魏可萌,游杰,賀定長(zhǎng),粟鵬,馮思思

(中國(guó)石油西南油氣田公司 川中油氣礦,四川 遂寧 629000)

近年來(lái),以智能制造為主導(dǎo)的“第四次工業(yè)革命”浪潮涌現(xiàn),石油行業(yè)已普遍認(rèn)識(shí)到數(shù)字技術(shù)對(duì)行業(yè)發(fā)展的巨大推動(dòng)作用,相繼啟動(dòng)了油氣業(yè)務(wù)數(shù)字化工作,新一代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)已成為引領(lǐng)創(chuàng)新、驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)型的主導(dǎo)力量。隨著中國(guó)油氣行業(yè)增儲(chǔ)上產(chǎn)與“油公司”模式推進(jìn),一線人員大幅收縮到中心井站,現(xiàn)場(chǎng)操作人員減少,但工作負(fù)荷卻增大,并且員工工作存在過(guò)度依賴經(jīng)驗(yàn)、問(wèn)題處置效率不高等問(wèn)題,制約了油氣田高效管理,迫切需要利用新技術(shù)新工具轉(zhuǎn)變一線員工工作方式。通過(guò)機(jī)器協(xié)助工人或替代工人勞動(dòng),優(yōu)化勞動(dòng)組織模式,實(shí)現(xiàn)經(jīng)營(yíng)高效益和資源利用最大化。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)是一種實(shí)時(shí)計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像,將“真實(shí)世界”信息和“虛擬世界”信息“無(wú)縫”集成的新技術(shù),這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把“虛擬世界”嵌入“現(xiàn)實(shí)世界”并進(jìn)行互動(dòng)。在政府、企業(yè)深入推進(jìn)兩化融合、大力發(fā)展科技創(chuàng)新,國(guó)內(nèi)石油天然氣化工行業(yè)“油公司”模式改革的背景下,將AR技術(shù)應(yīng)用于油氣場(chǎng)站,是油氣行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要探索方向。

1 應(yīng)用環(huán)境分析

1.1 行業(yè)外形勢(shì)分析

“第四次工業(yè)革命”以智能工廠、智能生產(chǎn)、智能物流為主題,隨著機(jī)器和工廠的互聯(lián)性越來(lái)越強(qiáng),可視化的能力也會(huì)越來(lái)越關(guān)鍵,而通過(guò)AR技術(shù),工人們不光能獲取大量的圖像數(shù)據(jù),還能與之互動(dòng),經(jīng)由數(shù)字界面實(shí)時(shí)控制真實(shí)的機(jī)器。因此,AR技術(shù)在電網(wǎng)巡檢、城市運(yùn)維、公安調(diào)度等領(lǐng)域取得了良好的試點(diǎn)成效。隨著全球能源轉(zhuǎn)型步伐的持續(xù)加快,國(guó)際油氣行業(yè)正在進(jìn)入重要轉(zhuǎn)折關(guān)口,面臨著技術(shù)主導(dǎo)未來(lái)的歷史性選擇,迫切需要將AR技術(shù)應(yīng)用于油氣場(chǎng)站,打造“技術(shù)主導(dǎo)”的競(jìng)爭(zhēng)新優(yōu)勢(shì)。

1.2 行業(yè)內(nèi)形勢(shì)分析

1.2.1人員數(shù)量不足

隨著國(guó)內(nèi)石油天然氣行業(yè)“油公司”模式改革,新建場(chǎng)站逐年增多,生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大,人員配置相對(duì)減少,加上每年退休的人數(shù)大于新進(jìn)人數(shù),每個(gè)員工的工作內(nèi)容不斷增多,勞動(dòng)強(qiáng)度不斷加大,生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系的矛盾逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。AR技術(shù)可以提供可視化輔助判斷,用機(jī)器輔助員工工作,平衡員工數(shù)量不足帶來(lái)的勞動(dòng)強(qiáng)度增大。

