三維數(shù)字化技術(shù)在數(shù)字化工廠的應(yīng)用

黃靖麗

[摘 要] 利用三維數(shù)字化技術(shù)，建設(shè)數(shù)字化工廠是響應(yīng)國家兩化融合政策的重要抓手?！对牧瞎I(yè)兩化深度融合推進(jìn)計劃（2015-2018年）》提出：石化行業(yè)重點(diǎn)發(fā)展煉化關(guān)鍵主裝置及工廠的三維數(shù)字化技術(shù)與模擬仿真、優(yōu)化控制和調(diào)度計劃技術(shù)等，對工廠生產(chǎn)全流程實(shí)現(xiàn)安全可視化管理和控制。在工程建設(shè)方面，重點(diǎn)發(fā)展協(xié)同一體化技術(shù)，建立工程數(shù)字化交付標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)工程數(shù)字化設(shè)計和交付的標(biāo)準(zhǔn)化管理。

數(shù)字化工廠已成為當(dāng)前國內(nèi)外石化企業(yè)信息化建設(shè)的主流趨勢。建設(shè)數(shù)字化工廠是企業(yè)提高運(yùn)維管理水平的客觀需要。通過建設(shè)數(shù)字化工廠，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營的數(shù)字化、模型化、可視化、集成化，從而提高企業(yè)勞動生產(chǎn)率、安全運(yùn)行能力、應(yīng)急響應(yīng)能力、風(fēng)險防范能力和科學(xué)決策能力。

[關(guān)鍵詞] 三維數(shù)字化技術(shù)；數(shù)字化重建；三維建模；智能業(yè)務(wù)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 01. 023

[中圖分類號] F270.7；TP391.7 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）01- 0055- 03

0 引 言

一個物理的工廠，必定有一個數(shù)字的工廠和它對應(yīng)。物理工廠是企業(yè)的資產(chǎn)，數(shù)字工廠也是企業(yè)的資產(chǎn)。數(shù)字化工廠，即利用三維數(shù)字化技術(shù)，在計算機(jī)中構(gòu)建一個物理工廠完整、精細(xì)、可維護(hù)的虛擬鏡像。

數(shù)字化工廠解決方案，由數(shù)字化重建、數(shù)字化工廠基礎(chǔ)平臺、智能業(yè)務(wù)應(yīng)用組成。生產(chǎn)裝置的數(shù)字化是建設(shè)數(shù)字工廠的基礎(chǔ)，數(shù)字化重建，即利用專業(yè)的三維工程設(shè)計軟件，輔以三維激光掃描，構(gòu)建裝置工程級三維模型，實(shí)現(xiàn)裝置的三維數(shù)字化。數(shù)字工廠基礎(chǔ)平臺是數(shù)字工廠的核心，用以管理數(shù)字化重建的數(shù)據(jù)，支撐智能業(yè)務(wù)應(yīng)用。智能業(yè)務(wù)應(yīng)用是數(shù)字工廠價值實(shí)現(xiàn)的途徑，利用數(shù)字工廠完整、精細(xì)的工程信息和簡單、易用三維人機(jī)交互，針對困擾工廠運(yùn)行管理的業(yè)務(wù)問題，提供高效、便捷的智能化工具。

1 數(shù)字化重建

1.1 數(shù)字化重建技術(shù)路線

采用專業(yè)的三維工程設(shè)計軟件，構(gòu)建裝置工程級三維模型，并采用三維激光掃描獲取現(xiàn)場點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，確保其與現(xiàn)場的一致性。在此過程中，對圖紙資料進(jìn)行重整，發(fā)現(xiàn)資產(chǎn)信息異常。該技術(shù)路線相較于傳統(tǒng)的3DMAX三維建模，成本低、效率高，其構(gòu)建的工程級三維模型不僅可準(zhǔn)確表達(dá)裝置設(shè)備設(shè)施的外形和空間位置，還包含工程屬性和拓?fù)溥B接關(guān)系，粒度可到達(dá)零部件級別，可實(shí)現(xiàn)石化裝置等密集資產(chǎn)的三維數(shù)字化，有效支撐設(shè)備管理三維應(yīng)用，是石化行業(yè)三維數(shù)字化建設(shè)的主流趨勢。并以工程級三維模型為基礎(chǔ)，部署數(shù)字化工廠基礎(chǔ)平臺和智能業(yè)務(wù)應(yīng)用。

