葛昶，白龙,2，余晓钟，王梦可
1.西南石油大学经济管理学院；
2.中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司；
3.上海绿地物业服务有限公司东莞分公司
2020年中央工作会议提出，中国二氧化碳排放力争2030年前达到峰值，力争2060年前实现碳中和。国务院政府报告曾明确提出要把智慧能源与“互联网+”相结合，促进中国传统行业的经济转型，充分发挥“互联网+”大数据在传统油气行业的优化作用，通过融合创新，提高生产能力，进一步促进油气产业开发新模式的转变。但传统油气能源开发工序繁琐、业务链长，推进大数据智慧型油气改革，意义重大。
石油天然气是中国一次能源供给中的重要组成部分，中国石油天然气产业在“十三五”期间迅猛发展，石油勘探开发和管输储运水平大幅提升，天然气生产和消费量迈上新台阶［1］。随着“十四五”规划纲要的发布，要求能源资源配置更加合理，利用效率大幅提高，经济结构更加优化，创新能力显著提升，产业基础高级化、产业链现代化水平明显提高［2-3］，国家对石油天然气产业的能源改革发展力度空前。同时传统油气资源采集难度增大，采集率下降，勘探开发成本逐渐增加，而建设复杂智慧油气田成为接替传统数字油气田能源的主要力量。
中国的数字油气田概念是大庆油田的王权等于1999年首次提出，即全面信息化的油田［4］。但随着大数据和人工智能的发展，企业面临着传统油气田向物联网大数据智慧油气田发展的困境。基于BGM（即 BIM+GIS+MES三个系统的首字母组合。BIM即BIM模型，Building Information Modeling；
GIS即GIS信息系统技术，Geographic Information System；
MES即制造执行系统生产信息化管理平台，Manufacturing Execution System）大数据架构的智慧油气田可以提高企业油气田信息化建设水平，使工业化与信息化相结合，有效降低项目成本、管理成本、生产成本和其他成本。随着智慧油气田建设的深入，设计量和数据量的突增，智慧油气田需要进行整体IT技术结构架构的探讨与创新，搭建集成数据、共建模型、协同平台等功能，需要与之相配套的方案机制，切实达到推动数字油气田改革发展的目的。
中国数字油气田经历了长时间的发展，数字油气田信息化建设由单一的传感器参数、视频监控数据到基础数据在信息化平台汇总优化，以数据挖掘和技术智能应用分析为支撑的数字化油气田本质上是信息化与数字化的集成，将僵硬的数字信息进行综合体现，并没有合理利用其后期内藏资源。近年来，随着互联网大数据信息化建设的发展，智慧油气田的发展也得到了能源企业的重视。智慧油气田是物联网和大数据分析集合，通过利用算法和大数据技术，对本地资源库和云计算平台进行数据挖掘分析，实现自主思维分析，通过自主学习处理油气田生产过程中出现的突发事件和知识库中从未发生过的事务，逐步实现实时自动监管、实时自动数据采集分析、实时决策优化等闭环管理，进一步提高油气田协同合作、信息共享、可视化管理、科学决策分析等能力，达到节约投资成本与运行成本的目的。
常艳兵等［5］认为：构建数字油气田应当深入挖掘综合油气田数据特征，并借助信息技术智能化加以全面分析应用，进一步提高自动化水平。刘冠辰［6］指出智慧油气田建立在大数据油田开发的基础之上，运用网络技术和空间信息技术等手段，在智慧阶段优化配置资源实行过程精细化管理，发挥人的主导作用。余晓钟等［7］认为“互联网+”智慧能源数据应用发展到数据变现和模式创新阶段，就是智慧油田。闫婉等［8］认为基于大数据的数字化协同技术能够针对智能油气田进行建设支持。汤林等［9］认为面对油气田不断加重的保障任务，基于精益生产的数字油气田建设可以有效保障上游业务的健康稳定发展。
本文认为基于 BGM大数据架构智慧油气田是依据互联网大数据模型、优化方法和工具等综合架构网络，包含数据建模、三维仿真、3D可视化和MES管理体系，通过不间断数据连接组织集合，运用数据软件在开发运用过程中实现信息综合、事件预测、效果评价、过程服务等功能，优化各类资源，以人为主体，智慧应用为支撑，促进油气田经济效益发展为目标的技术手段。
