摘 要： 从海洋工程设施数字化的特点和全生命周期数字化管理思路入手，深入解析了实现油田数字化的各个环节，详细阐述了实施海洋工程设施数字化的技术路线和应用途径，为此项技术深入开展和广泛应用奠定了基础。
关键词： 海洋工程；油田数字化；工程信息；在役设施；三维建模；关联查询
数字化油田的概念起源于数字地球，其实质就是通过信息技术构建一个三维的虚拟模型，其中加载大量的油田信息，将两者有机地统一在一个价值链中，建立起虚拟与现实之间的联系[1]。数字化油田在开发、建设、生产过程中，利用实时数据流结合高速计算机，建立快速反馈的动态模型系统，实现实时资料的并行处理，以提高油田开发效率和科学管理水平[2]。海洋工程设施数字化是海上油田数字化的基础，也是数字化系统的重要组成部分，在海上油田数字化过程中起着关键性的作用。
1 海洋工程设施数字化的特点
在海洋工程领域中，工程设施数字化是将海上油气田全部的工程项目信息、工程设计文件和工程设施设备资料等按照统一的规范和标准实施电子化，再将电子化资料与虚拟的三维模型进行有机的关联，形成一个利用虚拟现实来表征的可视化系统。
海洋工程设施数字化的目的是实现在海洋工程设施全生命周期管理，通过利用数字化技术实现油田设计建造、生产运营和维修改造等工作高效率的运行。在油气田工程信息资产完整性管理上，真正意义地实现了把工程信息这一无形财富转化为有形资产的重大转变，并且通过科学管理和合理利用实现了其长效的价值，最终形成油田数字化资产。
2 海洋工程设施全生命周期数字化管理思路
海洋工程设施全生命周期数字化管理是一个系统的、完善的动态管理过程，利用整体优化的统筹管理方式贯穿于工程设施设备的整个生命周期，以满足设备设施的可靠性（包括性能、安全、环保）、可操作性、可维护性，使其更好地履行生产任务并规避因其引起的健康安全环保风险，实现其与经济性的平衡、可持续发展。
海洋工程设施的全生命周期管理贯穿前期研究、工程建设、运营维护、弃置处理，整个过程如图1所示。
在前期研究阶段，制定并实施数字化管理的规范和标准，分析在ODP报告编制过程中与将来设备设施完整性密切相关的因素和环节，对关键设备设施选型、选材和采购提出关键技术指标要求，提高设计基础数据的准确性和代表性，完善开发方案，实现可靠性和经济性的平衡，为后期设备设施数字化管理打下基础。
在工程建设阶段，全过程采集工程数据信息，将与工程设施实体相关的数据信息都作为与实体资产同等重要的无形“信息资产”纳入管理，通过工程信息的采集、校验、审查、处理和转换，将工程各设计阶段的文字资料和图纸、合同采办、建造完工等资料进行数字化整理，再与创建的工程模型进行有机关联，完成工程数据信息的集成，并形成后期日常更新与维护管理体系，最终实现海洋工程设施数字化。
在运营维护、弃置处理阶段，集中管理和维护数据信息，对工程设施设备进行适应性评估，对比投产后的实际情况与设计条件的偏差并采取有针对性的预防措施控制由此带来的风险，维持工程设施设备的完整性，保证安全生产。对于改、扩建项目及设备设施操作条件的变更，充分利用工程设施数字化信息系统进行工程信息查询和模拟计算，严格执行变更管理程序，制定改造方案、科学评估风险、落实保障措施。此外，对油田进行弃置处理时，若是工程设施设备本身原因导致废弃，应对失效原因予以分析或研究，总结经验教训，避免同类问题重复出现。
3 海洋工程设施数字化技术实施内容
海洋工程设施数字化技术主要分为新建工程项目数字化和在役工程设施数字化两大类。
3.1 新建工程项目数字化技术
