本文摘要：摘要：基于AR技術(shù)的可穿戴設(shè)備可以將計(jì)算機(jī)生成的圖像疊加到現(xiàn)實(shí)世界，用戶可以看到覆蓋有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的真實(shí)世界。近10年來(lái)，AR技術(shù)已從研究實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)到了廣泛的可商用技術(shù)，逐步應(yīng)用于醫(yī)療、制造、工業(yè)設(shè)計(jì)、娛樂(lè)、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)和軍事等方面。概述了AR技術(shù)可穿戴設(shè)
摘要：基于AR技術(shù)的可穿戴設(shè)備可以將計(jì)算機(jī)生成的圖像疊加到現(xiàn)實(shí)世界，用戶可以看到覆蓋有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的真實(shí)世界。近10年來(lái)，AR技術(shù)已從研究實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)到了廣泛的可商用技術(shù)，逐步應(yīng)用于醫(yī)療、制造、工業(yè)設(shè)計(jì)、娛樂(lè)、市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)和軍事等方面。概述了AR技術(shù)可穿戴設(shè)備在近年內(nèi)的里程碑發(fā)展應(yīng)用案例，回顧了近年內(nèi)在石油和天然氣行業(yè)中AR技術(shù)的一些成功應(yīng)用案例及影響。針對(duì)AR技術(shù)在油氣田地面工程設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用前景，從站場(chǎng)設(shè)計(jì)、線路設(shè)計(jì)及配合施工等方面進(jìn)行了探討。由于AR技術(shù)能夠提供實(shí)時(shí)信息，其在油氣田地面工程中從設(shè)計(jì)至運(yùn)維的全壽命周期中將具有不可忽視的應(yīng)用前景并將會(huì)在石油天然氣行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型道路中占有一席之地。
關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);油氣田地面工程;可穿戴設(shè)備;數(shù)字化轉(zhuǎn)型
前言1977年《星球大戰(zhàn)》系列電影正傳第一部《星球大戰(zhàn)：新希望》中，展示了一種非常超前的全息影像技術(shù)，它作為電腦特效出現(xiàn)，但是卻預(yù)測(cè)了未來(lái)。30年后，3R技術(shù)(虛擬現(xiàn)實(shí)：VirtualReality，VR;增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：AugmentedReality，AR;混合現(xiàn)實(shí)：MixReality，MR)使得《星球大戰(zhàn)》系列電影所展現(xiàn)出來(lái)的未來(lái)科技已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)實(shí)，并成了當(dāng)前科技界的熱點(diǎn)。VR技術(shù)為電腦模擬的虛擬世界，強(qiáng)調(diào)沉浸感，目前已成熟應(yīng)用于游戲及影視娛樂(lè);AR技術(shù)為將虛擬信息疊加至真實(shí)世界中，強(qiáng)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)感及交互性，已逐漸在商業(yè)和工業(yè)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(shù)作為AR技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，更強(qiáng)調(diào)在真實(shí)世界強(qiáng)化虛擬對(duì)象，虛擬物體和真實(shí)世界中的物體能夠相互遮擋并可相互自然地融合及實(shí)時(shí)互動(dòng)，具有真實(shí)空間感，目前正在發(fā)展完善。廣義來(lái)說(shuō)，AR技術(shù)比MR技術(shù)更寬泛，MR技術(shù)比AR技術(shù)更加嚴(yán)格，MR技術(shù)可視為AR技術(shù)的子集。虛擬圖像與現(xiàn)實(shí)世界無(wú)縫融合的AR技術(shù)以及建立在AR技術(shù)之上的MR技術(shù)已在醫(yī)學(xué)、娛樂(lè)、教育和工程等各方面逐步進(jìn)入實(shí)質(zhì)性應(yīng)用。隨著AR技術(shù)涉及的軟硬件領(lǐng)域的顯著改善，近五年來(lái)，逐漸走向成熟的AR技術(shù)在石油天然氣行業(yè)中的應(yīng)用案例也越來(lái)越多。