随着油气田勘探开发生产难度和各系统业务数据量的突增，油气田企业对生产一线安全的重视与监管的加强，更加突显了传统数字油气田功能满足不了当下油气田企业的需求。掌握油气田生产、存储、运输、服务等流程的可控性，尽量减少因人为原因造成的事故征候和经济损失，及时采用正确的流程数据、合理的计划安排与生产服务进度，同时添加智能系统等技术，构建出一个高效节能、绿色环保的人性化智慧油气田［10］。智慧油气田是当前数字油气田发展的新阶段，并且有自己独特功能。
2.1 集成数据
在油气田项目地面场站建设和生产存储各阶段，为了区别于传统的 CAD软件，通过BIM模型和GIS信息系统技术，构建出多软件、多阶段、多目标的数据集合与优化平台。将油气田基础数据、勘探开发数据、地面工程数据、储运工程数据提前输入到模型和平台中，同时将GIS采集的油气田空间数据和地理空间数据与BIM模型进行结合碰撞，定时定位检查油气田各执行阶段各项数据特征值是否符合油气田建设和生产存储标准值，平台实时自动识别分析各项数据，发现异常数据后，自动调出原始数据和超限实值对比分析，及时发出预警和处理方案，并将异常信息预警等级化传输到控制中心和监管平台，同时发送到主管单元和末端移动APP，进行多项协同管控，提高油气田信息交互和预警处突能力。基于模拟和储层监控的生产调度模型的油气田开发计划能够提升对钻井作业的监督及目标位置的诊断和可视化［11］。
2.2 共建模型
油气田项目建设和投产涉及各协作单位的动态变化，不同环境下共同协作，BIM模型将物理信息全过程 3D模型化，降低油气田全生命周期的不稳定性，保证勘探开发、生产、存储、运输、经营管理等数据传输的不失真，减少人为错误造成的不确定性问题的发生，间接降低项目成本，构建出多方协同、数据无损、责任追溯的共建模型。在数据交互过程中可以清晰显示数据传递部门及修改方操作痕迹，区别于以传统油气文档为基础的数据模型，当油气田某一阶段发生问题时，实现数据追溯，定位定责，从而将油气田各单位在各阶段所做的贡献值客观公正的记录下来，实现信息数据无损传递，为项目后期的价值评估提供了应用基础，形成油气田公司范围内的信息存储、共享和报告系统，建立协作环境。
2.3 协同平台
利用油气田项目端大数据和公共数据通信平台，通过传感器、压力器、流量表、视频监视器等动态传感装置，将实时数据传输到MES生产信息化管理平台，搭建出动态更新、实时监管、数据漫游的模型平台，保障油气田各模块装置运转状态最优化。将物料平衡模块（PB）、平稳率模块、工艺台账模块、实时流程图模块（PHD）、工艺技术管理模块、操作管理模块（OM）、实验室信息管理模块（LIMS）在 WPKS服务器（Work Centre Process Knowledge System）上进行油气业务特性数据集成［12］，通过实时传感数据和视频数据，在企业内部客户端APP或AR设备进行实时监管，进一步提高油气田安全管控力度。同时可以通过基于油藏建模的设备运行模式优化，即油气田现有的SOA架构（面向服务器架构，Service-oriented Architecture）通过ESB（企业服务总线，Enterprise Service Bus）实施智能化集成与管理，实时监控油藏和油井、井段的独立控制和控制器调整［13］。
现阶段在工程建筑、机电管道、产品设计等领域，特别是土木工程领域都已经应用BIM软件，它实现工程设计到工程实施以及后期交付使用的全过程服务，运用三维仿真模拟，结合碰撞检测、方案模拟、3D漫游等技术，可以实现三维模型与实际工程项目的数据精细化组装，即所见即所得［14］。
同时，BIM模型的构建可以使油气田构建项目的所有信息进行汇总，区别于传统的二维图纸平面，实现数字孪生；
也可以利用定点三维扫描仪、放样机器人和航拍无人机扫描采集现场数据，利用 GIS软件与BIM模型进行模型匹配对比，形成成品与模型的信息数据结合［15］，对 GIS系统使用的由无人机航拍和三维扫描仪得到的油气田项目点阵照片做矢量数据化，使标注、比例、坐标等信息在三维体量模型中进行点阵照片贴图，可以修正施工模型，提高工程精度，指导施工，减少人员依赖。
BIM+MES是具有数据库的大数据集合模型，通过操作图形上的鼠标可以详细了解此时油气平台、油气管道、存储油气罐的任何信息，包括油气田设计建造信息、构件使用信息、构件寿命信息、构件厂家等信息（在BIM模型上体现以上信息），以及油气田设备实时信息，包涵平台稳定性、存储油气罐温度容量、油气田人员流动和安全监管等信息（在MES管理系统上体现以上信息）。