新建工程项目数字化是基于对工程设施全生命期的完整性管理，在新建工程项目启动、计划、实施、收尾过程中，将全部工程数据信息作为无形“信息资产”纳入全方位管理，项目完工时形成完整的数字化资产并按照数字化资产的移交方式进行交付。同时对于新建工程项目的管理类文档也作为组织过程资产，纳入数字化资产管理范围。新建工程项目数字化技术的实施伴随着工程项目总体进度同步开展进行，具体实施内容可分为以下3个步骤。
（1）前期准备
①在工程项目启动初期编制新建工程项目数字化实施管理程序，规范并指导整个工程项目建设期间的数字化工作。
②建立工程数据信息集成系统平台，作为工程信息储存、查询和应用的载体，用于整个工程项目的数字化管理。系统服务器性能要与实际用户数量相匹配，CPU主频至少为4 GHz、内存要求4 GB以上，操作系统建议使用：Windows Server 2003，数据库系统建议使用ORACLE10g，服务器需要有备份。
③组织项目组内的从业人员进行岗位职责和技能的专业培训，特别是针对IT工程师和文控工程师两个岗位，需要掌握系统安装、维护、管理、操作等技能，并且能够对工程文件、模型、数据进行完成性和规范性的审查。
④编制工程项目EPCI总包部分、设计承包商部分、平台建造和安装部分、设备供应商部分的数字化技术要求，明确规定承包商、供应商在项目各个工程阶段所应提交的工程图纸文件、数据和模型等资料的范围和格式，并且要求严格遵守移交流程完成工程信息的提交工作。
（2）工程实施
①在工程项目计划、实施过程中，同步进行工程信息的采集工作，对于过程文件、成果文件和完工文件进行线上采集（通过信息集成系统直接采集），对于提交的阶段性成果模型和完工模型（包括三维模型、智能P&ID 模型、结构计算模型）进行线下采集（在信息集成系统外进行采集）。
②为确保采集到的工程信息能够在数据集成系统中实现高效、快速、准确、完整的查询和应用，需要在工程信息采集完成后，信息上载前对工程信息进行校验。按照规范性、完整性、唯一性、一致性、正确性的原则对工程文件、工程模型和工程数据进行严格审查。针对大批量的工程文件，可利用专门的校验工具进行文件清单、设备清单校验以及文件存在性校验。
③对于通过校验和审查的工程信息，可以进行数据装载，将采集的工程信息上载到工程数据信息集成系统平台，执行信息装载流程，如图2所示。
④信息装载成功后，对于信息集成系统还需要进行日常运维和管理，实时更新数据信息。以工作流的形式实现新建工程项目文件线上提交、线上审查、最终成果入库的运行机制，确保在工程项目实施阶段，执行过程的可追溯和执行状态的可把控。
（3）完工移交
通过日常的规范化管理、标准化采集、处理和存储在信息集成系统平台中形成了大量的工程数据信息。在项目移交阶段，还需要对工程信息的规范性、完整性和关联关系提取进行最终审查，交付审查通过后，按照相关管理流程进行数字化资产的整体移交工作，不仅缩短了工程项目移交、生产准备时间，而且提高了油田运营的效能。
3.2 在役工程设施数字化技术
在役工程设施数字化与新建工程项目数字化在技术实施上有很大的不同。在役油田的工程建设初期，由于受到经济技术、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数据信息集成系统平台，工程建设完工移交时也没有形成完整的油田数字化资产，因此在役工程设施数字化技术涉及到对工程文件、工程模型两个方面的追溯和补充，并且数字化技术实施期间不能影响在役油田正常的开发、生产工作。
