燃?xì)廨斉渖a(chǎn)和教育培訓(xùn)中三維可視化技術(shù)的應(yīng)用

上海天然氣管網(wǎng)有限公司 宣躍文

上海天然氣管網(wǎng)有限公司在燃?xì)廨斉鋵?shí)際工作方面常遇到諸如巡線及新進(jìn)人員對燃?xì)庠O(shè)備不熟悉、傳統(tǒng)工藝流程圖較為難辨、集中式教培難以對接生產(chǎn)實(shí)際、員工對生產(chǎn)信息不易及時(shí)掌握、設(shè)備故障解決易出現(xiàn)拖沓等問題，本文參照員工日常對信息處理、查閱的習(xí)慣，設(shè)想了這樣一個(gè)交互系統(tǒng)，通過三維可視化應(yīng)用的方式，閱覽燃?xì)夤芫W(wǎng)各站點(diǎn)設(shè)備布局、站點(diǎn)內(nèi)設(shè)備故障信息，對站點(diǎn)內(nèi)的設(shè)備及設(shè)備關(guān)鍵部位進(jìn)行標(biāo)識并同步上傳，保留并更新站點(diǎn)內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)及運(yùn)行情況，進(jìn)行人機(jī)互動的教培、模擬管路上對設(shè)備操作的先后順序等，并系統(tǒng)性的對上述問題加以改進(jìn)。

1 模型的建立

作為三維交互界面，首先要將生產(chǎn)中的場景進(jìn)行三維化數(shù)字渲染，通過交互設(shè)備進(jìn)行展示、交互操作，即對燃?xì)庹军c(diǎn)現(xiàn)場的設(shè)備建立三維化模型。設(shè)備中既包含站點(diǎn)內(nèi)與燃?xì)廨斉湎嚓P(guān)的設(shè)備，又包含這些設(shè)備附屬的、關(guān)乎輸配生產(chǎn)中需要巡檢及保養(yǎng)維護(hù)的主要零部件。通過匯總及歸類，得出所需三維建模的主要模型類別，及通過建模時(shí)進(jìn)行參數(shù)修改所得到的各個(gè)類別下的不同模型。

根據(jù)不同參數(shù)建立部件模型，如：法蘭、管道、螺栓、手輪；由不同參數(shù)的部件模型組成各設(shè)備模型，如：閥門、過濾器、調(diào)壓器、儀表；由不同設(shè)備模型組成各站點(diǎn)場景模型。

1.1 部件建模

燃?xì)廨斉渖a(chǎn)設(shè)備中需要巡檢及保養(yǎng)維護(hù)的主要零部件分別為：

(1)管道：各不同管徑的管道；(2)法蘭：各不同參數(shù)的法蘭；

(3)手動球閥：根據(jù)接入管道管徑大小來確定球閥主體、閥門手輪、閥門開關(guān)指示盤、進(jìn)出口法蘭；

(4)截止閥或節(jié)流閥：根據(jù)接入管道管徑大小來確定的閥門主體、閥門手輪、閥門開關(guān)指示盤、進(jìn)出口法蘭；

(5)旋風(fēng)過濾器：旋風(fēng)過濾器主體、灰斗主體、相關(guān)法蘭；

(6)安全閥：安全閥主體、相關(guān)法蘭；

(7)過濾器：分為快拆式過濾器和常規(guī)式過濾器，包括過濾器主體、過濾器頭部、表類連接處、相關(guān)法蘭；

(8)調(diào)壓器：分為飛奧立式調(diào)壓器與費(fèi)旭爾臥式調(diào)壓器，包括調(diào)壓器中部主體、調(diào)壓器頭部主體、調(diào)壓器指揮器主體、切斷閥主體、信號管連接部分、相關(guān)法蘭；

(9)壓力表及壓差表：分為機(jī)械式與數(shù)字式，包括表身主體、針形閥；

(10)流量計(jì)：流量計(jì)主體；

(11)排污罐：排污罐主體；

(12)氣包：氣包主體、信號管連接部分、相關(guān)小球閥。

1.2 設(shè)備建模

燃?xì)廨斉渖a(chǎn)中需要三維建模的設(shè)備分別為：

(1)進(jìn)站總閥門(包含電動閥門)；

(2)旋風(fēng)過濾器；

(3)旋風(fēng)旁通管道和旁通球閥；

(4)進(jìn)撬體主閥門；

(5)進(jìn)撬體安全閥；

(6)撬體內(nèi)各級匯管；

(7)每一路過濾器的進(jìn)出口閥門、旁通閥門、放散閥門、排污閥門、過濾器本體、機(jī)械及數(shù)字式壓力表、壓差表；

(8)每一路調(diào)壓器的進(jìn)出口閥門、旁通閥門、放散閥門、排污閥門、機(jī)械及數(shù)字式壓力表、調(diào)壓器本體；

(9)每一路流量計(jì)的進(jìn)出口閥門、旁通閥門、放散閥門；

(10)出撬體(出站)球閥、節(jié)流閥、機(jī)械及數(shù)字式壓力表；

(11)站內(nèi)的排污罐及其上面的安全閥、消音器、排污閥；

(12)一些站點(diǎn)還包含了氣包等設(shè)備。

1.3 站點(diǎn)場景建模

將燃?xì)庠O(shè)備模型批量化建立完成后，根據(jù)站點(diǎn)實(shí)際設(shè)備配備情況，進(jìn)行各個(gè)調(diào)壓站、計(jì)量站點(diǎn)、清管站點(diǎn)模型的組裝及調(diào)試布局，盡可能嚴(yán)格按照站點(diǎn)現(xiàn)場狀況進(jìn)行場景建模，并進(jìn)行站點(diǎn)和設(shè)備的歸類管理，比如：

