云帆VR数字孪生研发中心：石油和天然气设施资产的动态网络三维可视化

时间：2023/1/4

在石油和天然气工业中，高效的信息管理对于提供所有的数据流是至关重要的，这也是支持商业和设施安全运行所需的。作为虚拟现实行业第一批创业者，云帆VR数字孪生研发中心的专家们从不同角度分析三维技术特点以及其对于石油天然气领域发挥的作用和未来的发展走向。创建数字设施资产数据集的成本增加，如果在交付过程的后期进行，因为检索缺失的信息变得越来越困难和昂贵。有必要在整个项目的生命周期中开发管理这些数据集的方法和工具。这包括从不同的应用程序中获取异质数据，在项目的各个阶段对其进行整合、共享和使用。本文是一个大型工业研究项目的一部分，旨在创建一个高效的工程信息集成框架。这个框架将创建一个单一的、可访问的和可信赖的数据源，将运行中的设备数据和它的三维表示结合起来。作者之前发表的论文已经介绍了整体框架和拟议的技术，以提供运营资产数据。本文的重点是将这些数据与三维模型元素联系起来，从设计应用程序中获取，并向客户的网络浏览器提供可配置和动态的三维场景。性能基准显示了基于WebGL的Web3D原型在项目环境中的可用性。

关键字：数字设施资产、工程信息集成、Web3D、WebGL

简介

石油和天然气行业的信息管理包括创建数据集和实现数据流，这对支持业务流程至关重要（Hawtin和Le core，2011）。随着项目的进展，创建或替换数据集中缺失的信息的成本会增加。一旦承包商将设施和相关信息移交给运营和业主团队，检索或重新创建缺失的信息变得非常困难和昂贵（Rasys等人，2014 ）。石油和天然气设施中的设备是一个非常复杂和相互联系的资产的一部分。除了这个挑战之外，这个行业的项目还受到信息碎片化的影响。数据是由多种应用、利益相关者和不同的项目阶段产生的。由于涉及的学科和使用的应用程序范围很广，数据模型往往缺乏结构良好和标准化的信息表示（Wiesner等，201 1；Bayer和Marquardt，2004）。在一个信息整合框架中整合数据，包括3D模型表示，可以帮助减少这种复杂性。然而，该领域的设备数据有大量的操作属性。设计应用中的三维模型并不适合存储来自不同学科的如此大量的属性。项目数据仓库被用来收集和存储设备数据；而三维模型只包括设备标识符，参考其他系统中的模型数据。信息的可及性和获取信息的速度是信息整合框架的重要因素（Rasys 等人，2014）。由于石油和天然气行业的项目承包商经常与业主和分包商分享信息和责任，所以信息需要提供给多个项目利益相关者（Schramm 等人，2010）。项目合作者往往在地理上分散或位于偏远地区（Reece等人，2008）。工程网络门户被认为提供了对共享项目信息的单一即时访问，使合作得到改善（Samdani和Till，2007）。为了提供一个可信的工程信息的单一来源，包括三维数据，这些网络门户需要一个整合框架，以帮助克服与该部门的业务流程相关的关键挑战。

• 数据制图。在绿地项目中˗，即新的石油和天然气资产开发（Bell，2012），包括填充新的IT系统（ Hopkins和Jenkins，2008）-- 整个数据集的各个部分在项目的不同阶段提供。在这类项目中，项目进度往往有很大的压力，设计任务也是同时进行的（Wiesner等人，2011）。因此，三维模型是

很少从一开始就有，而且项目合作者的工作是基于初步的数据，这些数据在项目过程中可能会有很大的变化。在棕地项目中˗，即现有的、成熟的石油和天然气资产，遗留的IT基础设施˗数据存在于各种异质系统中，这些系统由不同的公司填充。从这些系统中收集和汇总数据以组成一个单一的信息源是具有挑战性的，因为数据值、命名方案和计量单位的冲突是常见的，需要解决。

• 三维内容提取。内容创建应用程序不适合作为信息集成解决方案的基础，因为它们通常是具有封闭数据模型的专有应用程序。系统开发者不能完全控制数据模型，这些模型可能会随着每个新版本的发布而发生变化。因此，需要将三维内容提取为一种应用中立的格式，以使集成链中的其他应用能够连续地重复使用数据。一个开放的文件格式，如建筑业采用的工业基础类（IFC）标准（Dibley 等人，2011；Schevers等人，2007），在石油和天然气领域并不存在。