通过在役工程设施数字化技术可以提供与油田现状高度一致的设计文件（包括详细设计、完工设计、改造设计、合同采办、设备资料）、三维模型、结构SACS模型，实现设备所在系统位置的快速定位、实现工程设施设备和设计文件及工程模型之间的关联查询。在油气田生产运维期间，为油田扩建、工程设施改造、故障维修提供准确工程信息，提高工程效率、降低实施风险并减少经济损失。同时，对于海上油气田发生的安全应急事件，也可以利用三维可视化和共享信息平台，对突发事件进行快速、准确的分析，提高应急指挥能力。
在役工程设施数字化技术包含工程文件收集与整理、工程模型建立、工程文件与模型的关联、工程信息校验及上载、数字化成果移交几部分内容，技术实施路线如图3所示。
3.2.1工程文件收集与整理
在役油气田在起初工程建设完工移交生产时，会将详细设计和完工设计等文件一并交付，原始文件基本上都存放在档案馆中。对于此类文件收集过程较为容易，只需严格按照档案馆借阅流程即可完成工程文件收集工作。除此之外，在油田运营期间，为了增加油气产量、更新设施设备，大多数在役油田都经历过多次的改造，而油田改造过程中的归档工作还不够完善，以至于部分资料甚至散落在承包商手中，文件收集工作比较被动。对于投产年限较短的油田，通过多方咨询和记录追溯还可以找到基本的工程文件，但对于部分接近服役年限的油田，因为运营时间太长，工程文件缺失严重，导致文件收集工作无法正常进行，只能通过下文介绍的逆向工程建模技术直接恢复工程信息。
对于工程文件的整理工作主要分为资料电子化、整卷拆分、规范命名和归类整理几个步骤。
（1）资料电子化
资料电子化就是严格按照既定流程和规范对收集到的资料进行电子扫描、图像处理、OCR识别和文字校对等工作，最大限度地利用其使用价值。资料电子化工作流程如图4所示。
（2）文件拆分及命名
在资料电子化过程中，为了提高扫描效率、保证工作质量，一般将整卷文件集中扫描成一个PDF文件，之后再利用切分工具参照签署页的内容进行划分，将整卷文件中的每一份单独文件提取出来，按照【文件编码】【空格】【版本号】的格式进行独立命名，并且确保每一个文件只对应一个文件编码。例如文件编码中的地理信息编码可参照【国别编码】－【行业编码】－【区域编码】－【油田编码】的格式进行编制；图纸文件编码可参照【设计阶段】－【设计图纸类型】－【单体区域编码】－【模块区域编码】－【专业编码】－【图号】－【次级序列号】的格式进行编制；设备编码可参照【单体或模块编码】－【机械设备编码】－【系统编码】－【序列号】的格式进行编制；管线编码可参照【公称直径】－【管线内介质缩写】－【系统编码】－【序列号】－【压力等级及材料等级编码】－【绝缘防护编码】的格式进行编制。
（3）归类整理
对于已完成拆分、命名工作的文件，需要对其进行归类整理，将单独文件存放到指定的层级结构中。例如对于设计文件将分6个层级进行存放，层级结构如图5所示。
文件存放完毕后，按照【专业】－【文件编码】－【文件名称】－【模块】－【最终版本】的格式汇总编制整个文件目录清单，以便于后期的查询和检索。
3.2.2 工程模型建立
在役工程设施三维模型的建立与新建工程项目三维模型的创建在技术实施路线上存在一些差异。前文所述新建工程项目数字化技术的实施伴随着工程项目总体进度同步开展进行，三维模型也是依据设计文件、设计图纸、P&ID图等设计资料逐步创建和完善起来的。对于这种主要依靠图纸文件等设计资料进行三维工程模型创建的过程称其为正向建模。