“某A調(diào)壓站”包含這些設(shè)備：站內(nèi)各段管道、電動球閥、各個(gè)分段處的球閥、旋風(fēng)過濾器、各個(gè)設(shè)備間的放散閥門、放散管道、排污閥門、排污管道、三路過濾器、三路調(diào)壓器、三路流量計(jì)、若干機(jī)械式和電子式壓力表、壓差表等設(shè)備。

“某 B調(diào)壓站”包含了一個(gè)較早建設(shè)的撬體和一個(gè)較新建設(shè)的撬體，簡稱“新撬”、“老撬”，分別包含有：站內(nèi)各段管道、電動球閥、各個(gè)分段處的球閥、旋風(fēng)過濾器、各個(gè)設(shè)備間的放散閥門、放散管道、排污閥門、排污管道、三路過濾器、三路調(diào)壓器、兩路流量計(jì)、若干機(jī)械式和電子式壓力表、壓差表等設(shè)備。

1.4 屬性選項(xiàng)標(biāo)記

根據(jù)不同設(shè)備或不同部件的特性、運(yùn)行相關(guān)性，對每個(gè)站點(diǎn)、設(shè)備模型及零部件模型進(jìn)行屬性選項(xiàng)標(biāo)記，見圖1。屬性標(biāo)注分為以下三個(gè)部分：

(1)結(jié)構(gòu)參數(shù)屬性標(biāo)注：站點(diǎn)、設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、重要尺寸等；

(2)運(yùn)行情況屬性選項(xiàng)標(biāo)注：設(shè)備運(yùn)行是否正常；

(3)請求與反饋屬性選項(xiàng)標(biāo)注：對不同的屬性選項(xiàng)可以加上屬性變更時(shí)間。如上報(bào)維修屬性選項(xiàng)可以備注上報(bào)時(shí)間、上報(bào)人；已維修屬性選項(xiàng)可以備注維修時(shí)間、維修人等。

圖1 屬性選項(xiàng)標(biāo)記

2 交互界面

交互界面分為上報(bào)、查閱和反饋三塊，這些都可以在三維的交互場景下完成。三維交互界面設(shè)計(jì)成可應(yīng)用于移動端設(shè)備中，便于隨時(shí)查閱及使用。

部件模型建立完成后，可以打組成設(shè)備模型，設(shè)備模型再打組成場站模型。設(shè)備和場站模型都可分別設(shè)置成場景，在軟件界面中以三維的視覺形式進(jìn)行展現(xiàn)，見圖2。每一個(gè)場站(場景)或設(shè)備(場景)進(jìn)行瀏覽時(shí)可以在移動端設(shè)備上用手指進(jìn)行拖拽、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小，場景中的每一個(gè)設(shè)備模型及設(shè)備模型中的重要部件都可以進(jìn)行選取，以便進(jìn)行標(biāo)記、反饋。

圖2 站點(diǎn)場景全局

將管網(wǎng)輸配所涉及的各個(gè)站點(diǎn)，包括調(diào)壓站、計(jì)量站、清管站，分別進(jìn)行建模、打組、命名，軟件交互界面的初始提供站點(diǎn)名稱的列表和檢索，當(dāng)需要查看某個(gè)站點(diǎn)的詳細(xì)布局和站內(nèi)的設(shè)備時(shí)，就可以通過檢索站點(diǎn)名稱列表，快速找到，再點(diǎn)擊站點(diǎn)名稱，進(jìn)入站點(diǎn)三維場景交互界面，見圖3。

圖3 站點(diǎn)列表選擇、檢索交互界面

2.1 標(biāo)記并上報(bào)

為了方便對場景內(nèi)的模型進(jìn)行選擇、標(biāo)記，在軟件選擇項(xiàng)目中可以根據(jù)大小關(guān)系、內(nèi)外關(guān)系進(jìn)行快捷選項(xiàng)設(shè)置，設(shè)置選項(xiàng)依次展開，根據(jù)點(diǎn)選選項(xiàng)的內(nèi)容，在交互界面中進(jìn)行場景模型的相應(yīng)隱藏顯示與放大顯示操作。

根據(jù)設(shè)備狀況，可在三維交互界面中旋轉(zhuǎn)模型，點(diǎn)選設(shè)備模型，彈出的反饋屬性選項(xiàng)中選擇如：“上報(bào)維修”→“泄漏”→附上上報(bào)人姓名及聯(lián)系方式，見圖4。