1.2.2員工能力不同

有人值守井站管理模式下,每個(gè)井站員工涉及的操作項(xiàng)目和工作方式較為單一,對(duì)各類(lèi)型井站操作的學(xué)習(xí)與掌握程度不同。在新管理模式下,每個(gè)員工管理更多類(lèi)型與數(shù)量的井站,信息化背景下大量新工藝、新技術(shù)在井站投入使用,對(duì)員工能力提出了更高的要求。AR技術(shù)可以提供可視化操作指導(dǎo),輔助指導(dǎo)員工開(kāi)展檢查維修等工作,平衡員工能力不同帶來(lái)的差別化任務(wù)執(zhí)行。

1.2.3問(wèn)題處置成本高

與常見(jiàn)的集中式工廠作業(yè)以及其他礦產(chǎn)采掘行業(yè)不同的是,油氣開(kāi)采的作業(yè)場(chǎng)所主要在野外,井站星羅棋布,管道線狀延伸、互聯(lián)成網(wǎng),管理人員趕往現(xiàn)場(chǎng)需要較長(zhǎng)時(shí)間,現(xiàn)場(chǎng)處置問(wèn)題不僅成本消耗大且處置時(shí)間長(zhǎng)。自2020年以來(lái)因突發(fā)疫情的影響,石油天然氣公司已開(kāi)始認(rèn)識(shí)到AR技術(shù)在遠(yuǎn)程檢查維護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程員工培訓(xùn)和遠(yuǎn)程協(xié)助中的優(yōu)勢(shì)。

2 AR技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

本文以中國(guó)石油西南油氣田某井站為研究對(duì)象,在井站巡檢、操作維護(hù)、遠(yuǎn)程協(xié)作等工作場(chǎng)景中,利用AR頭戴顯示式設(shè)備協(xié)助工人或替代工人。AR技術(shù)應(yīng)用包括環(huán)境理解、顯示渲染、交互理解等關(guān)鍵技術(shù),通過(guò)圖像、圖形、傳感器分析和應(yīng)用程序的交互作用,促使AR技術(shù)與實(shí)際操作相結(jié)合,推進(jìn)信息技術(shù)與生產(chǎn)運(yùn)行管理的深度融合,推動(dòng)油氣田生產(chǎn)組織和管理模式轉(zhuǎn)型升級(jí)。典型AR成像流程如圖1所示。

圖1 典型AR成像流程示意

2.1 基于AR技術(shù)的環(huán)境理解

環(huán)境理解是為了讓AR頭戴顯示式設(shè)備認(rèn)識(shí)油氣場(chǎng)站及設(shè)備,主要依靠跟蹤注冊(cè)技術(shù),該技術(shù)通過(guò)相應(yīng)算法快速地計(jì)算虛擬空間與現(xiàn)實(shí)空間坐標(biāo)系的映射關(guān)系,使其精準(zhǔn)對(duì)齊,從而實(shí)現(xiàn)虛擬信息在真實(shí)世界的完美疊加。該技術(shù)用于物體識(shí)別和定位,識(shí)別用來(lái)觸發(fā)AR響應(yīng),而定位則是知道在什么地方疊加AR內(nèi)容。當(dāng)對(duì)井站進(jìn)行環(huán)境理解時(shí),主要識(shí)別井口截?cái)嚅y、壓力表、液位計(jì)等26個(gè)對(duì)象,針對(duì)每個(gè)對(duì)象采集了大量原始樣本數(shù)據(jù),合計(jì)視頻存儲(chǔ)量334 G,圖片5.8×104張,并根據(jù)識(shí)別結(jié)果疊加AR內(nèi)容。為了保證樣本數(shù)據(jù)識(shí)別準(zhǔn)確性,需要多方面采集樣本: 一是在同一光線環(huán)境中不同距離、不同角度下大量采集樣本;二是在不同天氣,不同光線下大量采集樣本,以保證模型的泛化能力。樣本研究數(shù)據(jù)采集情況見(jiàn)表1所列。