以云計(jì)算(CloudComputing)、移動(dòng)互聯(lián)(MobileConnectivity)、人工智能(ArtificialIntelligence，AI)、大數(shù)據(jù)(BigData)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IndustrialInternetofThings，IIoT)等為代表的第四次工業(yè)革命(TheFourthIndustrialRevolution，4IR)帶來(lái)的浪潮以及全球新冠疫情大流行和低油價(jià)帶來(lái)危機(jī)，數(shù)字化轉(zhuǎn)型對(duì)于石油公司來(lái)說(shuō)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(xiàng)目也開(kāi)始采用包括智慧管網(wǎng)、數(shù)字孿生等在內(nèi)的技術(shù)[1，AR技術(shù)與其他第四次工業(yè)革命的技術(shù)相互融合，已經(jīng)開(kāi)始作為很多石油公司數(shù)字化道路上采用的技術(shù)手段，在降低成本、提高運(yùn)營(yíng)效率和提高工作場(chǎng)所安全等方面發(fā)揮了重要作用。
為此，回顧了AR技術(shù)近年來(lái)商用發(fā)展及市場(chǎng)化成功的可穿戴設(shè)備在石油工業(yè)中的使用案例，探討了AR技術(shù)在油氣站場(chǎng)設(shè)計(jì)、線路設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)配合施工中的應(yīng)用前景，期望對(duì)行業(yè)內(nèi)有興趣研究及使用AR技術(shù)的設(shè)計(jì)人員提供參考。AR技術(shù)簡(jiǎn)介及商用發(fā)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(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、三維注冊(cè)等三個(gè)特征的系統(tǒng)。
第一個(gè)真正的計(jì)算機(jī)生成的AR體驗(yàn)可以追溯到計(jì)算機(jī)圖形學(xué)(CAD)之父和虛擬現(xiàn)實(shí)(VirtualReality，VR)之父SutherlandIE的成果，他于1963年在麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)了世界上第一個(gè)交互式圖形應(yīng)用，1968年他與BobSproull一起創(chuàng)建了第一個(gè)原型AR系統(tǒng)。SutherlandIE的理念隨后在NASA及美國(guó)空軍為代表的美國(guó)軍政部門(mén)及一些大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室中一直默默發(fā)展，電腦和工業(yè)領(lǐng)域在幾十年后才體會(huì)到其理念帶來(lái)的劃時(shí)代變革。以AzumaRT為代表的美國(guó)學(xué)者一直在跟蹤調(diào)查AR技術(shù)在理論和應(yīng)用方面的進(jìn)展，中國(guó)學(xué)者在21世紀(jì)初開(kāi)始大量跟蹤AR技術(shù)的發(fā)展。
1999年，Kato及BillinghurstM[1基于C/C++開(kāi)發(fā)了開(kāi)源AR軟件開(kāi)發(fā)工具包ARtoolKit，并在華盛頓大學(xué)HIT實(shí)驗(yàn)室發(fā)布，該工具使開(kāi)發(fā)人員無(wú)需構(gòu)建自己的跟蹤系統(tǒng)即可構(gòu)建AR應(yīng)用程序，很多程序員基于此項(xiàng)開(kāi)源代碼完成了AR程序及應(yīng)用的創(chuàng)建。AR顯示設(shè)備可以使得用戶同虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容進(jìn)行自然交互，而虛擬內(nèi)容則與周?chē)默F(xiàn)實(shí)世界融為一體，用戶則可以始終保持與現(xiàn)實(shí)世界的互動(dòng)。
21世紀(jì)初，AR技術(shù)在博物館及主題公園的虛擬展示及體育比賽轉(zhuǎn)播中開(kāi)始逐漸應(yīng)用，隨后應(yīng)用于游戲及電視直播領(lǐng)域。隨著基于Flash、智能手機(jī)及全球商業(yè)營(yíng)銷(xiāo)的發(fā)展，AR技術(shù)在21世紀(jì)第10個(gè)年頭得到了發(fā)展，2015年至2017年短短兩年間，從微軟、亞馬遜、蘋(píng)果、谷歌等老牌科技公司到AR初創(chuàng)公司，行業(yè)新品也如雨后春筍般出現(xiàn)。2015年月微軟公司發(fā)布了頭戴式顯示器MicrosoftHoloLens，2019年月又發(fā)布了升級(jí)版的HoloLens。