圖4 通過設(shè)備選項(xiàng)卡查看并上報(bào)有故障的撬體內(nèi)設(shè)備部件

在三維交互界面進(jìn)行設(shè)備狀況上報(bào)后，會在上報(bào)設(shè)備所在站點(diǎn)名稱的上角進(jìn)行高亮角標(biāo)提示，紅色為一級故障報(bào)修，如燃?xì)庑孤?、設(shè)備損壞；黃色為普通故障報(bào)修，如閥門緊澀，開關(guān)較難；藍(lán)色為已經(jīng)上報(bào)過的情況，還沒有反饋或銷根處理。有上報(bào)情況發(fā)生時(shí)，會通過軟件的提醒功能，進(jìn)行廣播通知，便于通知的快速傳達(dá)，見圖5。

圖5 首頁站點(diǎn)故障提醒卡片

2.2 查閱與反饋

當(dāng)檢修人員在交互平臺進(jìn)行查閱時(shí)，會看到有上報(bào)情況的站點(diǎn)的高亮角標(biāo)提示、點(diǎn)擊站點(diǎn)名稱進(jìn)入站點(diǎn)全景概覽、通過檢查設(shè)備狀態(tài)欄或是點(diǎn)擊三維場景中的高亮標(biāo)識，場景會根據(jù)交互操作適應(yīng)性的進(jìn)行無關(guān)設(shè)備透明顯示，提高故障設(shè)備或部件的辨識度，并顯示上報(bào)設(shè)備的詳細(xì)信息如：上報(bào)人聯(lián)系方式、設(shè)備詳細(xì)位置、故障信息、維修史、螺母尺寸等，見圖6。

圖6 通過設(shè)備狀態(tài)選項(xiàng)卡進(jìn)行信息查閱

相關(guān)員工在查閱站點(diǎn)情況后，可點(diǎn)擊情況反饋選項(xiàng)卡，在彈出的反饋選項(xiàng)卡中進(jìn)行接報(bào)反饋和情況處理反饋。在站點(diǎn)有設(shè)備上報(bào)情況發(fā)生，產(chǎn)生高亮角標(biāo)提示后，如果相關(guān)員工(如檢修人員)沒有在情況反饋選項(xiàng)卡中進(jìn)行“維修完成”選項(xiàng)反饋，則站點(diǎn)名稱和場景內(nèi)的高亮角標(biāo)提示不會消失，直到反饋了“維修完成”后，站點(diǎn)名稱和場景內(nèi)的高亮角標(biāo)提示才會消失。這樣防止員工對情況反饋產(chǎn)生遺忘，并且對發(fā)生的設(shè)備故障等情況起到提醒作用。

3 數(shù)據(jù)分類及統(tǒng)計(jì)

在數(shù)據(jù)前臺顯示方面，可進(jìn)行一些匯總數(shù)據(jù)顯示，如察看站點(diǎn)場景時(shí)，如果站點(diǎn)有過設(shè)備故障的歷史，則會生成設(shè)備歷史記錄欄，在歷史記錄欄可以顯示出站點(diǎn)內(nèi)有近至遠(yuǎn)維修過哪些設(shè)備，展示為單獨(dú)的設(shè)備選項(xiàng)卡，點(diǎn)擊選項(xiàng)卡則會列舉出這個(gè)設(shè)備在什么時(shí)候、出現(xiàn)過什么問題、解決問題的時(shí)間。

4 教育培訓(xùn)應(yīng)用

三維可視化為主導(dǎo)的教育培訓(xùn)，主旨在于交互，在于直觀。它用三維視圖的方式進(jìn)行燃?xì)庠O(shè)備操作步驟的一步步解析，結(jié)合場站三維模型場景，加入相應(yīng)的模型動畫與文字解說，再進(jìn)行對交互人員操作步驟的記錄比對，即可形成一個(gè)針對一種設(shè)備操作的教培模塊。在教培模塊中可以按照順序，做出設(shè)備開關(guān)的先后動畫，并加以文字說明，每一步一個(gè)暫停，讓學(xué)員自己選擇進(jìn)行下一步或是停在某個(gè)步驟詳細(xì)學(xué)習(xí)，這樣直觀的方式可以讓學(xué)習(xí)效率提高，并易于理解。再以三維可視化的操作方式讓學(xué)員進(jìn)行模擬操作交互，并可以指出操作錯(cuò)誤或遺漏步驟，讓教培不再枯燥乏味。

5 結(jié)語

三維可視化的方式是符合人類世界認(rèn)知的，在三維可視化的基礎(chǔ)上進(jìn)行生產(chǎn)中的交互、信息傳遞，能極大提高員工對生產(chǎn)環(huán)境的宏觀認(rèn)識；三維可視化的方式整合了較為全面的信息閱覽，方便生產(chǎn)信息透明化，減少員工們的生產(chǎn)全局盲區(qū)；三維可視化的應(yīng)用在技術(shù)飛速發(fā)展的現(xiàn)在和未來，會是改變我們生產(chǎn)和生活的重要方式，也將會讓燃?xì)夤芫W(wǎng)輸配管理提升至新的臺階。