由于在役油田服役时间较长，期间因为管理或技术上的种种原因，海洋石油平台原始资料的保留不尽人意，很难在短时间内将油田设计、建造文件全部收集起来。此外，因为油田经历了多次改造，平台结构、工程设施布局和管线位置都与最初的设计条件产生了一些变化，原始资料已不能完全准确地反映当下油田的状况。因此，只能利用三维激光扫描仪对在役工程设施进行实景扫描复制，以扫描所得到的点云数据为基础，建立三维工程模型，进而恢复在役油田的历史工程信息和现在运行状况。三维激光扫描仪的工作原理是通过定义坐标原点并向外发射激光束，采集和处理反射数据形成具有一定分辨率的空间点，利用组成的点云图来表达目标物体表面的特征，如图6所示。对于这种无需工程图纸、依靠扫描所获得的点云数据建立三维工程模型的建模过程称其为逆向建模。
虽然逆向建模技术可以解决因原始资料不足带来的问题，也可以准确地反映平台工程设施的完整性。但是受到三维激光扫描仪自身以及海上场地的限制，对于平台导管架水下部分、上部组块受遮挡的位置和管线密集区域都无法获得准确的点云数据，并且逆向建模的周期太长，因此对于在役工程设施三维工程模型的建立通常采用正向建模与逆向建模相结合的技术方式[3]。
在正向建模过程中，为保证三维工程模型中元件选型和材料代码的一致性，必须先建立统一使用的三维图元库，其中定义储存在图元文件中图像的尺寸、图元文件的大小、调色板的数目、图元文件中记录数等内容。三维模型可运用AVEVA PDMS、PDS、AutoPLANT Piping等软件进行绘制，模型总体要求体现平台设施的完整性，与设计成果文件保持统一。模型的外观尽量和厂家资料保持相似性、尺寸要与厂家提供尺寸保持一致，如果需要则根据厂家图纸深度细化撬内设备。模型的颜色设置需按照规范要求对板材、结构梁柱、设备和管材介质等单元统一进行配色，如图7所示。
正向建模和三维激光扫描工作完成后，一个重要的环节就是将激光扫描获得的点云数据与正向模型进行比对，如图8所示。比对前需要统一空间坐标系，建立基准点和基准面。
图8所示正逆向模型比对结果是点云数据与正向模型空间位置、尺寸相符合，对于此情况可以直接保留正向模型作为三维工程模型。如果在正逆向模型比对时出现偏移的情况，如图9所示（正向模型相对于点云数据空间位置向左偏移），则需要根据点云数据的空间位置调整正向模型的位置，匹配成功后形成三维工程模型。如果正向模型与点云数据比对时发生较大差异，比如正向模型中有此设备但无点云数据，或者存在点云数据但正向模型中无此设备。对此则需要完全清除正向模型，根据获得点云数据和现场差异处照片进行逆向建模，并将逆向模型作为最终的三维工程模型。
3.2.3 工程信息校验及上载
为了确保工程信息满足工程设施数字化的要求，需要对其进行校验和审查。重点检查工程文件和工程位号的命名、编码和储存是否符合规则要求，确保工程文件和工程位号在同一工程项目中不重复、不冲突，具有唯一性。检查各个专业工程位号的基本信息（位号、名称、类别、模块代号、专业代号、系统代号等）是否正确，确保各专业工程位号与详设成果文件、完工文件等工程文件之间关联关系的准确性和完整性。检查通过工程位号能否关联到三维模型、智能P&ID图以及相对应的设计图纸，并验证图纸中是否存在设备位号的相关信息。检查三维工程模型中的设备位号命名、管线命名是否相关图纸保持一致，确证每个设备对应的工程位号与设计文件中的工程位号相一致。工程信息审查通过后，全部上载至工程数据信息集成系统，完成工程信息的集成工作。
3.2.4 数字化成果移交
工程信息数据成功装载后，需要对信息集成系统进行试运行测试，例如通过图纸编号或工程位号，测试是否能在系统中查询到对应的工程文件，并能够正常浏览；测试三维工程模型能否在系统中正常展示，能否查询到设施设备相应的关联属性。测试完成后形成完善的在役工程设施数字化资产，并交付生产作业方使用，实现海洋工程设施全生命周期的数字化管理。
4 海洋工程设施数字化技术实施应用