• 3D内容的渲染。Web3D（网络3D）技术还没有完全成熟，门户网站的图形能力有限。另外，移动设备的网络能力有限，其硬件资源（内存、处理器和3D支持，）也相对较少。台式电脑可以很强大，可以有合适的网络连接，以提供良好的网络体验。 WebGL（Parisi，2012），允许在网络浏览器中进行3D可视化，而不需要插件，正在成为新的Web 3D标准。由于WebGL是在低级别的OpenGL功能上的封装API（应用编程接口），从设计应用程序中提取的3D内容不能仅仅通过WebGL直接呈现在页面上。因此，为了在网络上显示3D内容，需要额外的库来弥补内容生成和网络应用之间的差距。另外，在考虑网络应用时，必须考虑到三维模型的数据大小，因为它可能会阻碍应用的速度，从而影响行业从业者对其的接受程度。虽然各种研究项目都试图解决上述挑战的具体方面，但仍然缺乏一个整体的解决方案。在本文的其余部分，我们将介绍相关研究的结果，并提出一个Web3D交付框架和工具，作为我们整体信息整合框架的一部分。

文献回顾

整合方法

在流程工业中，已经有几个研究项目在解决信息整合的挑战。Brandt等人（2008）提出了一个使用知识整合的基于本体的流程数据仓库系统。该系统基于KAON服务器（Oberle等人，2004年），并由OntoCA PE本体（Braunschweig等人，2004年）扩展，以模拟实体之间的关系，并通过查询的语义解释实现决策支持。作者选择了可扩展性，而不是基于描述逻辑的语言中的描述能力（Baader和Nutt，2003）。然而，作者承认，该系统对于大型数据集来说并不高效，因为它需要将整个信息加载到内存中。 Wiesner等人（2011）进一步扩展了OntoCAPE本体的使用，创建了一个用于信息和知识整合的综合信息库系统。他们用一个原型证明了该框架适合处理工业信息，并能通过混合本体模型提供建模能力。然而，他们的系统存在着与早期版本类似的效率缺陷。基准中描述的一个中等规模的数据集（521项）处理四个集成查询需要8个小时。只有当机器升级到64个CPU（中央处理器）和128GB的RAM（随机存取存储器）时，四个查询才需要两分钟。这样的方法对于超过50000条的数据源来说是不实际的，而这往往是石油和天然气项目中的常态。

Kim等人（2011）提出了一个基于ISO

15926的数据存储库（façade），用于存储整个核电站生命周期的设备数据。该框架原型还包括使用语义网络技术和网络服务，以便其他应用程序可以与项目数据库互动。作者建议，在项目开始时，数据大小在千兆字节范围内开始，在项目结束时增加到兆字节范围。在这种情况下，选择MySQL作为数据库引擎是值得怀疑的，因为该项目并没有显示整个系统在这种数据集上的表现。总的来说，所有建议的系统都没有整合和可视化石油和天然气设施的三维数据的模块。