油气田的任何子系统：油气平台、油气管道、油气存储、水、电、热、安防、消防、后勤等子系统，在任何时间、任何地点通过互联网客户端解锁安全密钥可以完善和利用BGM数据平台，搭建子系统的智慧应用，同时通过 MES系统和 ERP系统（Enterprise Resource Planning，企业资源计划）并行建立自己的应用子系统数据库。各应用子系统可各自实现自治、规划建设、运营维护，并能通过平台进行数据共享互通。智慧油气田的应用子系统又是智慧油气田数据库平台的独立子集，智慧油气田数据库平台可以调取应用子系统的图像信息和静态管理信息的实时数据，完善智慧油气田数据库的架构，减少人为干预错误，提高经济效益。
BGM数据平台可以视作油气田的数据检索入口，油气田的任何一个信息通过录入时间信息、空间信息、设备信息都可以得到映射，形成一个完整的智慧油田信息数据库系统［16］。将油气项目基础二维图纸在绘图软件中（如CAD）绘制出传统二维项目图纸，再将项目各项基础信息和无人机、扫描机器人采集的油气项目数据在 BIM软件中绘制出 3D数据模型，经过大数据采集与优化，可以实时显示油气项目的各项信息，例如显示施工进度、施工部位、工程材料数据等信息。与此同时，采集到的油气项目地理信息数据利用GIS系统软件绘制出油气GIS地理信息数据模型，和已经绘制出的BIM信息数据模型进行碰撞检验优化，得到更为符合真实情况的大数据模型，为后期运用存储数据模型奠定基础，并将完善后的模型并入到油气 MES管理系统中。在建成完工后的油气项目进行各类传感器、视频监控器的安装与调试，并将得到的实时大数据接入到油气MES管理系统中，与前期接入的大数据模型进行匹配与整合优化，将优化后的大数据系统模型载入到控制中心平台和APP客户端，进行系统运营。
对智慧油气田而言，BGM数据平台是一个三维立体信息实时展示系统，通过三维模型可视化、立体化、数据化、云储存等大数据技术，在项目建设、运行、保障时可以实时在线地将原始数据和当下数据进行比对和甄别，通过数据算法把安全隐患和个性定制信息在油气田项目控制中心平台上展示出来，并将提前设置的推送信息进行个性推送。从而，实现各智慧油气田子系统应用数据跨越空间、地理进行数据关联，对上可对接集团公司数据库，对下便于项目油气田大数据智慧管理应用［17-18］，如图1和图2所示。
图1 BGM大数据智慧油气田技术架构
图2 BGM大数据智慧油气田数据架构
利用油气田的项目场地和机器设备三维化技术，运用动态三维模型代替传统二维平面图纸，使得各专业信息表达更加全面，BIM、GIS、MES技术的逐渐推广和实践应用能够极大地提高油气田从设计建造、生产运营到服务维护的精细化管理程度，智慧油气田的设计建造运营维护是利用三维和实时传感的BGM技术实现智慧油气田的一个技术创新。智慧油气田可以分为以下几个实施阶段：
（1）首先需要将油气田的设计二维图纸运用BIM技术进行模型建立，同时要求各油气田设备生产厂家提供BIM三维模型基础数据，然后利用项目的GIS系统和扫描机器人、航拍无人机等将油气田各建筑设备扫描模型和图纸三维BIM模型进行“碰撞”集中，在MES管理系统中集合油气田三维数据模型信息［19］。
目前国产三维绘图软件较少，且各软件之间的文件兼容性能普遍不足，而BIM和GIS的集成应用多在 PC端实现，缺少必要的云端处理和远程可视化协同技术解决方案。油气能源企业必须要开发自主知识产权的智能软件协同系统，支持多软件在计算机并行处理和MES与BIM的顶端设计、查询、数据交互，使原有的BIM和GIS系统与前者进行二次应用开发，加快数据传感和传输在BIM模型上的实时监测更新，促进GIS信息系统的实际数据与BIM模型的交互［20］。
（2）同时在油气田项目施工建造中利用该三维数据模型进行各子系统的三维数据平台布置，在建筑设备上加装数据传感、温度监控、视频监控、关键岗位人脸识别等设备装置，将数据集成至 PC端管控处理中心 MES系统中进行子系统运行展示与漏洞维护，提高油气田项目中安全建造、安全生产、安全运营的三大“安全”水平。