4.1 新建工程项目数字化技术的应用
2010年4月，番禺4-2/5-1调整开发项目正式启动，项目周期为两年半。为了提升项目执行效率、保证工程建设质量，在项目启动初期制定了明确的数字化管理措施，将工程信息采集和移交规范列入合同条款，要求各承包单位必须严格执行。与此同时，项目全过程使用工程数据信息集成系统平台，工程文件实现在线管理。
数字化技术的成功应用改变了传统的管理模式，使工程项目管理高效有序。信息集成系统的线上办公流程全面替代了原有的线下办公方式，项目群信息的传递使得日常工作更加合理和规范、工程文件快速流转使得线上审批快捷方便，例如设计类文件的审批周期由原来平均7天缩短为2天。
三维工程模型的智能化设计大幅度提升了平台建造效率。据统计两个平台的模型零部件达5万多个，对于建造过程中各专业之间互相碰撞的问题，在设计阶段即可利用工程模型予以解决。在实际建造中也可以利用工程模型调整各专业间的施工顺序，有效避免返工现象，仅仅用了两个多月的时间即完成了平台上部组块的结构建造。
载入工程信息，形成数字化资产。将所有设施设备（其中组块642台套、空调64台、风机70台）的设计资料信息、工程模型信息、厂家资料信息、设备技术参数信息、招投标/合同资料信息、建造安装信息、调试记录信息全部导入信息集成系统，并与MAXIMO等系统建立接口，实现了数字化资产的移交。该项目最终提前试生产约两个月，成为第一个实现全过程数字化管理的工程项目。
4.2 在役工程设施数字化技术的应用
绥中36-1-J平台是一座老旧平台，分为新区和老区两部分，新区是2009年实施的增加外挂井槽装置，工程设计资料较为齐全，老区为J平台的主体部分，建成于20世纪90年代中期，一直沿用至今，期间经历过多次改造。因服役期间较长且对于历史资料没有统一的归档要求和标准，平台资料缺失较多，现有资料已不能全面反映平台现状。为此，使用在役工程设施数字化技术对油田的历史工程信息和现阶段运行状况进行恢复。
在工程模型建立阶段，采用正向建模与逆向建模相结合的方法，先根据现有工程文件进行正向建模，再将三维激光扫描仪扫描获取的平台点云数据与正向模型进行比对，最后利用点云数据将变更改造后的情况在工程软件中逐一恢复出来。经统计，通过正逆向模型比对，现有绥中36-1-J平台老区实际增加了13个设备，增加了915 m管线和281个管件，涉及领域涵盖了工艺、安全/消防、机械、仪表、配管、结构、电气、通信、海管等专业，逆向模型的修正数量几乎占到三维工程模型总量的三分之一。对于新增的工程设施设备追溯并补充其属性信息，最终实现整个平台工程设施的数字化。
本文的主要内容来自于中国海油多年来数字化领域的探索。实践证明在海洋工程建设领域合理运用工程设施数字化技术能够明显减少海洋石油平台建造时间，降低后期运营维护成本，同时很好地解决了工程资料保管和有效利用问题，使其形成油田数字化资产、促进海上油气田开发建设的智能化和信息化。虽然目前海洋工程设施数字化程度还不够高，新建工程项目全过程的数字化管理还处于起步阶段，在役工程设施数字化实施路径还需要进一步的探索和补充，但随着数字化技术应用范围的不断扩大、应用程度的不断深入、应用体系的不断完善，将来必将发挥其更为显著的成效。
参考文献
[1] 吕琼莹.国内外数字化油田发展战略与技术途径[J].长春理工大学学报，2011（10）：233-234.
[2] 赵林.工程项目施工的数字化管理[J].中国水运：下半月，2013（3）：141-142.
[3] 罗建.三维激光扫描技术在海洋工程中的应用[J].中国造船，2011（A02）：367-376.