网络三维交付和建筑信息模型（BIM）。

三维数据正在成为建筑、工程和施工行业中常见的BIM数据集。近年来，三维数据的整合和交付已经引起了人们的极大关注。Chuang等人（2011）认识到，现有的专有BIM系统（如Autodesk Revit、Bentley Architecture、Tekla Structures等）都是基于独立的框架，信息很难从不同的站点获取。为了克服这一挑战，他们提出了一种软件即服务（SaaS）的方法，使用基于服务器的云端定制集成。该解决方案纳入了RealityServer-- 一种网络服务，整合了NVIDIA Tesla GPU（图形处理单元）和3D网络服务软件（migenius，2013）。RealityServer被设计用来向没有能力渲染这种图像的设备提供逼真的3D图像。该项目选择了一种基于浏览器插件的技术-- 微软Silverlight（微软，2014b），它可以开发富互联网应用（RIA）。然而，这限制了解决方案的兼容性，因为它需要一个桌面操作系统（OS）和一个支持版本的网络浏览器（微软，2014a）。 Hagedorn和Döllner(2007)提出了一个在虚拟城市三维模型(CityGML)中整合BIM模型的框架。这个框架假定BIM和三维地理数据以网络服务的形式提供。IFC被作为BIM数据的源格式，BIM和CityGML数据之间的映射被添加到CityGML模型的扩展中。可视化的实现是基于LandXplorer技术-- 该软件系统能够展示、探索和分析地理虚拟三维环境（Autodesk, 2009）。复杂的三维渲染也是在服务器端完成的，然后将最终结果以图像的形式传输到客户端。虽然这种方法能够对场地进行逼真的渲染，但它限制了互动性，因为用户无法操纵场景。 Beetz等人（2010）在他们的BIMserver系统中提出了一种不同的方法。这个基于IFC的框架使用EXPRES S解析器（Lubel, 2001）在一个基于Java的解决方案中产生内存数据模型。数据以键值存储为基础，解决方案包括一个基于O3D的可视化原型--用于在浏览器中建立交互式3D应用的JavaScript API（Google，2010）。随后，BIMSurfer项目（BIM网络，2011）增加了一个基于WebGL的可视化客户端。由于缺乏文档和对BIMserver的依赖性，使得BIMSurfer的可视化组件很难在非基于BIMserver的定制项目中得到重用。

总而言之，加工行业的研究项目似乎忽略了对支持Web3D的门户的需求。BIM解决方案似乎认识到了这一差距，但现有的原型要么没有解决石油和天然气行业的具体要求，要么没有足够的通用性，无法在这种情况下重复使用。

整合框架概述

使用一个中央信息数据库，通过加载纯文本（制表符）格式的文件来填充该数据库（图1）。如果没有可扩展的格式（如XML或JSON），就很难实现系统的自动整合，但由于所涉及的应用程序（设计/审查软件、微软办公工具、ERP系统）的异质性，这并不是一个要求。这种方法允许终端用户使用常见的数据处理软件--如Microsoft Excel、Talend Open Studio（talend，2014）等，从文本文件中提取和转换数据。它也使得利用来自系统的数据成为可能，这些系统并不总是在线，或者由于安全原因只提供对数据快照的访问。

该系统利用了一个简化的本体，称为类库。类库定义了设备的属性要求，这些要求在项目中会发生变化。它还为各种数据源（如基于文本的数据表、三维模型提取物等）定义了一套映射，用于解决命名冲突，并将数据映射到数据库中具有扩展属性集的独特实体中。由于JavaScript是现代网络浏览器中使用的一种事实上的编程语言，该框架已经在基于JavaScript的Node.j s服务器引擎上实现（Joyent，2014）。这样的实现简化了系统的开发，因为数据模型只需要用一种编程语言（JavaScript）的结构来表达。该系统通过网络门户和REST（Representational State Transfer）API提供数据。网络界面允许在各种设备上方便、即时地访问信息，而不需要安装任何额外的软件。网络应用也可以集成到公司的网络门户中。REST API接口为桌面应用程序（如NavisWorks）中的插件提供数据，然后可以在桌面应用程序中为选定的几何形状检索额外的项目信息。默认情况下，建议使用基于云的解决方案，因为这提供了最佳的可用性和可扩展性选项，但它也可以部署在公司内部网络中。这样一个系统需要一个高效的存储引擎。本项目选择了一个半结构化数据库系统（Rasys和Dawood，20 12）。它在性能和功能之间提供了一个平衡，提供了足够的可靠性，并有可能为大型部署进行扩展。该数据库能够直接存储和查询JSON对象；因此，在基于JavaScript的框架中，对数据的操作变得更加容易

场景提取和分割

在原型映射实现中（图2），模型从Autodesk NavisWorks导出到一个基于文本的FBX文件。三维场景被三角化-- 参数化的形状定义被转换为多边形网格。这增加了三维数据集的大小，降低了表现的准确性，但在向客户端渲染引擎提供数据时，大大简化了处理逻辑。FBX文件由一个Python脚本处理，该脚本使用FBX SDK的Python绑定对场景对象进行三角处理（Autodesk，2014）。