1.1.1 工程級三維建模

依據(jù)設(shè)備、結(jié)構(gòu)、管道、電氣等專業(yè)的圖紙資料，采用專業(yè)的三維工程設(shè)計軟件，構(gòu)建工程級三維模型。建模流程如下：

（1）收集圖紙資料。收集、整理項目相關(guān)設(shè)計、施工及改造圖紙資料。

（2）建立數(shù)據(jù)庫。建立三維模型設(shè)備外形庫、鋼結(jié)構(gòu)庫、管道等級庫、管道元件等級庫。

（3）建立三維模型。采用三維工程設(shè)計軟件，建立具有設(shè)備外形、結(jié)構(gòu)、管道、電氣等的三維模型。

1.1.2 三維激光掃描

采用三維激光掃描儀對現(xiàn)場進(jìn)行三維激光掃描，獲取精準(zhǔn)的空間坐標(biāo)信息及現(xiàn)場照片，對三維工程設(shè)計軟件建立三維模型進(jìn)行校驗，確保三維模型的準(zhǔn)確性。三維激光掃描流程如下：

（1）現(xiàn)場勘查。項目開始前，需要對采集數(shù)據(jù)地點(diǎn)進(jìn)行踏勘，對其周圍的地理環(huán)境，天氣因素、人為影響做一個系統(tǒng)的了解，做好計劃，防止采集數(shù)據(jù)發(fā)生的意外，同時規(guī)劃掃描路線、精度及時間。

（2）布站掃描。三維激光掃描布站以“全覆蓋，重點(diǎn)抓”的原則進(jìn)行合理布站，根據(jù)工廠的實(shí)際情況進(jìn)行布站。“全覆蓋”指的是所需建模區(qū)域全部掃描，此部分可輔助正向建模自主校核?！爸攸c(diǎn)抓”是指對于管線密集區(qū)，管線走向變更，管線儀表區(qū)進(jìn)行重點(diǎn)高精度掃描，以確保360°無死角。

（3）數(shù)據(jù)處理。三維激光掃描完成后，檢查數(shù)據(jù)一致性，分區(qū)拼合點(diǎn)云數(shù)據(jù)，與采用工程設(shè)計軟件構(gòu)建的三維模型進(jìn)行比對校核。

1.1.3 智能繪制

利用專業(yè)的智能繪制軟件，繪制工藝流程圖，實(shí)現(xiàn)工藝信息的數(shù)字化。工藝流程圖中元件與三維模型均具有對應(yīng)關(guān)系，可與三維模型進(jìn)行一致性檢查及二三維跳轉(zhuǎn)。其繪圖流程如下：創(chuàng)建項目圖形庫、管線庫并繪制工藝流程圖。工藝流程圖繪制流程如下：

（1）創(chuàng)建管線庫。管線庫中包含管線的介質(zhì)，設(shè)計/操作壓力，設(shè)計/操作溫度，管道等級，起點(diǎn)終點(diǎn)，保溫類型等工藝屬性。

（2）創(chuàng)建圖形庫。繪制各設(shè)備、儀表等的標(biāo)準(zhǔn)圖符，并設(shè)置其類型、位號、名稱、壓力等級等屬性。

（3）繪制工藝流程圖。從圖形庫和管線庫中選取圖形文件或者管線號，繪制工藝流程圖。

2 數(shù)字化工廠基礎(chǔ)平臺

數(shù)字工廠基礎(chǔ)平臺（以下簡稱平臺）是整個數(shù)字化工廠解決方案的核心。首先，平臺是數(shù)字工廠模型的載體，接收、存儲、管理來自數(shù)字化重建的三維模型。其次，平臺以三維模型來組織信息，以三維可視化作為主要的展示方式和交互手段快捷、準(zhǔn)確掌握工廠信息。然后，平臺提供多種集成第三方系統(tǒng)的手段，有效避免信息孤島。最后，平臺是一個應(yīng)用程序的開發(fā)框架，通過二次開發(fā)接口支撐應(yīng)用開發(fā)，快速產(chǎn)生業(yè)務(wù)價值。

