基于三維可視化技術(shù)的火電廠設(shè)備數(shù)據(jù)管理應(yīng)用與研究

臧旭東，楊元琴，奚邱炎，金瀚濛，潘曉磊，夏明煒

（1.上海華電奉賢熱電有限公司，上海 200000；2.北京必可測(cè)科技股份有限公司，北京 100000）

隨著我國(guó)發(fā)電企業(yè)改革的快速推進(jìn)和智能化建設(shè)的飛速發(fā)展，整個(gè)發(fā)電行業(yè)都聚焦在智慧電廠的技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用，企業(yè)數(shù)字資產(chǎn)的價(jià)值也越來越受到重視。火電廠在建設(shè)與生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)階段的大規(guī)模、多維度、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)層出不窮，設(shè)備信息統(tǒng)計(jì)量大、分析處理復(fù)雜程度高，人們想要更加清晰快速的認(rèn)知和理解一份數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的以卷宗、圖紙、電子文檔為載體的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模式存在效率低、表現(xiàn)方式不直觀等問題，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有設(shè)備管理及數(shù)據(jù)管理需求。所以需結(jié)合數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)渲染、空間數(shù)據(jù)可視化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)圖形可視化、場(chǎng)景化以及實(shí)時(shí)交互，通過三維虛擬現(xiàn)實(shí)讓使用者更加方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)的理解和空間知識(shí)的呈現(xiàn)。

1 三維可視化技術(shù)概述

三維可視化技術(shù)是描繪和理解模型的一種手段，是數(shù)據(jù)體的一種表征形式，并非模擬技術(shù)。它能夠利用大量數(shù)據(jù)檢查資料的連續(xù)性，辨認(rèn)資料真?zhèn)危l(fā)現(xiàn)和提出有用異常，為分析、理解及重復(fù)數(shù)據(jù)提供了有用工具，對(duì)多學(xué)科的交流協(xié)作起到橋梁作用。三維可視化作為一種有效的智能化管理和展示手段，是使用三維軟件創(chuàng)建圖形和渲染設(shè)計(jì)并呈現(xiàn)的過程，利用多源的大量數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于現(xiàn)實(shí)的三維虛擬現(xiàn)實(shí)效果，將設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)立體化地呈現(xiàn)出來，讓數(shù)據(jù)展現(xiàn)更為直觀和容易理解，開始受到發(fā)電企業(yè)的普遍關(guān)注，高度契合其信息數(shù)字化整合與管理需要。并已迅速成為信息數(shù)字化管理的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用到各行業(yè)中。

2 三維可視化技術(shù)在設(shè)備數(shù)據(jù)管理中的應(yīng)用

2.1 設(shè)備三維建模與數(shù)字資產(chǎn)系統(tǒng)

首先建立精確的與實(shí)物資產(chǎn)設(shè)備1∶1對(duì)應(yīng)的數(shù)字虛擬資產(chǎn)，通過設(shè)備外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的虛擬三維空間的建立，在可視化數(shù)據(jù)管理中和實(shí)物一一對(duì)應(yīng)，保證虛擬場(chǎng)景與實(shí)地場(chǎng)景高度匹配。無論是生產(chǎn)過程的監(jiān)視、設(shè)備的運(yùn)行和檢修、設(shè)備的技改與優(yōu)化、備品備件倉(cāng)儲(chǔ)的優(yōu)化，甚至是基建期和擴(kuò)建階段的設(shè)備選型、空間管理、數(shù)字化移交等，均需要精度滿足需求的數(shù)字化實(shí)物模型。三維建模包括設(shè)備三維建模和場(chǎng)景三維建模兩部分，最終形成統(tǒng)一的F級(jí)燃機(jī)機(jī)組數(shù)字資產(chǎn)庫(kù)，應(yīng)用于精細(xì)化的設(shè)備數(shù)據(jù)管理或其他應(yīng)用中。

設(shè)備三維建模包括燃?xì)廨啓C(jī)、燃機(jī)發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)、凝結(jié)水泵、給水泵、循環(huán)水泵、燃機(jī)主變、汽機(jī)主變、高廠變、高備變、GIS等設(shè)備的零部件級(jí)模型，實(shí)現(xiàn)以設(shè)備三維模型為載體的設(shè)備數(shù)字化信息（三維模型、工程圖紙和文件等）的可集成化和關(guān)聯(lián)性的數(shù)字資產(chǎn)庫(kù)管理，二三維圖形可與設(shè)備數(shù)據(jù)和生產(chǎn)數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，顯示主要實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)?；谖募?wù)建立三維模型文件庫(kù)，在系統(tǒng)中建立三維模型與模型場(chǎng)景對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)，場(chǎng)景管理記錄了模型文件的存儲(chǔ)路徑、模型類別、文件標(biāo)識(shí)信息，以支持模型文件的查詢與統(tǒng)計(jì)。

