跨境管道调控中心可视化系统搭建

刘雪亮 向奕帆 魏广峰 杨志远 安振山 刘锐 吴秀亮 王永军

（中油国际管道有限公司）

中油国际管道公司作为中国石油海外油气管道专业化公司，分别在乌、哈、塔、吉、缅五国设有8家合资公司1家独资公司，管道总里程约11 000 km，构建起了我国西北、西南两大战略能源通道，为保障国家能源供应、建设美丽中国发挥了重要作用。中油国际管道海外油气调控中心作为公司的综合运营指挥中心，主要职能是对所属长输油气管道按需实施集中监视、调度指挥、管网优化、以及对突发事件的应急指挥和应急管理。同时，还承担着展示企业文化、塑造企业形象的对外窗口职能。2019年成功组织了“一路一带”跨境油气管道应急演练，接受了能源局、外交部等部委的考察并获好评。文中通过此次调控中心可视化系统的建设及运营后达到的实际效果进行分析总结，为今后其他项目的建设、扩容、发展提供更贴合实际的参考。

1 可视化系统的概念及特点

1.1 可视化系统的概念

可视化是一种计算和处理的方法。它通过计算机将枯燥的二维数据、二维信息转化为可以让体验者直接观看到的形象生动的画面、动画等形式，也可以将抽象的信息转换为具体直观的信息。智慧管道可视化系统能够将公司运营的核心系统的各项关键数据进行可视化呈现，可视化系统的技术难点不在于对数据展示的效果，而在于如何将复杂的输油气业务逻辑性的串联起来。在一页页的画面中，如何让人了解数据和业务之间的关联，这就需要对大屏整体的颜色、布局、展示方式及可视化组件的综合搭建[1-3]。

1.2 可视化系统的技术特点

通常来讲，优质的可视化系统技术应当具备这些特点：

1）新颖：可视化系统技术一方面应当是一个非常有效的数据渠道，另外一方面还应当具有一定的新颖性，要符合时代特征及需求。

2）充实：可视化系统技术为人们提供了获取数据信息的有效途径，满足人们的实际需求。

3）高效：可视化系统技术应当具备一个非常清晰的目标。因此，当用户对信息访问时，要尽量的直截了当。

4）美感：在对图形、图像设计时，主要服务目标是如何有效地表达展示信息[4-6]。任何无助于表现信息的微小因素，在实践中都可能成为其应用的潜在阻碍，会影响可视化效果、降低效率。

2 可视化系统规划布局

可视化系统面向不同层次来访者，主要包括需两类用户，分别是参观交流类用户及专业操作类用户。参观交流类用户，主要包括政府部门、上级组织、业务相关联单位，此类用户多涉及参观、交流和检查工作，应通过简单易懂、美观舒适的展现方式表达出公司的特色与整体情况。专业操作类用户，主要包括公司值班人员及业务相关人员，此类用户熟悉公司运行工作及主要业务，应通过易于发现、对比的展现方式来满足日常的工作需求。基于此种考虑，将具有相同形式或规律的内容抽象、升华，形成标准样式即模式，设计出四种模式来直观展示公司业务场景、推动传播现有产业生态[7-10]。

2.1 视觉展示

1）布局应符合人的阅读习惯，该习惯决定了展示内容的层次结构，影响人对内容的接收和理解。整体画面要有一个清晰的业务逻辑，总体可分为总分结构和链式结构两种叙事方式。总分结构用于表达逐级展开的业务内容，由宏观到微观；链式结构用于表达整体的业务关系，从左至右依次展示该板块业务流程。结构化布局使得内容层次清晰、主次分明，整体布局紧凑，节奏感强烈。

调控中心大屏为2行20列拼接，整屏幕宽31 m高1.7 m，横纵比为18∶1，属于特别细长比例。根据实际场地布局，参观者从中部进入大厅，推荐使用由中心向两侧扩展的布局结构。结合普通人的视野范围因素，可设计显示布局见图1。