平臺自下而上分為：數(shù)據(jù)層，操作層，UI組件層，應(yīng)用功能層。其中，數(shù)據(jù)層、操作層和UI組件層作為平臺支撐應(yīng)用的二次開發(fā)框架；應(yīng)用功能層提供了信息組織、展示、獲取、利用的一系列基礎(chǔ)功能；此外，平臺包含了豐富的與第三方系統(tǒng)連接的集成接口。

2.1 數(shù)據(jù)層

平臺中存儲多種數(shù)據(jù)，包括三維設(shè)施、三維地形、智能圖檔、普通圖檔、點(diǎn)云和樹形分類結(jié)構(gòu)。endprint

2.2 操作層

操作層提供對數(shù)據(jù)操作的開發(fā)接口，包含三維模型操作、圖檔操作、幾何操作、編號操作等。

2.3 UI 組件層

平臺提供UI組件供開發(fā)人員進(jìn)行UI相關(guān)的二次開發(fā)；UI組件層包括三維瀏覽組件、文檔預(yù)覽組件、信息檢索組件、智能圖檔瀏覽組件。

2.4 集成接口

平臺數(shù)據(jù)集成接口可以通過OPC、ODS、ESB等標(biāo)準(zhǔn)接口，也可以通過定制開發(fā)與實(shí)時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、EM系統(tǒng)等進(jìn)行集成；并提供多種形式的接口，為后續(xù)的系統(tǒng)開發(fā)和集成提供良好的支持。

3 智能業(yè)務(wù)應(yīng)用

3.1 可視化門戶

通過數(shù)字工廠基礎(chǔ)平臺集成生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控畫面數(shù)據(jù)等，以三維數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，打造可視化的信息管理門戶，降低信息獲取和使用門檻，輔助培訓(xùn)和應(yīng)急管理，支撐物理制造空間與信息空間的無縫對接，實(shí)現(xiàn)工廠全生命周期信息的所見及所得。

3.1.1 設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測

通過與DCS系統(tǒng)、大機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、機(jī)泵群監(jiān)測系統(tǒng)、加熱爐監(jiān)測系統(tǒng)或?qū)崟r數(shù)據(jù)庫的集成，基于三維場景和工藝流程圖，實(shí)時監(jiān)測流量、壓力、溫度等生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及震動、位移等設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，查看數(shù)據(jù)歷史曲線，調(diào)取監(jiān)控視頻，并利用設(shè)備三維模型快速獲取設(shè)備工程信息和隨機(jī)資料，綜合分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)趨勢，確保設(shè)備安全運(yùn)行。

3.1.2 HSE風(fēng)險管控

在三維場景中直觀展示環(huán)保監(jiān)測點(diǎn)的空間位置，查看監(jiān)測環(huán)保監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)。在三維場景清晰直觀地查看危險源的空間分布，查詢危險源屬性、產(chǎn)生風(fēng)險的性質(zhì)和級別，便捷高效地對危險源進(jìn)行管理。通過集成視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在三維場景中可準(zhǔn)確獲知監(jiān)控設(shè)備的空間位置，快速調(diào)取監(jiān)控視頻畫面，監(jiān)控裝置現(xiàn)場狀況。

3.1.3 輔助應(yīng)急管理

在三維場景中開展爆炸事故、火災(zāi)事故、泄漏事故等的模擬和分析，模擬預(yù)測事故發(fā)展態(tài)勢，便于事故發(fā)生時快速準(zhǔn)確決策，為指揮救援、現(xiàn)場控制及事故原因調(diào)查提供指導(dǎo)，提高災(zāi)害事故的現(xiàn)場處理水平。同時，工廠管理人員可以在三維場景中快速直觀查詢廠區(qū)應(yīng)急資源分布及具體信息，輔助應(yīng)急響應(yīng)與決策，提高緊急情況下信息獲取效率，提高應(yīng)急救援的準(zhǔn)確性和有效性，提高企業(yè)應(yīng)急管理水平。

3.1.4 輔助培訓(xùn)

