AR技术在油气田地面工程设计中的应用及前景

　　摘要：基于AR技术的可穿戴设备可以将计算机生成的图像叠加到现实世界，用户可以看到覆盖有数字数据的真实世界。近10年来，AR技术已从研究实验室转到了广泛的可商用技术，逐步应用于医疗、制造、工业设计、娱乐、市场营销和军事等方面。概述了AR技术可穿戴设备在近年内的里程碑发展应用案例，回顾了近年内在石油和天然气行业中AR技术的一些成功应用案例及影响。针对AR技术在油气田地面工程设计工作中的应用前景，从站场设计、线路设计及配合施工等方面进行了探讨。由于AR技术能够提供实时信息，其在油气田地面工程中从设计至运维的全寿命周期中将具有不可忽视的应用前景并将会在石油天然气行业数字化转型道路中占有一席之地。

　　关键词：增强现实;油气田地面工程;可穿戴设备;数字化转型

　　前言1977年《星球大战》系列电影正传第一部《星球大战：新希望》中，展示了一种非常超前的全息影像技术，它作为电脑特效出现，但是却预测了未来。30年后，3R技术(虚拟现实：VirtualReality，VR;增强现实：AugmentedReality，AR;混合现实：MixReality，MR)使得《星球大战》系列电影所展现出来的未来科技已经逐渐成为现实，并成了当前科技界的热点。VR技术为电脑模拟的虚拟世界，强调沉浸感，目前已成熟应用于游戏及影视娱乐;AR技术为将虚拟信息叠加至真实世界中，强调现场感及交互性，已逐渐在商业和工业中推广。

　　油气论文范例：塔里木盆地温宿凸起油气勘探突破及启示

　　MR技术作为AR技术的进一步发展，更强调在真实世界强化虚拟对象，虚拟物体和真实世界中的物体能够相互遮挡并可相互自然地融合及实时互动，具有真实空间感，目前正在发展完善。广义来说，AR技术比MR技术更宽泛，MR技术比AR技术更加严格，MR技术可视为AR技术的子集。虚拟图像与现实世界无缝融合的AR技术以及建立在AR技术之上的MR技术已在医学、娱乐、教育和工程等各方面逐步进入实质性应用。随着AR技术涉及的软硬件领域的显著改善，近五年来，逐渐走向成熟的AR技术在石油天然气行业中的应用案例也越来越多。

　　以云计算(CloudComputing)、移动互联(MobileConnectivity)、人工智能(ArtificialIntelligence，AI)、大数据(BigData)和工业物联网(IndustrialInternetofThings，IIoT)等为代表的第四次工业革命(TheFourthIndustrialRevolution，4IR)带来的浪潮以及全球新冠疫情大流行和低油价带来危机，数字化转型对于石油公司来说已从尝试探索变成了迫在眉睫的生存之道。石油公司的很多项目也开始采用包括智慧管网、数字孪生等在内的技术[1，AR技术与其他第四次工业革命的技术相互融合，已经开始作为很多石油公司数字化道路上采用的技术手段，在降低成本、提高运营效率和提高工作场所安全等方面发挥了重要作用。

　　为此，回顾了AR技术近年来商用发展及市场化成功的可穿戴设备在石油工业中的使用案例，探讨了AR技术在油气站场设计、线路设计及现场配合施工中的应用前景，期望对行业内有兴趣研究及使用AR技术的设计人员提供参考。AR技术简介及商用发展AzumaRT在1997年提出的AR定义是目前被广泛接受的定义，即AR是具有虚实结合、实时交互、三维注册等三个特征的系统。

　　第一个真正的计算机生成的AR体验可以追溯到计算机图形学(CAD)之父和虚拟现实(VirtualReality，VR)之父SutherlandIE的成果，他于1963年在麻省理工学院开发了世界上第一个交互式图形应用，1968年他与BobSproull一起创建了第一个原型AR系统。SutherlandIE的理念随后在NASA及美国空军为代表的美国军政部门及一些大学的实验室中一直默默发展，电脑和工业领域在几十年后才体会到其理念带来的划时代变革。以AzumaRT为代表的美国学者一直在跟踪调查AR技术在理论和应用方面的进展，中国学者在21世纪初开始大量跟踪AR技术的发展。