一件设备通常被建模为一组简单的几何形状。因此，这些形状

图2：三维模型元素的映射、聚合和整合

需要通过模型中存在的标识符数据将设备形状集进行分组。树形节点结构被用来组织整体场景，通常没有节点或形状包含实际的设备标识符。识别数据取决于所使用的设计应用程序、项目命名、建模惯例等，如图3和4所示。由于数据通常是由不同的承包商生产的，所以通常不可能产生可靠的三维模型设备与其他利益相关者提供的设备数据的映射。因此，映射通常是一个劳动密集型过程，需要工程师的投入。在第一个例子（图3）中，一条管道由场景树中的多个形状建模，其中没有一个与数据库中的实际管道标识符（4"-VA-032-348-CB03- NI）匹配。在第二个例子中（图4），这些形状在场景树中没有按设备分组；每个形状都有设备识别数据，这也与数据库中的设备识别码不一致（KHA-T440003）。由于建模实践中的这种不一致，映射程序不能完全自动化，必须为每个项目进行专门配置。

图3：节点树中带有标识符部分的模型图4：附加属性中带有标识符部分的模型

在ETL（提取、转换和加载）导入过程中，形状被分组为集合，代表同一设备项目。这是根据节点树中的信息来完成的（图 3）。由于FBX文件格式不包含额外的形状属性，在图4中可以看到，目前这种类型的建模实践是不可能整合的。形状被分组到父节点后，它们的名称被处理--字符串/VA-032248-06-B1被转换为VA-032- 248，然后对数据库中的设备标识符执行部分匹配查询。由于找到了匹配项（4"-VA-032-348-CB03- NI），设备的几何形状就与这个特定的数据库实体相关。石油和天然气设施的完整数据模型通常是一个庞大而复杂的三维物体，最好在大分辨率的屏幕上观看。同时，三角化的三维场景所占的空间要比原始的三维场景大得多。

模型；因此，向网络吞吐量较慢的移动设备交付可能是一个挑战。为了改善用户体验，我们提出了一个动态的场景交付，而不是简化场景。用户通常感兴趣的是看到某个特定区域的可视化，例如工厂的某个位置，某个工作包或变更单中的设备，具有某个属性值的项目等。而不是加载整个模型然后隐藏不必要的元素，该框架只获取与特定查询相关的数据。这样的场景交付也允许对某些项目数据应用访问控制规则，包括三维表示。

使用Web3D进行动态场景渲染

Web3D对象的可视化实现是基于WebGL技术的。由于WebGL是一个封装API，代表OpenGL的功能，一个JavaScript场景图库three.js（three.js，2014）被用来简化3D内容的显示。它抽象了所需的更复杂的数学计算（如投影的矩阵乘法、照明和可见度计算等）。该库能够动态地构建一个场景或向一个场景添加对象。当纳入一个网络门户时，该方法允许基于可配置的视图进行动态的场景构成。该系统只检索那些在浏览器中选择的可视化项目所需的三维形状，并在一个自定义场景中渲染它们（图5和图6）。据观察，由于需要从服务器下载的数据的大小，对于较大的场景，HTTP请求可能会超时。为了克服这个问题，一个基于WebSocket协议（Fette和Melnikov，2011）的3D流媒体原型已经被实施。WebSocket 协议是为客户端和服务器应用程序之间的有效双向通信而设计的。目前最流行的浏览器版本（即Chrom e、Firefox和Internet Explorer）都支持这项技术。socket.io库（OpenSource，2014）被用来抽象协议的复杂性；它还提供了与旧版浏览器的兼容性，软件会自动退回到使用 XMLHttpRequest（W3C，2014）。

图5：对单一复杂管道的可视化图6：可视化所有项目，其中有一个VOLTAGE（电压）。 LEVEL = 24V

3D场景的交付速度是网络延迟（请求和响应之间的延迟）、网络吞吐量（数据传输速度）、网络服务器和数据库性能、浏览器性能、形状几何的复杂性和准确性（这影响到用户必须下载的数据大小）、同时使用的用户数量等的函数。此外，由于实现了基于套接字的流媒体，使用现有的测试工具，如Apache JMeter（Apache软件基金会，2013年）来自动进行系统基准测试是有问题的。因此，指标是在网络浏览器（Google Chrome v35）中收集的，测量系统渲染场景的时间-- 从提交初始请求开始，到收到最后一个套接字消息为止（图7）。由于在预定速度的多个网络中进行测试是不切实际的，而且结果也不具有可比性，因此测试是在一个具有约90Mbit吞吐量的单一快速网络中进行的，以便为意外情况留出充足的空间。