微軟的HoloLens采用MR技術(shù)將計(jì)算機(jī)圖像與現(xiàn)實(shí)視野相結(jié)合，以真實(shí)自然的方式實(shí)現(xiàn)全息圖的觸摸、抓握和移動(dòng)，目前已廣泛應(yīng)用于軍隊(duì)軍工、航空航天、醫(yī)學(xué)、汽車(chē)等領(lǐng)域，成為迄今為止最為成功及實(shí)用的AR頭戴顯示設(shè)備之一。2017年月AR初創(chuàng)公司RealWear推出了帶有AR功能的RealWearHMT工業(yè)可頭戴計(jì)算機(jī)，2018年月推出了可用于石油化工行業(yè)環(huán)境的RealWearHMT1Z1防爆型工業(yè)頭戴計(jì)算機(jī)，RealWea頭戴計(jì)算機(jī)一經(jīng)推出，就廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。
AR可穿戴設(shè)備在石油工業(yè)的探索應(yīng)用已持續(xù)近一年的低油價(jià)及全球新冠疫情大流行的局面使得石油公司不得不面對(duì)削減成本、遠(yuǎn)程辦公、遠(yuǎn)程協(xié)助、遠(yuǎn)程維護(hù)檢修等問(wèn)題，各大石油公司被迫將尚在嘗試中的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提前推到前臺(tái)，AR技術(shù)也越發(fā)得到石油公司的關(guān)注和應(yīng)用。石油公司已開(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)。目前，石油公司與微軟公司、谷歌公司等科技巨頭合作開(kāi)發(fā)專(zhuān)用的AR技術(shù)及穿戴設(shè)備，一些AR科技初創(chuàng)公司及游戲引擎開(kāi)發(fā)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(shù)在石油天然氣領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)逐步推廣。
英國(guó)石油巨頭BP公司很早就開(kāi)始嘗試可視化技術(shù)和AR技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，并大力發(fā)展數(shù)字孿生技術(shù)，開(kāi)展數(shù)字化轉(zhuǎn)型的努力。2017年，BP使用AR初創(chuàng)公司Fieldbit公司的FieldbitHero智能眼鏡，使用實(shí)時(shí)視頻使在控制室的專(zhuān)家可以看到現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員的所見(jiàn)，從而確保問(wèn)題的準(zhǔn)確診斷。然后，使用AR技術(shù)，F(xiàn)ieldbitHero智能眼鏡可使專(zhuān)家在技術(shù)人員從事設(shè)備修復(fù)工作時(shí)，將易于理解的視覺(jué)指令和來(lái)自控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)疊加到技術(shù)人員的視野中，通過(guò)AR技術(shù)的使用，BP公司發(fā)現(xiàn)提高了運(yùn)營(yíng)安全性和運(yùn)營(yíng)效率18。
FieldbitHero智能眼鏡在BP公司的應(yīng)用見(jiàn)圖。2018年雪佛龍公司與微軟公司合作，為其現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員配備了微軟Hololens頭顯來(lái)開(kāi)展日常維護(hù)及專(zhuān)家遠(yuǎn)程指導(dǎo)。借助HoloLens頭顯遠(yuǎn)程協(xié)助的優(yōu)勢(shì)，雪佛龍位于各地的專(zhuān)家可以為分布全球的工廠和項(xiàng)目提供遠(yuǎn)程指導(dǎo)，不同工廠及項(xiàng)目的員工也可以遠(yuǎn)程協(xié)作及協(xié)助，從而使得旅行成本及相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)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(yīng)用見(jiàn)圖。2018年月，霍尼韋爾公司發(fā)布了智能可穿戴設(shè)備SkillsInsight，該設(shè)備結(jié)合了RealWearHMT1Z1頭顯和霍尼韋爾的Movilizer平臺(tái)，支持危險(xiǎn)場(chǎng)所現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)運(yùn)營(yíng)。可響應(yīng)語(yǔ)音并具有作業(yè)程序可視化、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可視化、視頻捕捉及回放、語(yǔ)音控制及搜索、遠(yuǎn)程專(zhuān)家待命、地理定位及導(dǎo)航、資產(chǎn)可視化、緊急疏散及救助等功能20。
2019年殼牌公司為開(kāi)展數(shù)字化轉(zhuǎn)型，聯(lián)合霍尼韋爾公司在美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)等12個(gè)國(guó)家和地區(qū)的運(yùn)營(yíng)地點(diǎn)部署RealWearHMT1Z1頭顯并通過(guò)專(zhuān)家遠(yuǎn)程指導(dǎo)方式成功解決故障。2020年月，法國(guó)石油巨頭道達(dá)爾公司在美國(guó)得州拉波特的聚丙烯工廠中部署了RealWearHMT1Z1頭顯，其遠(yuǎn)程協(xié)助功能使得道達(dá)爾公司在專(zhuān)家差旅成本及新冠疫情防控上取得了明顯的效果。