傳統(tǒng)的工藝流程培訓(xùn)，工廠運(yùn)維人員通過紙質(zhì)或電子工藝流程圖學(xué)習(xí)裝置工藝原理，通過裝置現(xiàn)場“跑流程”的方式熟悉裝置空間布置，費(fèi)時費(fèi)力、效率低下，且存在安全隱患。在可視化門戶中，工廠運(yùn)維人員可通過智能P&ID學(xué)習(xí)裝置工藝流程，通過智能P&ID與三維模型的關(guān)聯(lián)性，快速定位智能P&ID中設(shè)備的三維模型，進(jìn)一步了解該設(shè)備的空間位置、工程信息，查看與該設(shè)備三維模型關(guān)聯(lián)的設(shè)備圖紙、隨機(jī)資料，可大幅提高培訓(xùn)效率和效果。

3.2 檢修方案模擬

基于三維場景，進(jìn)行施工方案模擬，使施工方案編制從傳統(tǒng)的現(xiàn)場勘測、查看圖紙的低效率工作模式中解放出來，并為業(yè)主對施工方案的審核提供可視化的依據(jù)。

3.2.1 吊裝方案模擬

施工單位人員在三維場景中選擇待吊裝設(shè)備和吊車型號，設(shè)置吊車位置，進(jìn)行吊臂伸縮、升降、轉(zhuǎn)臂等操作和碰撞檢查，確定最佳吊裝過程以及需要拆除的設(shè)備、設(shè)施，并形成可視化效果。設(shè)備員在系統(tǒng)中查看吊裝方案文字說明和可視化效果，對吊裝方案進(jìn)行查看。設(shè)備員可以在可視化效果的基礎(chǔ)上，模擬設(shè)備吊裝過程，查看吊裝作業(yè)周圍的設(shè)備、設(shè)施，并進(jìn)行碰撞檢查，對吊裝方案的合理性進(jìn)行驗證。

3.2.2 動土作業(yè)模擬

在區(qū)域動土作業(yè)時，施工方由于不清楚地下設(shè)施空間信息，開挖審批手續(xù)辦理不全，造成動土作業(yè)損壞地下設(shè)施。

通過對地下管道、系統(tǒng)電纜等地下設(shè)施的勘探，構(gòu)建地下設(shè)施三維模型，在三維場景中，通過地面透明直觀查看地下設(shè)施的空間分布情況，查詢其工程屬性和管理單位，模擬基坑、管溝等動土作業(yè)方案，自動計算土方量，防止動土作業(yè)破壞地下設(shè)施，確保動土作業(yè)安全高效開展。

3.3 檢修材料統(tǒng)計和工程量計算

成本控制是石化企業(yè)的核心工作內(nèi)容，其中之一就是檢維修過程中的費(fèi)用控制。在傳統(tǒng)的費(fèi)用估算過程中，往往因為數(shù)據(jù)信息的不準(zhǔn)確以及統(tǒng)計不全面，導(dǎo)致在計算過程中層層放大，從而導(dǎo)致統(tǒng)計的結(jié)果與實(shí)際有20%-50%不等的誤差。

基于工程級三維模型，數(shù)字化工廠基礎(chǔ)平臺提供準(zhǔn)確的檢修材料統(tǒng)計、防腐保溫工程量計算和腳手架工程量計算工具，高效準(zhǔn)確，能有效控制成本。

3.4 腐蝕數(shù)據(jù)中心

傳統(tǒng)的腐蝕管理系統(tǒng)，腐蝕監(jiān)測位置通過大量的單線圖進(jìn)行標(biāo)識，在單線圖上僅能標(biāo)識一個監(jiān)測位置，而對于一個位置的四個測厚點(diǎn)，則通過后附說明進(jìn)行描述，靜設(shè)備管理人員難以據(jù)此直觀了解裝置腐蝕的分布情況，進(jìn)而分析腐蝕規(guī)律。

利用裝置工程級三維模型，標(biāo)識腐蝕監(jiān)測點(diǎn)，集成腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)腐蝕速率或壁厚減薄率以不同的顏色展示，靜設(shè)備管理人員可在三維場景中直觀查看腐蝕檢測點(diǎn)的準(zhǔn)確空間位置，查詢其基本信息、檢測結(jié)果和趨勢圖，分析隨空間位置變化的腐蝕規(guī)律，以更科學(xué)高效地開展腐蝕管理工作。

主要參考文獻(xiàn)

[1]工業(yè)和信息化部原材料工業(yè)司.原材料工業(yè)兩化深度融合推進(jìn)計劃（2015-2018年）[Z].2015.endprint