（3）将各子系统数据库与BGM数据平台进行数据并行与关联。各子系统包括油气田内部油气生产管控、油气管道、能源介质存储、生产用水、电、热、消防、安防等生产自动化子系统。
BGM系统平台缺乏统一标准的操作界面和与之相对应的数据模型标准，石油天然气模型组件不够完善，市场上软件厂商对此不够重视，各子系统应用二次开发互通互联性不够好，不能做到完美的数据、模型、图像层无缝处理，是阻碍其大规模应用的技术难点。
（4）基于BGM云数据平台建立智慧油气田设计、建造、运营、仿真、生产过程管理优化系统，打通 MES、MIS（管理信息系统，Management Information System）及生产自动化技术屏障壁垒，基于三维数据空间结构建立全维度或者超维度智慧油气田的生产运营风险分析及事故征候预警，完善油气田应急处突事故预案及事故方案指挥预演，推演事故方案管理等大数据分析模型应用。
首先，BGM系统平台的搭建需要消耗大量的计算能力和数据存储资源，但为实现石油天然气能源产业的工业 4.0行业发展需求，数字油气田必须拥有自己的数据平台；
其次，为保证数据运营安全和数据稳定性要积极与国家大数据中心进行数据产业结合，打造以自由数据平台为基础、共有数据平台为保障的数据框架［21］；
最后，开源BGM技术数据平台，积极完善第三方基于BGM数据平台的建设及智慧油气田的子系统的应用开发，建立完善的基于BGM数据平台的信息技术标准。
考虑长远发展，为积极加入智慧城市建设，依托第三方数据平台，对BGM系统模型与智慧城市数据平台进行降级加密数据连接，使需求数据在MES子应用端数据显现，从而提高智慧油气田的精准产销结合。
基于 BGM大数据的相关技术在油气田发展中的应用并不能轻而易举地满足实际工作需要，不能使用“拿来主义”、生搬硬套，各行业技术各有不同，要根据自身行业特性和发展技术要求达成所求目标，避免出现“水土不服”导致不良结果出现。
在构建油气田生产与设施智慧管理平台过程中，首先，要确保应用数据来源的稳定和可靠，在平台建设初期需要庞大的原始数据进行训练学习，油气田企业要根据自身的数据储备、质量、规模来搭建企业内部的信息系统建设，同时要持续保持业务系统的全覆盖，并与可视化系统进行融合，实现真实业务数据记录、分析和云存储，避免出现人为因素干预导致的数据失真［22］。其次，企业内部信息技术部门要不断挖掘和培养人才队伍，采取措施逐步培养自己的技术专家，可以通过校企合作方式快速配备业务人员需求，持续加大人员配备力度和学科专业知识技能人才引进，保证大数据技术在企业的业务应用和推广。要实现构建用户的数据采集、管理、分析及互动服务功能，不但要有智能感知、云计算和大数据分析技术的融入，而且还要制定数据模型碰撞检验并接入可视化系统，因此需要油气田加强计算机基础硬件设备和数据库建设投入。
在充分了解市场和油气田构建需求后，油气田企业要树立全新的数字化理念，加强企业硬、软件系统建设，从智慧营销业务经营和推广开始，规范企业数字业务导向，根据实际情况将大数据技术理念融入到油气田建设和智慧平台管理中去［23］。同时油气田企业要持续完善部门人员的数字理念建设，积极探索符合构建需求和智慧管理的保障管理机制，企业业务培训部门要不断组织一线部门人员的业务培训工作，使其更好地使用智慧管理系统，从而建立一支具有专业知识的数字智能化管理团队［24］。
基于 BGM大数据架构的油气田生产与设施智慧管理平台建设是智慧油气田在大数据背景下的一个应用探索，更是在已有的数字油气田基础上结合物联网大数据和互联网+向工业 4.0迈进的有益实践。将“互联网+”大数据与相应的智能数据技术软件相结合并运用起来，构建智慧油气田，从而全面提高智慧油气田的精细化管理，优化油气田资源配置和业务流程，扩大油气田资源的整体效益，进一步推动中国油气田企业健康转型发展。对于未来智慧油气田的发展，不管是行业标准的制订与完善，还是各系统对接数据处理软件开发，以及岗位实际操作人员对 PC端大数据软件的应用完善，都需要经历艰难且漫长的创新实践，所以基于BGM的智慧油气田大数据平台的搭建只是一个开始，需要更多的技术开发人员和实际油气田项目的应用参与，智慧油气田的技术与理论才会不断地升级完善，才能更好地促进中国石油天然气行业的迅速发展。
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