圖1

場(chǎng)景管理即三維組態(tài)配置，通過獲取硬件監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和匯總，按照監(jiān)測(cè)點(diǎn)和三維場(chǎng)景模型整合。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)配置、場(chǎng)景配置、設(shè)備信息等數(shù)據(jù)的配置等，以三維場(chǎng)景作為載體。場(chǎng)景編輯組件是三維數(shù)據(jù)引擎平臺(tái)的基礎(chǔ)，它可以對(duì)整個(gè)三維場(chǎng)景模型進(jìn)行深度編輯處理和優(yōu)化。包括“視角控制”“顯示配置”“燈光設(shè)置”“環(huán)境貼圖”等基礎(chǔ)配置，以及場(chǎng)景動(dòng)畫的編輯配置。

圖2

2.2 設(shè)備數(shù)字一體化系統(tǒng)

數(shù)字一體化需要將電廠所有對(duì)象的屬性信息和動(dòng)態(tài)信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，形成一個(gè)完整的數(shù)據(jù)體系，兼容并能采集各種不同框架的數(shù)據(jù)來源，匯集成統(tǒng)一展現(xiàn)模式的電廠大數(shù)據(jù)集。

2.2.1設(shè)備數(shù)字檔案

設(shè)備數(shù)字檔案滿足全面的實(shí)現(xiàn)電廠三維信息化建設(shè)，涉及從設(shè)計(jì)、建造、安裝、調(diào)試、投運(yùn)等不同階段，有設(shè)計(jì)方、建造方、設(shè)備方、業(yè)主方等多家單位參與，并在統(tǒng)一框架的指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，共享資源，避免重復(fù)建設(shè)。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與數(shù)字化檔案集成，實(shí)現(xiàn)三維模型與主要設(shè)備屬性及設(shè)備相關(guān)文檔的關(guān)聯(lián)，形成三維數(shù)字化檔案。系統(tǒng)與DCS、SIS、MIS、仿真等運(yùn)行系統(tǒng)集成，通過與上述系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和信息提取，實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)視、可視化設(shè)備資產(chǎn)管理、可視化仿真培訓(xùn)、可視化設(shè)備安裝與拆解等。數(shù)據(jù)全面涵蓋電廠結(jié)構(gòu)、屬性、設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系等各種業(yè)務(wù)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以及記錄、規(guī)范、工程圖紙、程序、報(bào)告、電子郵件、設(shè)計(jì)和許可文檔等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等。

2.2.2設(shè)備臺(tái)賬

設(shè)備臺(tái)賬及設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)是通過將生產(chǎn)設(shè)備、系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)信息全面數(shù)字化，建立動(dòng)靜態(tài)信息資料庫(kù)，進(jìn)而為智能化控制、管理決策提供全面、詳盡的信息。

2.2.2.1設(shè)備靜態(tài)信息資料庫(kù)

設(shè)備靜態(tài)信息主要包括設(shè)備廠商、設(shè)計(jì)院等提供的建設(shè)期資料，以及運(yùn)維期的設(shè)備運(yùn)行、維修、試驗(yàn)報(bào)告等資料，通過對(duì)這些資料的信息抽取和標(biāo)準(zhǔn)化處理，對(duì)電廠設(shè)備及其他對(duì)象進(jìn)行標(biāo)識(shí)、分類、屬性匯總，構(gòu)建結(jié)構(gòu)統(tǒng)一的設(shè)備靜態(tài)信息庫(kù)。

2.2.2.2設(shè)備動(dòng)態(tài)信息資料庫(kù)

設(shè)備動(dòng)態(tài)信息主要是指生產(chǎn)過程中設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)及狀態(tài)數(shù)據(jù)，如SIS、巡點(diǎn)檢、精密點(diǎn)檢等，在平臺(tái)中通過可視化方式直觀的展示三維設(shè)備信息門戶。

