用的技術手段，在降低成本、提高運營效率和提高工作場所安全等方面發揮了重要作用。

　　為此，回顧了AR技術近年來商用發展及市場化成功的可穿戴設備在石油工業中的使用案例，探討了AR技術在油氣站場設計、線路設計及現場配合施工中的應用前景，期望對行業內有興趣研究及使用AR技術的設計人員提供參考。AR技術簡介及商用發展AzumaRT在1997年提出的AR定義是目前被廣泛接受的定義，即AR是具有虛實結合、實時交互、三維注冊等三個特征的系統。

　　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(CAD)之父和虛擬現實(VirtualReality，VR)之父SutherlandIE的成果，他于1963年在麻省理工學院開發了世界上第一個交互式圖形應用，1968年他與BobSproull一起創建了第一個原型AR系統。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的實驗室中一直默默發展，電腦和工業領域在幾十年后才體會到其理念帶來的劃時代變革。以AzumaRT為代表的美國學者一直在跟蹤調查AR技術在理論和應用方面的進展，中國學者在21世紀初開始大量跟蹤AR技術的發展。

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

　　21世紀初，AR技術在博物館及主題公園的虛擬展示及體育比賽轉播中開始逐漸應用，隨后應用于游戲及電視直播領域。隨著基于Flash、智能手機及全球商業營銷的發展，AR技術在21世紀第10個年頭得到了發展，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初創公司，行業新品也如雨后春筍般出現。2015年月微軟公司發布了頭戴式顯示器MicrosoftHoloLens，2019年月又發布了升級版的HoloLens。

　　微軟的HoloLens采用MR技術將計算機圖像與現實視野相結合，以真實自然的方式實現全息圖的觸摸、抓握和移動，目前已廣泛應用于軍隊軍工、航空航天、醫學、汽車等領域，成為迄今為止最為成功及實用的AR頭戴顯示設備之一。2017年月AR初創公司RealWear推出了帶有AR功能的RealWearHMT工業可頭戴計算機，2018年月推出了可用于石油化工行業環境的RealWearHMT1Z1防爆型工業頭戴計算機，RealWea頭戴計算機一經推出，就廣泛應用于工業領域。

　　AR可穿戴設備在石油工業的探索應用已持續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、遠程辦公、遠程協助、遠程維護檢修等問題，各大石油公司被迫將尚在嘗試中的數字化轉型提前推到前臺，AR技術也越發得到石油公司的關注和應用。石油公司已開始認識到AR技術在遠程檢查維護、遠程監控、遠程員工培訓和遠程協助中的優勢。目前，石油公司與微軟公司、谷歌公司等科技巨頭合作開發專用的AR技術及穿戴設備，一些AR科技初創公司及游戲引擎開發公司也逐漸參與其中以滿足石油公司的特殊需求，目前AR技術在石油天然氣領域的應用已經逐步推廣。

　　英國石油巨頭BP公司很早就開始嘗試可視化技術和AR技術的開發應用，并大力發展數字孿生技術，開展數字化轉型的努力。2017年，BP使用AR初創公司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場技術人員的所見，從而確保問題的準確診斷。然后，使用AR技術，FieldbitHero智能眼鏡可使專家在技術人員從事設備修復工作時，將易于理解的視覺指令和來自控制系統的實時數據疊加到技術人員的視野中，通過AR技術的使用，BP公司發現提高了運營安全性和運營效率18。

　　FieldbitHero智能眼鏡在BP公司的應用見圖。2018年雪佛龍公司與微軟公司合作，為其現場技術人員配備了微軟Hololens頭顯來開展日常維護及專家遠程指導。借助HoloLens頭顯遠程協助的優勢，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程指導，不同工廠及項目的員工也可以遠程協作及協助，從而使得旅行成本及相關風險得到降低，并提高了效率19。