网络活动。为了模拟较慢的网络，我们使用了一个带宽限制软件NetBalancer，它具有不同的速度设置，这代表了现实世界的情况。

图7：测试3D流媒体服务速度的方案

数据库/网络服务器基于爱尔兰的亚马逊AWS云基础设施，该基础设施也有充足的备用带宽可用，测得的到爱尔兰的往返网络延迟（ping）为25ms。所有的测试都已经执行了五次，最高和最低的数值被丢弃，然后从剩下的三个数值中计算出平均结果。性能测试结果显示在图8中。

图 8: 取决于不同网络速度的加载时间

结果分析

结果分析显示，整个系统的延迟平均为0.26秒左右-- 这是在最小的数据量（3.3KB）和非常简单的几何形状（立方体）下，整个请求-数据检索-响应渲染周期的时间。底部的两条线代表非常小的场景，表明不同的场景大小存在不同的基线。在这些基线之外增加网络速度并不会导致更快的场景交付。对于较大的场景尺寸，以及当场景加载时间高于基线时，图表显示加载时间和网络速度之间有近似的线性关系。对于较慢的速度，网络吞吐量增加50%也会使加载时间减少50%。对于更快的速度，这种依赖关系不是线性的，因为其他因素（服务器的速度、浏览器加载大场景的能力等）也变得明显。文献对网络应用的可接受的加载时间有不同意见。一些数据显示，延迟到10秒对于用户来说是可以接受的，以保持他们的注意力和兴趣（Nielsen, 2014），只要有一个加载指标，显示系统何时完成任务。其他研究者得出了不同的结论，尽管似乎很多人都观察到了两到四秒之间的行为变化（Nah，2004）。在测试的配置中，一个有4MB数据的中等场景（132个设备项目）可以在512KB/s（4Mbit）的互联网连接上使用，而推荐的网络带宽至少为2MB/s（1 6Mbit）。由于加载时间在很大程度上取决于场景的大小，很明显，在办公室内的电脑上访问的网络应用程序可以在可接受的时间范围内提供更大的场景，而在只有移动宽带可用的笔记本电脑上。完整的石油和天然气设施网状模型的大小至少是数千兆字节。原型系统在4MB的场景下达到了推荐延迟的极限，因此没有尝试更大场景的基准测试。

讨论和结论

集成框架的后端已被证明能够操作大量的数据（数百万条）（Rasys和Dawood，2012）。由于客户端的视图是基于网络技术的，它提供了在多种设备上对项目数据的即时访问，尽管网站的可用性在小屏幕的设备上受到限制。这一点可以通过设计一个单独的、移动版本的网站或为移动设备编写特定的应用程序来改善。

由于浏览器内部的JavaScript引擎抽象了客户端机器的硬件资源，客户端JavaScript代码的性能不可能达到高度优化的、用低级语言（如C）编写的特定平台软件的性能水平。然而，JavaScript引擎的性能正在不断提高，有几个项目正在解决JavaScript编译器的优化问题（Resig，2013）。 3D内容的数据大小问题也很明显，因为该系统能够在合理的时间内提供一定数量的项目流。在快速以太网网络（100Mbit/s）上传输一千兆字节的数据需要超过一分钟。为了传输大型油气设施模型场景和可能的完整模型，必须首先解决数据集的大小问题。一个潜在的解决方案是研究参数化的形状可视化，它被认为比多边形网格数据集更紧凑。这将减少显示三维物体所需的数据量，从而增加可能的场景尺寸。另一个潜在的解决方案是数据压缩和网格简化。有很多项目都在解决这个问题（例如Li等人，2007）。虽然这可能会降低视觉表现的保真度，但可能有必要在用户期望和系统可用性之间取得平衡。场景中可能的对象数量相对较少（多达数百个项目），这阻碍了该系统在一些更复杂的场景中的使用（如冲突检测、完整的设施可视化和模拟等）。然而，所提出的框架和工具被认为足够用于可视化一组有限的设备或一小部分物体的装配。由于生成视图的动态性质，该系统可以对存储在数据库中的任何属性进行组合视图。这样的功能对数据管理员和维护工程师来说很有价值。该系统为数据管理员在定制的数据视图中增加了一个三维表示。维护工程师可以在执行工单之前和期间，将设备及其属性可视化。

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