設(shè)備臺(tái)賬是設(shè)備的基本檔案，記錄設(shè)備固有的基本屬性。設(shè)備臺(tái)賬管理的核心是在設(shè)備編碼的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備基礎(chǔ)信息管理和設(shè)備動(dòng)態(tài)信息管理。設(shè)備基礎(chǔ)信息管理主要指設(shè)備臺(tái)賬基本信息、設(shè)備技術(shù)規(guī)范、設(shè)備相關(guān)圖檔、設(shè)備的危險(xiǎn)因素與隔離措施等靜態(tài)信息的管理；設(shè)備動(dòng)態(tài)信息管理指的是從設(shè)備的采購(gòu)到貨、安裝、更新改造、備品備件、檢修、退役等動(dòng)態(tài)信息的管理，動(dòng)態(tài)信息管理實(shí)現(xiàn)了設(shè)備全生命周期的管理和跟蹤。建立統(tǒng)一完整的設(shè)備臺(tái)賬，保存設(shè)備銘牌、地點(diǎn)、圖紙資料、規(guī)程、管理制度等信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的全廠共享。

2.2.2.3設(shè)備位置

建立設(shè)備運(yùn)行位置編碼，并建立位置之間的關(guān)系以形成整個(gè)企業(yè)級(jí)功能位置系統(tǒng)。位置的關(guān)系可以是層次結(jié)構(gòu)型，也可以是網(wǎng)絡(luò)型，網(wǎng)絡(luò)型可以用來表示一些復(fù)雜的系統(tǒng)；如電氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)等。

2.2.2.4設(shè)備分類

根據(jù)設(shè)備的自然屬性或工程專業(yè)屬性，對(duì)設(shè)備進(jìn)行類別歸納，能夠根據(jù)類別快速定位到相應(yīng)的設(shè)備記錄。

2.3 設(shè)備可視化及圖模管理系統(tǒng)

將三維模型庫(kù)、設(shè)備動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)和臺(tái)賬進(jìn)行統(tǒng)一的集成和關(guān)聯(lián)，形成一個(gè)整體性的可視化設(shè)備數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，以設(shè)備或工藝系統(tǒng)為信息門戶，提供全面的信息集成、綜合展示和操作功能。三維虛擬仿真環(huán)境中，通過人機(jī)互動(dòng)操作，可詳細(xì)查看設(shè)備的結(jié)構(gòu)、部件組成、技術(shù)參數(shù)，全方位的了解、掌握設(shè)備結(jié)構(gòu)的完整信息，并進(jìn)行設(shè)備故障診斷和處理指導(dǎo)。

系統(tǒng)包括整體結(jié)構(gòu)展示和各組成設(shè)備結(jié)構(gòu)展示。通過視角操作，全方位展示設(shè)備整體結(jié)構(gòu)。通過人機(jī)互動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)檢修場(chǎng)景全方位查看，設(shè)備部件位置、方向的即時(shí)調(diào)整等。通過移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、透明、高亮功能，詳細(xì)展示設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)。具有多種數(shù)據(jù)來源格式信息（如DWG、DGN、Word、Excel、PDF、JPG、CAD等）的兼容與無插件在線預(yù)覽；實(shí)現(xiàn)二維圖紙與三維模型的聯(lián)動(dòng)，在三維場(chǎng)景中調(diào)用查閱二維圖紙及其他設(shè)備的文檔信息，可以查看SIS、點(diǎn)巡檢、精密點(diǎn)檢和相關(guān)在線故障診斷數(shù)據(jù)（包括頻譜圖和診斷結(jié)果等）；實(shí)現(xiàn)基于設(shè)施、設(shè)備等以對(duì)象為核心的多種信息關(guān)聯(lián)性管理。

圖3

3 結(jié)語(yǔ)

三維可視化技術(shù)作為展示和表達(dá)數(shù)據(jù)的一種有效形式，對(duì)于發(fā)電企業(yè)的數(shù)據(jù)管理及智能化發(fā)展都具有極高的應(yīng)用價(jià)值。一方面在于進(jìn)行高效、高精度的渲染建模，在一個(gè)數(shù)字場(chǎng)景中還原物理世界的全要素，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)成果的展示。另一方面也要結(jié)合對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算，實(shí)現(xiàn)數(shù)字世界與物理世界的通聯(lián)，借助三維模型與實(shí)物結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)參數(shù)、屬性、狀態(tài)及業(yè)務(wù)方面的相互關(guān)聯(lián)。