　　1999年，Kato及BillinghurstM[1基于C/C++开发了开源AR软件开发工具包ARtoolKit，并在华盛顿大学HIT实验室发布，该工具使开发人员无需构建自己的跟踪系统即可构建AR应用程序，很多程序员基于此项开源代码完成了AR程序及应用的创建。AR显示设备可以使得用户同虚拟现实内容进行自然交互，而虚拟内容则与周围的现实世界融为一体，用户则可以始终保持与现实世界的互动。

　　21世纪初，AR技术在博物馆及主题公园的虚拟展示及体育比赛转播中开始逐渐应用，随后应用于游戏及电视直播领域。随着基于Flash、智能手机及全球商业营销的发展，AR技术在21世纪第10个年头得到了发展，2015年至2017年短短两年间，从微软、亚马逊、苹果、谷歌等老牌科技公司到AR初创公司，行业新品也如雨后春笋般出现。2015年月微软公司发布了头戴式显示器MicrosoftHoloLens，2019年月又发布了升级版的HoloLens。

　　微软的HoloLens采用MR技术将计算机图像与现实视野相结合，以真实自然的方式实现全息图的触摸、抓握和移动，目前已广泛应用于军队军工、航空航天、医学、汽车等领域，成为迄今为止最为成功及实用的AR头戴显示设备之一。2017年月AR初创公司RealWear推出了带有AR功能的RealWearHMT工业可头戴计算机，2018年月推出了可用于石油化工行业环境的RealWearHMT1Z1防爆型工业头戴计算机，RealWea头戴计算机一经推出，就广泛应用于工业领域。

　　AR可穿戴设备在石油工业的探索应用已持续近一年的低油价及全球新冠疫情大流行的局面使得石油公司不得不面对削减成本、远程办公、远程协助、远程维护检修等问题，各大石油公司被迫将尚在尝试中的数字化转型提前推到前台，AR技术也越发得到石油公司的关注和应用。石油公司已开始认识到AR技术在远程检查维护、远程监控、远程员工培训和远程协助中的优势。目前，石油公司与微软公司、谷歌公司等科技巨头合作开发专用的AR技术及穿戴设备，一些AR科技初创公司及游戏引擎开发公司也逐渐参与其中以满足石油公司的特殊需求，目前AR技术在石油天然气领域的应用已经逐步推广。

　　英国石油巨头BP公司很早就开始尝试可视化技术和AR技术的开发应用，并大力发展数字孪生技术，开展数字化转型的努力。2017年，BP使用AR初创公司Fieldbit公司的FieldbitHero智能眼镜，使用实时视频使在控制室的专家可以看到现场技术人员的所见，从而确保问题的准确诊断。然后，使用AR技术，FieldbitHero智能眼镜可使专家在技术人员从事设备修复工作时，将易于理解的视觉指令和来自控制系统的实时数据叠加到技术人员的视野中，通过AR技术的使用，BP公司发现提高了运营安全性和运营效率18。

　　FieldbitHero智能眼镜在BP公司的应用见图。2018年雪佛龙公司与微软公司合作，为其现场技术人员配备了微软Hololens头显来开展日常维护及专家远程指导。借助HoloLens头显远程协助的优势，雪佛龙位于各地的专家可以为分布全球的工厂和项目提供远程指导，不同工厂及项目的员工也可以远程协作及协助，从而使得旅行成本及相关风险得到降低，并提高了效率19。

　　微软公司Hololens头显在雪佛龙公司的应用见图。2018年月，霍尼韦尔公司发布了智能可穿戴设备SkillsInsight，该设备结合了RealWearHMT1Z1头显和霍尼韦尔的Movilizer平台，支持危险场所现场服务运营。可响应语音并具有作业程序可视化、实时数据可视化、视频捕捉及回放、语音控制及搜索、远程专家待命、地理定位及导航、资产可视化、紧急疏散及救助等功能20。

　　2019年壳牌公司为开展数字化转型，联合霍尼韦尔公司在美国、中国、德国等12个国家和地区的运营地点部署RealWearHMT1Z1头显并通过专家远程指导方式成功解决故障。2020年月，法国石油巨头道达尔公司在美国得州拉波特的聚丙烯工厂中部署了RealWearHMT1Z1头显，其远程协助功能使得道达尔公司在专家差旅成本及新冠疫情防控上取得了明显的效果。