图1 显示布局

2）心理学家认为，人的第一感觉就是视觉，而对视觉影像最大的则是色彩。配色的基本原则是通过不同的鲜明颜色，清晰地标识并划分各个专业主题，形成视觉惯性，辅助观众在复杂的拓扑逻辑中直观分辨各个专业。大屏的显示亮度远超电脑、手机、印刷品，且物理尺寸巨大，在色调的选择上，浅色系在大屏上播放时会非常刺眼，不利于长时间观看，且强烈的光感容易导致文字模糊，内容无法得到很好的展现和理解。因此，系统色调不宜选择浅色基调，应选择深色系，如深褐色、黑色、深蓝色等。在冷暖色系中，暖色调不适合大面积使用，容易令人产生烦躁、焦虑的情绪。

2.2 视野测算

对于被观察图像，人眼能分辨的相邻最近两点的视角（分辨角）的倒数，叫做人眼的分辨力。从生理角度讲，人眼在中等亮度和中等相对分辨率下观察静止图像时，分辨力夹角约为1′～1.5′。本次可视化系统距离为5～12 m，结合上述理论，依据现场条件制作了如下2个参观点（图2）。

图2 视野测算效果

2.3 展示内容规划

依据公司做好油气管道运营、保障管道安全和经济效益、塑造良好企业形象、开创建设世界先进水平国际化管道公司新局面的战略目标，本次规划了参观展示模式、日常监控模式、应急指挥模式和专题模式4个可视化模式。

1）参观模式：展现公司核心竞争力，表现公司先进性和国际化水平，突出创新型、综合性、国际先进水平管道公司新局面。本部分内容包括欢迎界面、基本信息展示、企业文化、科技创新、社会责任五大模块，同时在大屏上按脚本播放生产业务3D模拟飞行动画，管道以三维立体效果展现，增加液体流动动效，使管道效果更逼真。动画播放同时搭配气势宏伟的背景音乐，快速聚焦参观者注意力，搭配演讲者细致的解说，以震撼的场面效果充分展示公司宏伟的管道成绩。

2）监控模式：展现管道运行情况、生产安全情况和经营效益情况。核心内容采用地图分布和实时数据的形式展现，利用各板块数据进行组态，实现从总体到具体管线运行情况的比对。

3）专题模式：展现如何保障油气管道工作的稳健发展。关注特殊时期重点保障内容，打造专题效应，例如冬季气荒情况下的保供工作。

4）应急模式：突出信息化方式的应急处理优势，表现管理效率的高效性。通过接入事故单位及相关协同单位视频会议信号、事故现场监控信号、辅助GIS数据、管道运行趋势、天气信息等，全方位展示事故单位的实时灾情，及时开展资源调度，全面分析事故影响范围并编制合理的应对方案。应急模式效果见图3。

图3 应急模式效果

3 可视化系统硬件建设

3.1 可视化系统软件平台

自主研发一整套可视化实施生产平台，平台具有高可靠性、高速度、高安全性和强兼容性等多种优点，系统组件丰富且易于操作。软件平台采用B/S架构设计，通过浏览器访问系统、提供图形化界面、使用HTML5语言实现，可以展示矢量平面图形、3D图形及动画。由于HTML5技术通用性强、社区资源丰富，大大降低了后期系统维护的难度。平台支持Chrom、Firefox、IE11等多种浏览器，支持多个终端展示，如大屏、PC、平板电脑、手机。可以运行在Windows、Linux系统上，支持跨平台展示。当后端数据源没有完全接入时，系统支持模拟数据的方式完整显示前端展示效果。

3.2 可视化系统架构

采用前后端完全分离的系统架构（图4），通过标准接口和WebSocket进行内部数据交互，后端负责算法处理和数据接口，前端完成视觉展现和交互逻辑，全部功能均在浏览器中实现。

前端采用组件化封装技术，可自由布局图层，各种组件可根据不同场景及业务需求进行组合和扩展。后端根据不同业务和接口方式划分功能模块，建立不同的服务架构设计模块，保证系统的扩展性并降低了服务之间的耦合度。对接系统采用模块化、复用性、松耦合的系统架构设计。对接模块的任何修改都不影响整体构架和其他模块，并且可以通过扩展服务的方式来增加系统支持的接口种类，并不需要对系统架构进行调整。