　　微軟公司Hololens頭顯在雪佛龍公司的應用見圖。2018年月，霍尼韋爾公司發布了智能可穿戴設備SkillsInsight，該設備結合了RealWearHMT1Z1頭顯和霍尼韋爾的Movilizer平臺，支持危險場所現場服務運營。可響應語音并具有作業程序可視化、實時數據可視化、視頻捕捉及回放、語音控制及搜索、遠程專家待命、地理定位及導航、資產可視化、緊急疏散及救助等功能20。

　　2019年殼牌公司為開展數字化轉型，聯合霍尼韋爾公司在美國、中國、德國等12個國家和地區的運營地點部署RealWearHMT1Z1頭顯并通過專家遠程指導方式成功解決故障。2020年月，法國石油巨頭道達爾公司在美國得州拉波特的聚丙烯工廠中部署了RealWearHMT1Z1頭顯，其遠程協助功能使得道達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技術在油氣地面工程設計中的應用

　　AR技術在景觀設計、城市規劃及工程評價等領域的應用已得到眾多學者的研究和探索，王靖濱等人基于VisualC/C++6.0開發工具實現了一個AR景觀規劃系統，將設計對象和真實世界相融合并對設計人員提供了良好的幫助。管濤等人設計并實現了基于增強現實的虛擬小區規劃系統，證明了增強現實技術在小區規劃應用中的優勢。

　　申杰等人利用AR技術對大型建設項目可視化評價進行了探討，結果表明采用AR技術提高了工作效率并帶來巨大的經濟效益。PhanVT等人基于AR技術和GoogleEarth創建了ARCdesk程序，方便建筑設計和城市規劃。已在景觀設計及城市規劃中探索使用的AR技術，在油氣管道站場規劃設計中同樣有著光明的應用前景。

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

　　例如，設計人員可以結合AR開發平臺編輯應用程序，將設計模型及成果導入頭顯等AR設備，采用AR在現場完成等比例的站場3D模型投影后，設計和施工工程師可以置身其中，對模型按照實物狀態進行審核，親身體驗置于現場的模型，確定設計合理性，在施工之前發現問題并及時處理;監理工程師在現場施工過程中及施工完成后，可以摒棄耗時的常規2D圖紙現場校核模式，采用AR技術將模型投射到實體上進行對比，從而評估實物同3D設計模型的匹配度，提升質檢的準確性和效率。

　　運營工程師可以走進投射到現場的虛擬工藝裝置區，體驗設備及管道的人體工程學情況，在工程完成前對裝置區各功能進行熟悉及模擬操作，不僅能提前將問題在施工前及時反饋給設計改進，還能有助于提高操作熟練程度和投產安全。AR技術的可視化功能使得各類工程師在項目完成前就能達到身臨其境的狀態，在設計、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。

　　線路設計

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

　　結論與思考

　　低油價、新冠疫情及第四次工業革命帶來了石油工業數字化轉型的迫切需求，大數據分析、工業物聯網、機器人與無人機、人工智能、云計算、3D打印、虛擬現實增強現實混合現實等數字化領域的新技術逐漸得到應用，中國石油企業在創建智慧管網等數字化轉型方面已經開始探索及發力。在全球新冠疫情大流行及低油價帶來的行業危機中，提高效率和遠程辦公(遠程協助、遠程培訓等)的常態化將促進AR及MR等新技術的使用和發展。

　　目前，AR技術應用隨著智能手機和平板電腦的廣泛應用已逐漸普及，隨著軟硬件的進步及同物聯網、大數據和人工智能等技術相結合，AR可穿戴設備在石油和天然氣工業中將易于發揮作用。AR及MR頭戴設備具有解放雙手的用戶界面、遠程指導、減少差旅、智能檢索、數據可視化、數字化工作流等功能，對油氣管道的設計、施工、運營都會產生積極影響，也對提高生產效率、增強工作場所安全、降低成本至關重要。

　　參考文獻

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　　作者：程浩力，劉中民,2蔡峰峰張連來馬曉天孫學藝胡京民王鵬

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