　　AR技术在油气地面工程设计中的应用

　　AR技术在景观设计、城市规划及工程评价等领域的应用已得到众多学者的研究和探索，王靖滨等人基于VisualC/C++6.0开发工具实现了一个AR景观规划系统，将设计对象和真实世界相融合并对设计人员提供了良好的帮助。管涛等人设计并实现了基于增强现实的虚拟小区规划系统，证明了增强现实技术在小区规划应用中的优势。

　　申杰等人利用AR技术对大型建设项目可视化评价进行了探讨，结果表明采用AR技术提高了工作效率并带来巨大的经济效益。PhanVT等人基于AR技术和GoogleEarth创建了ARCdesk程序，方便建筑设计和城市规划。已在景观设计及城市规划中探索使用的AR技术，在油气管道站场规划设计中同样有着光明的应用前景。

　　雪佛龙公司在墨西哥湾的马洛油田中，设计工程师将3D设计模型全息投影到会议室中，使得现场工程师和专家能够准确看到模型外观，并在部件装配前测试间距、评估安全性并核验其他设计问题。油气管道设计中广泛使用的CAD、PDS、SP3D、PDMS等设计软件完成的3D模型往往只停留在设计人员电脑中，在常规工程建设现场最终都是以打印的2D平面图纸作为结果，使用效果大打折扣。AR技术的使用可以将3D模型的全息影像投射到现实世界，将设计成果可视化，提升了工程师对模型进行评估和改进的能力。

　　例如，设计人员可以结合AR开发平台编辑应用程序，将设计模型及成果导入头显等AR设备，采用AR在现场完成等比例的站场3D模型投影后，设计和施工工程师可以置身其中，对模型按照实物状态进行审核，亲身体验置于现场的模型，确定设计合理性，在施工之前发现问题并及时处理;监理工程师在现场施工过程中及施工完成后，可以摒弃耗时的常规2D图纸现场校核模式，采用AR技术将模型投射到实体上进行对比，从而评估实物同3D设计模型的匹配度，提升质检的准确性和效率。

　　运营工程师可以走进投射到现场的虚拟工艺装置区，体验设备及管道的人体工程学情况，在工程完成前对装置区各功能进行熟悉及模拟操作，不仅能提前将问题在施工前及时反馈给设计改进，还能有助于提高操作熟练程度和投产安全。AR技术的可视化功能使得各类工程师在项目完成前就能达到身临其境的状态，在设计、模型审查、施工及运营等整个项目生命周期都可以起到辅助作用。

　　线路设计

　　AR技术目前已在地理信息系统及城市地下管网规划中得到尝试应用。孙敏等人提出了ARGIS概念，将地理信息系统(GIS)同AR技术相结合，使得GIS的虚拟数字化空间同AR的实时交互有效结合。常勇等人提出了基于RTKGPS同测角传感器相结合的户外混合AR系统，探讨并验证了其在地下管网可视化中的应用，使用AR技术可以观察到地下纵横交错的各类管线的走向、相互位置，并可进行相关的查询和分析，有效地解决管网管理中存在的很多难题。周玲等人29设计了城市地下管网AR系统，利用ARCore实现了管道模型的虚实融合，可以多方位实时查看。目前管道线路的设计基本上是基于2D的平面断面图设计，今后，在油气管道线路设计中，AR技术的3D虚实结合显示模式在以下两方面会有一定的发展空间。

　　结论与思考

　　低油价、新冠疫情及第四次工业革命带来了石油工业数字化转型的迫切需求，大数据分析、工业物联网、机器人与无人机、人工智能、云计算、3D打印、虚拟现实增强现实混合现实等数字化领域的新技术逐渐得到应用，中国石油企业在创建智慧管网等数字化转型方面已经开始探索及发力。在全球新冠疫情大流行及低油价带来的行业危机中，提高效率和远程办公(远程协助、远程培训等)的常态化将促进AR及MR等新技术的使用和发展。

　　目前，AR技术应用随着智能手机和平板电脑的广泛应用已逐渐普及，随着软硬件的进步及同物联网、大数据和人工智能等技术相结合，AR可穿戴设备在石油和天然气工业中将易于发挥作用。AR及MR头戴设备具有解放双手的用户界面、远程指导、减少差旅、智能检索、数据可视化、数字化工作流等功能，对油气管道的设计、施工、运营都会产生积极影响，也对提高生产效率、增强工作场所安全、降低成本至关重要。

　　参考文献

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　　作者：程浩力，刘中民,2蔡峰峰张连来马晓天孙学艺胡京民王鹏

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