图4 系统构架

3.3 可视化系统数据架构

系统对后端开发语言无限制，支持多种数据接口，包 括WebService、REST API、DB API、SNMP、WebScoket、消息队列、文件服务器、ElasticSearch检索服务器、SCADA和DCS工业采集系统等。支持自定义接口中间件开发集成；支持实时采集数据，基于流式计算框架，实时采集并实时加载至数据目的地，并保证对数据源无业务侵入；支持错误数据处理；支持任务状态监控及预警；支持水平扩展性，根据实际数据量进行集群式扩展，满足高并发需求；支持全流程操作，均基于图形化界面，无需二次开发。

3.4 可视化系统大屏部署

在可视化视觉布局规划中，单个工作站最大支持16 K超高分辨率输出，该系统投放在调控中心2×20的DLP拼接大屏和应急指挥LPD拼接大屏，考虑二者的内容共享方式，推荐使用5个区域大屏硬件模式（图5）。

超高分处理器硬件系统可实现整屏38400×2 160分辨率下的单一逻辑屏、可视化视图同步、实时推送，并通过大屏幕部署的分布式处理系统完成可视化与各个调度台、视频会议、视频监控等其他业务信号源的统一调度、切换与投放。二者融合在一起，可以实现多种应用场景下的投屏需求。

在超高分图形处理投屏模式下，将屏幕划分为5个区域，每个区域是单一逻辑桌面。通过5台图形工作站实现点对点画面推送，利用可视化系统后端实现各个区域之间的联动和同步。使用者可以将某个或某些单一逻辑桌面信号源即时切换为大屏分布式处理系统信号，通过硬件切换屏幕显示画面。调控中心大屏的5个区域均可共享到应急指挥中心大屏，利用可视化系统前端HTML5的页面自适应能力，自动调整元素的布局，在共享投屏过程中不发生像素和图形比例变形。

3.5 可视化系统大屏节能降耗措施

调控中心DLP大屏幕选用比利时Barco ODL-721，具有功耗低、噪音低、发热量低、运行效率高、部件使用寿命长等优点，完全符合节能环保方面的国标要求。独创了DLP拼接显示直流外部供电（由机柜低电压供电的完全冗余远程电源管理系统），既减少了控制室内电源冷却风扇发出的噪音，又能排除任何单点故障。

比利时巴可公司ODL系列RGB三色纯激光光源无灯泡、无汞，不会对环境产生有害汞的挥发。ODL视频屏幕墙外壳100%由循环材料制成，不会出现材料浪费现象。较之传统UHP灯泡背投系统，使用更少活动部件或耗材即可投影所需光通量和颜色的图像。Barco ODL-721的正常模式功率为200W，节能模式为120 W，40块屏正常模式为8 kW，节能模式下仅为4.8 kW，相比其他品牌产品节能效果显著。应急指挥中心LPD大屏，选用Prysm激光荧光显示技术，单位显示平米耗电量为155 W，是全球最节能的显示拼接技术，符合美国节能与生态环境建筑委员会可持续性LEED绿色评定。可视化系统大屏投用至今14个月总耗电量仅为6 700 kWh。

图5 可视化系统大屏部署

3.6 可视化系统大屏安全环保措施

1）噪音。巴可大屏运行时所产生的高频及中低频噪音，符合国家所界定的国家工业企业厂界噪声标准，屏前噪音级别小于20 dB，对值班人员影响微小。

2）光线。光污染正在威胁着人们的健康，过量的光辐射对人类生产和生活造成了不良的影响。光污染损害眼睛、诱发癌症、可能会引起头痛，疲劳，增加压力和焦虑。由于调控中心设备众多，光污染也是一大隐患。动物模型研究已证明，当光污染不可避免时，会对情绪产生不利的影响。可视化大屏系统在设计上符合国家的照度标准，在色彩上采用了深蓝色系，避免眼睛直接接触强烈光线产生刺眼等不舒服的感觉。

4 总结与推广

1）实时性、准确性。本系统的优势就是实时性，管道生产数据都是实时更新的，可视化界面的分析结果均为有效的，可供值班人员日常使用，若发生突发事件又可用于应急处置。相较于以往的一些历史数据的可视化处理及分析，本系统后台与五大系统相连，更能提供具有高时效性的数据，分析结果也可立即应用。

2）可开发性、可拓展性、可移植性。在可视化界面可以进一步优化拓展。除了本次实现的四种模式下可视化处理，还可以针对不同应用场景，制作新的可视化界面。针对不同的应用情况二次开发。基于开源平台的可视化界面可以方便地优化拓展。