2.1.1環(huán)境樣本數(shù)據(jù)管理

樣本數(shù)據(jù)主要包括原始數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)標(biāo)注、數(shù)據(jù)增強(qiáng)等方面的工作,最終產(chǎn)出物為樣本訓(xùn)練集。樣本訓(xùn)練集的數(shù)量及質(zhì)量是確保人工智能模型最終應(yīng)用效果的前提。該研究針對(duì)表1中采集的樣本照片進(jìn)行管理,由于樣本原始數(shù)據(jù)較多,針對(duì)樣本數(shù)據(jù)管理各環(huán)節(jié)的工作內(nèi)容及技術(shù)要求,該研究結(jié)合信息技術(shù)手段完成了樣本數(shù)據(jù)管理工作流程及工具集的開(kāi)發(fā),通過(guò)鏡像翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、隨機(jī)縮放、增加噪聲、摳圖隨機(jī)融合等方法增強(qiáng)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了樣本數(shù)據(jù)的自動(dòng)化管理,單位時(shí)間內(nèi)樣本訓(xùn)練集的產(chǎn)出效率及質(zhì)量較手工準(zhǔn)備樣本數(shù)據(jù)提升較大。

2.1.2環(huán)境樣本模型訓(xùn)練

該研究選取了油氣作業(yè)場(chǎng)景下的3個(gè)典型的檢測(cè)目標(biāo): 液位計(jì)、壓力表、緩蝕劑閥門(mén)。在主流算法模型Faster RCN,SSD,YOLO中檢測(cè)上述目標(biāo)的性能表現(xiàn),如圖2所示?？梢钥吹?在模型精度方面,SSD模型檢測(cè)平均精度能達(dá)到95%,顯著高于Faster RCN模型和YOLO模型;在處理速度方面,YOLO模型的表現(xiàn)明顯優(yōu)于其他2個(gè)模型,但SSD模型也能達(dá)到在移動(dòng)端實(shí)時(shí)檢測(cè)的效果。綜合精度和處理速度的表現(xiàn),最終選定SSD算法用于樣本模型訓(xùn)練?；跇颖緮?shù)據(jù)管理工具,利用TensorFlow人工智能框架,通過(guò)開(kāi)展深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、模型訓(xùn)練迭代、模型調(diào)參,完成了該井站的26種樣本人工智能檢測(cè)模型的訓(xùn)練,實(shí)現(xiàn)AR頭戴顯示式設(shè)備快速準(zhǔn)確識(shí)別物體。

圖2 三種算法模型測(cè)試結(jié)果示意

2.2 基于AR技術(shù)的顯示

目前,AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合顯示的主要設(shè)備有頭戴顯示式、手持顯示式以及投影顯示式等?？紤]到石油天然氣操作人員需要用雙手進(jìn)行操作,該研究使用頭戴顯示式設(shè)備,疊加顯示現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

AR頭戴顯示式設(shè)備的光學(xué)顯示系統(tǒng)通常由微型顯示屏和光學(xué)元件組成,主要分為L(zhǎng)CoS+棱鏡、Micro OLED+自由曲面、LCoS/DLP+光波導(dǎo)、LBS+全息反射薄膜四類(lèi)光學(xué)顯示系統(tǒng)?？紤]到石油天然氣生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管線設(shè)備復(fù)雜,員工操作時(shí)需要看清現(xiàn)場(chǎng)路線,且不能對(duì)視野造成遮擋,同時(shí)因生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)為室外環(huán)境,需要在強(qiáng)光下看清圖像顯示,所以該研究選擇LCoS+棱鏡光學(xué)顯示的頭戴顯示式設(shè)備。