AR技術(shù)在油氣地面工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
AR技術(shù)在景觀設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃及工程評(píng)價(jià)等領(lǐng)域的應(yīng)用已得到眾多學(xué)者的研究和探索，王靖濱等人基于VisualC/C++6.0開(kāi)發(fā)工具實(shí)現(xiàn)了一個(gè)AR景觀規(guī)劃系統(tǒng)，將設(shè)計(jì)對(duì)象和真實(shí)世界相融合并對(duì)設(shè)計(jì)人員提供了良好的幫助。管濤等人設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的虛擬小區(qū)規(guī)劃系統(tǒng)，證明了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在小區(qū)規(guī)劃應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。
申杰等人利用AR技術(shù)對(duì)大型建設(shè)項(xiàng)目可視化評(píng)價(jià)進(jìn)行了探討，結(jié)果表明采用AR技術(shù)提高了工作效率并帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。PhanVT等人基于AR技術(shù)和GoogleEarth創(chuàng)建了ARCdesk程序，方便建筑設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃。已在景觀設(shè)計(jì)及城市規(guī)劃中探索使用的AR技術(shù)，在油氣管道站場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中同樣有著光明的應(yīng)用前景。
雪佛龍公司在墨西哥灣的馬洛油田中，設(shè)計(jì)工程師將3D設(shè)計(jì)模型全息投影到會(huì)議室中，使得現(xiàn)場(chǎng)工程師和專(zhuān)家能夠準(zhǔn)確看到模型外觀，并在部件裝配前測(cè)試間距、評(píng)估安全性并核驗(yàn)其他設(shè)計(jì)問(wèn)題。油氣管道設(shè)計(jì)中廣泛使用的CAD、PDS、SP3D、PDMS等設(shè)計(jì)軟件完成的3D模型往往只停留在設(shè)計(jì)人員電腦中，在常規(guī)工程建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)最終都是以打印的2D平面圖紙作為結(jié)果，使用效果大打折扣。AR技術(shù)的使用可以將3D模型的全息影像投射到現(xiàn)實(shí)世界，將設(shè)計(jì)成果可視化，提升了工程師對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估和改進(jìn)的能力。
例如，設(shè)計(jì)人員可以結(jié)合AR開(kāi)發(fā)平臺(tái)編輯應(yīng)用程序，將設(shè)計(jì)模型及成果導(dǎo)入頭顯等AR設(shè)備，采用AR在現(xiàn)場(chǎng)完成等比例的站場(chǎng)3D模型投影后，設(shè)計(jì)和施工工程師可以置身其中，對(duì)模型按照實(shí)物狀態(tài)進(jìn)行審核，親身體驗(yàn)置于現(xiàn)場(chǎng)的模型，確定設(shè)計(jì)合理性，在施工之前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)處理;監(jiān)理工程師在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中及施工完成后，可以摒棄耗時(shí)的常規(guī)2D圖紙現(xiàn)場(chǎng)校核模式，采用AR技術(shù)將模型投射到實(shí)體上進(jìn)行對(duì)比，從而評(píng)估實(shí)物同3D設(shè)計(jì)模型的匹配度，提升質(zhì)檢的準(zhǔn)確性和效率。
運(yùn)營(yíng)工程師可以走進(jìn)投射到現(xiàn)場(chǎng)的虛擬工藝裝置區(qū)，體驗(yàn)設(shè)備及管道的人體工程學(xué)情況，在工程完成前對(duì)裝置區(qū)各功能進(jìn)行熟悉及模擬操作，不僅能提前將問(wèn)題在施工前及時(shí)反饋給設(shè)計(jì)改進(jìn)，還能有助于提高操作熟練程度和投產(chǎn)安全。AR技術(shù)的可視化功能使得各類(lèi)工程師在項(xiàng)目完成前就能達(dá)到身臨其境的狀態(tài)，在設(shè)計(jì)、模型審查、施工及運(yùn)營(yíng)等整個(gè)項(xiàng)目生命周期都可以起到輔助作用。
線路設(shè)計(jì)
AR技術(shù)目前已在地理信息系統(tǒng)及城市地下管網(wǎng)規(guī)劃中得到嘗試應(yīng)用。孫敏等人提出了ARGIS概念，將地理信息系統(tǒng)(GIS)同AR技術(shù)相結(jié)合，使得GIS的虛擬數(shù)字化空間同AR的實(shí)時(shí)交互有效結(jié)合。常勇等人提出了基于RTKGPS同測(cè)角傳感器相結(jié)合的戶外混合AR系統(tǒng)，探討并驗(yàn)證了其在地下管網(wǎng)可視化中的應(yīng)用，使用AR技術(shù)可以觀察到地下縱橫交錯(cuò)的各類(lèi)管線的走向、相互位置，并可進(jìn)行相關(guān)的查詢和分析，有效地解決管網(wǎng)管理中存在的很多難題。周玲等人29設(shè)計(jì)了城市地下管網(wǎng)AR系統(tǒng)，利用ARCore實(shí)現(xiàn)了管道模型的虛實(shí)融合，可以多方位實(shí)時(shí)查看。目前管道線路的設(shè)計(jì)基本上是基于2D的平面斷面圖設(shè)計(jì)，今后，在油氣管道線路設(shè)計(jì)中，AR技術(shù)的3D虛實(shí)結(jié)合顯示模式在以下兩方面會(huì)有一定的發(fā)展空間。
結(jié)論與思考
低油價(jià)、新冠疫情及第四次工業(yè)革命帶來(lái)了石油工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的迫切需求，大數(shù)據(jù)分析、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、機(jī)器人與無(wú)人機(jī)、人工智能、云計(jì)算、3D打印、虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)混合現(xiàn)實(shí)等數(shù)字化領(lǐng)域的新技術(shù)逐漸得到應(yīng)用，中國(guó)石油企業(yè)在創(chuàng)建智慧管網(wǎng)等數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面已經(jīng)開(kāi)始探索及發(fā)力。在全球新冠疫情大流行及低油價(jià)帶來(lái)的行業(yè)危機(jī)中，提高效率和遠(yuǎn)程辦公(遠(yuǎn)程協(xié)助、遠(yuǎn)程培訓(xùn)等)的常態(tài)化將促進(jìn)AR及MR等新技術(shù)的使用和發(fā)展。
目前，AR技術(shù)應(yīng)用隨著智能手機(jī)和平板電腦的廣泛應(yīng)用已逐漸普及，隨著軟硬件的進(jìn)步及同物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)相結(jié)合，AR可穿戴設(shè)備在石油和天然氣工業(yè)中將易于發(fā)揮作用。AR及MR頭戴設(shè)備具有解放雙手的用戶界面、遠(yuǎn)程指導(dǎo)、減少差旅、智能檢索、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)字化工作流等功能，對(duì)油氣管道的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)都會(huì)產(chǎn)生積極影響，也對(duì)提高生產(chǎn)效率、增強(qiáng)工作場(chǎng)所安全、降低成本至關(guān)重要。
參考文獻(xiàn)
陳傳勝，李丹，尹恒，等智能管道發(fā)展現(xiàn)狀及具體領(lǐng)域智能化的探討[J]天然氣與石油，2020，38()：133138.CHENChuansheng，LIDan，YINHeng，etal.DevelopmentStatusofsmartpipelinesystemanddiscussiononitsintellectualizationapplicationinthisspecificfield[J].NaturalGasandOil，2020，38()：133138.
[2]李柏松，王學(xué)力，徐波，等國(guó)內(nèi)外油氣管道運(yùn)行管理現(xiàn)狀與智能化趨勢(shì)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2019，38()：241250.LIBaisong，WANGXueli，XUBo，etal.Operationandmanagementstatusandintelligentizationtrendofglobaloilandgaspipelines[J].Oil&GasStorageandTransportation，2019，38()：241250.
AZUMART.Asurveyofaugmentedreality[J].TeleoperatorsandVirtualEnvironment，1997，()：355385.UTHERLANDIE.
Sketchpadamanmachinegraphicalcommunicationsystem[C//roceedingsoftheSHAREesignutomationorkshop.NewYork：ACM，1964：329346.
作者：程浩力，劉中民,2蔡峰峰張連來(lái)馬曉天孫學(xué)藝胡京民王鵬
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