2.3 基于AR技術(shù)的交互理解

交互性是AR技術(shù)的關(guān)鍵要素之一,包括設(shè)備對(duì)人的感知,人和設(shè)備的交互等。AR技術(shù)涉及的交互方式包括: 追蹤定位、手勢(shì)交互、機(jī)器視覺(jué)、觸覺(jué)反饋、眼球追蹤、沉浸聲場(chǎng)以及虛擬移動(dòng)等技術(shù),考慮到現(xiàn)場(chǎng)操作的方便性,該研究采用語(yǔ)音、手勢(shì)交互方式,讓使用者在真實(shí)油氣場(chǎng)站中實(shí)現(xiàn)與虛擬信息的互動(dòng)。

3 基于AR技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 AR巡檢

場(chǎng)站巡檢是指按照工作質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),定期對(duì)場(chǎng)站大門(mén)及井場(chǎng)、井口區(qū)域、工藝流程區(qū)、信息設(shè)施、水電設(shè)施、房屋、儀表控制室及配電房等區(qū)域進(jìn)行巡視檢查,確保生產(chǎn)安全及受控。該研究以AR頭戴顯示式設(shè)備為載體,將場(chǎng)站巡檢內(nèi)容細(xì)化成“一站一案”,以工單的形式顯示每一步需要巡檢的內(nèi)容,識(shí)別工人巡檢過(guò)程中關(guān)鍵檢查項(xiàng),如出站氣動(dòng)閥、自控權(quán)限切換開(kāi)關(guān)、壓力表讀數(shù)等,自動(dòng)判斷目標(biāo)對(duì)象狀態(tài)是否正常,并將判斷結(jié)果展示出來(lái),構(gòu)建真實(shí)環(huán)境與虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的場(chǎng)景。巡檢執(zhí)行完成后,將過(guò)程數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái),支撐場(chǎng)站巡檢工作的可視化監(jiān)督、多維度評(píng)價(jià)和可量化考核。通過(guò)AR識(shí)別與判斷,有利于巡檢質(zhì)量與巡檢效率的提升。以儀表控制室及配電房區(qū)域?yàn)槔?AR巡檢內(nèi)容、識(shí)別對(duì)象及顯示見(jiàn)表2所列。

表2 儀表控制室及配電房區(qū)域AR巡檢內(nèi)容、識(shí)別對(duì)象及顯示

3.2 AR操作維護(hù)

場(chǎng)站操作維護(hù)是指員工根據(jù)規(guī)定的維護(hù)保養(yǎng)周期,遵循操作規(guī)程和操作卡,開(kāi)展場(chǎng)站設(shè)施設(shè)備的操作、維護(hù)保養(yǎng),確保場(chǎng)站流程設(shè)備整體無(wú)銹蝕,無(wú)防腐死角。該研究以AR頭戴顯示式設(shè)備為載體,選取壓力表更換操作、緩蝕劑加注工作,將操作維護(hù)內(nèi)容細(xì)化成“一站一案”,以工單的形式顯示每一步需要操作的內(nèi)容,并對(duì)關(guān)鍵操作步驟項(xiàng)進(jìn)行識(shí)別,如壓力表取源閥、加注流程回流閥等開(kāi)關(guān)操作,并將作業(yè)步驟以虛擬動(dòng)畫(huà)的方式重合疊加在作業(yè)對(duì)象上面,再指導(dǎo)員工進(jìn)行每步操作和確認(rèn)。操作維護(hù)執(zhí)行完成后,將過(guò)程數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái),支撐一線場(chǎng)站常規(guī)操作、維護(hù)保養(yǎng)等工作的可視化監(jiān)督、多維度評(píng)價(jià)和可量化考核。通過(guò)AR識(shí)別與指導(dǎo),有利于提高作業(yè)活動(dòng)的質(zhì)量與安全。AR操作維護(hù)示例見(jiàn)表3所列。

表3 AR操作維護(hù)示例

3.3 AR遠(yuǎn)程協(xié)作

在調(diào)度中心電腦、AR頭戴顯示式設(shè)備、手機(jī)建立三方視頻通話的協(xié)作環(huán)境,現(xiàn)場(chǎng)員工佩戴頭戴顯示式設(shè)備可以與后端調(diào)度指揮中心電腦、專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員手機(jī)進(jìn)行視頻通話,后端指導(dǎo)人員可實(shí)時(shí)看到現(xiàn)場(chǎng)員工看到的第一視角畫(huà)面。視頻協(xié)作過(guò)程中同時(shí)在操作畫(huà)面上進(jìn)行AR動(dòng)態(tài)標(biāo)注、文字和圖片分享,現(xiàn)場(chǎng)員工可以在頭戴顯示式設(shè)備上看到分享的資料,實(shí)時(shí)指導(dǎo)操作,轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的“單兵作戰(zhàn)”為遠(yuǎn)程可視化支持,提高了故障處置效率,簡(jiǎn)化工作流程節(jié)點(diǎn)。

3.4 AR進(jìn)出站管理

將人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于AR頭戴顯示式設(shè)備,建立內(nèi)、外部人員信息管理庫(kù),通過(guò)頭戴顯示設(shè)備自動(dòng)識(shí)別、快速驗(yàn)證井站來(lái)訪人員,并將來(lái)訪人員姓名、工作單位等信息通過(guò)AR頭戴顯示式設(shè)備可視化面板反饋給井站員工。當(dāng)發(fā)現(xiàn)證件信息與持證人員不一致時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示井站加強(qiáng)人工核查工作,防止人員信息造假,提高安全管理等級(jí);自動(dòng)記錄來(lái)訪人員姓名、工作單位、進(jìn)出站事由、人員數(shù)量等信息,準(zhǔn)確生成進(jìn)出站記錄,減少證件檢查、核對(duì)等環(huán)節(jié),縮短進(jìn)出站管理流程,提高進(jìn)出站管理效率。

3.5 AR監(jiān)督管理

選取磨溪008-17-X1井口出站至分離器段埋地管線建立埋地管線模型,并與地面管道進(jìn)行適配性擬合,實(shí)現(xiàn)佩戴AR頭戴顯示式設(shè)備后,以AR方式展示該井站出站至分離器段天然氣埋地管線的3D即視顯像與埋地管線重要信息、精準(zhǔn)定位埋地天然氣管線的分布,與地面管線無(wú)縫銜接顯示,并且可以隨著員工走動(dòng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)加載可視范圍內(nèi)的管網(wǎng)信息。以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的方式提供人與場(chǎng)站、隱蔽工程之間更加直觀的交互方式,為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督提供新方法,提高現(xiàn)場(chǎng)安全性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的環(huán)境樣本數(shù)據(jù)管理方法,對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)增強(qiáng)和自動(dòng)化標(biāo)注,達(dá)到生成海量、多樣式、多場(chǎng)景化數(shù)據(jù)的要求,提高人工智能模型的識(shí)別效果。在AR頭戴顯示式設(shè)備端使用SSD模型目標(biāo)檢測(cè)技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)站設(shè)備、儀表等智能化識(shí)別。將AR技術(shù)融合應(yīng)用于油氣場(chǎng)站,把人工智能作為一個(gè)工具,建立新型人機(jī)交互模式。AR頭戴顯示式設(shè)備具有解放雙手的用戶界面,可實(shí)現(xiàn)一線班組巡檢、維護(hù)保養(yǎng)、遠(yuǎn)程指導(dǎo)、進(jìn)出站管理、監(jiān)督管理等關(guān)鍵業(yè)務(wù)流程的全過(guò)程智能化輔助管理,實(shí)現(xiàn)以機(jī)器輔助甚至替代人工勞動(dòng),推動(dòng)生產(chǎn)管理由井站獨(dú)立管理向一體化協(xié)同運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變,支撐油氣田企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展。