基于Web的工藝三維實時仿真實現(xiàn)方法

云 震 溫錦彬

（1.中海石油（中國）有限公司海南分公司工程建設(shè)中心，?？?570100；2.中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司南海工程分公司，湛江 524057）

由于海上油氣田的位置、空間大小的特殊性質(zhì)，相關(guān)設(shè)施的生產(chǎn)工藝流程比較復雜。高效且逼真的工藝流程三維實時仿真模擬，對于設(shè)計、生產(chǎn)、運維等不同應用人員可以起到很大的幫助。以往二維方式的展示無法實現(xiàn)工藝流程深入了解、癥結(jié)分析以及經(jīng)驗總結(jié)等方面的直觀效果，可通過研究圖數(shù)據(jù)庫的相關(guān)技術(shù)并實現(xiàn)應用來提升工藝三維實時仿真的展示效果[1]。

1 研究背景

三維仿真研究是現(xiàn)今技術(shù)領(lǐng)域的一個熱點，如產(chǎn)品展示、虛擬模擬以及軟件開發(fā)等，可以極大地提高應用效果[2]。如何選擇圖數(shù)據(jù)庫技術(shù)，顯得尤為重要。Neo4j技術(shù)對圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）渲染的支持不太到位，因此可以考慮采用圖形語言傳輸格式（graphics language Transmission Format，glTF）技術(shù)作為替換方案。glTF這種跨平臺格式已成為Web上的3D對象標準格式，是由OpenGL和Vulkan背后的3D圖形標準組織Khronos所定義的，基本上已成為3D模型的JPG格式——Web導出的通用標準[3]。glTF能為3D內(nèi)容工具和服務(wù)定義一種可擴展的通用發(fā)布格式，簡化了創(chuàng)作工作流程，并可以在整個行業(yè)中互操作使用內(nèi)容[4-5]。

基于三維可視化引擎，結(jié)合組態(tài)工藝實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、工藝流程數(shù)據(jù)，形成一套完整的工藝流程三維實時可視化仿真模塊，以動態(tài)形式展示物流在整個工藝系統(tǒng)中的流向信息和基礎(chǔ)信息，并用不同的顏色區(qū)分物流介質(zhì)。通過3D可視化動畫和虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）模擬還原技術(shù)，將生產(chǎn)工藝流程三維可視化還原，搭配動態(tài)效果，獲取更清晰直觀的信息的同時，享受視覺體驗。借助工藝流程三維實時可視化仿真技術(shù)進行工藝驗證，可優(yōu)化化工生產(chǎn)質(zhì)量，為企業(yè)節(jié)能降耗。工藝三維實時可視化仿真技術(shù)路線包括工藝仿真數(shù)據(jù)模型研究、工藝仿真數(shù)據(jù)存儲技術(shù)研究、瀏覽器/服務(wù)器（Browser/Server，B/S）高性能仿真渲染技術(shù)研究以及工藝仿真處理工具研究等。

2 仿真數(shù)據(jù)模型研究

工藝流程三維實時仿真數(shù)據(jù)除了包括3D模型數(shù)據(jù)外，還疊加了時間維度和業(yè)務(wù)維度（生產(chǎn)工藝）數(shù)據(jù)。如何將這些數(shù)據(jù)融合形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，是實時仿真空間和可視化表達的關(guān)鍵技術(shù)之一。本研究旨在定義一種新的仿真數(shù)據(jù)模型，承載實時仿真所需的5D數(shù)據(jù)要素，且支持流式數(shù)據(jù)傳輸，滿足B/S模式下高效加載和渲染的需求。圖1從左向右分別代表了數(shù)據(jù)模型從原始3D數(shù)據(jù)模型向5D數(shù)據(jù)模型的演化。模型融合如圖2所示。

2.1 工程布置模型

圖2中位于最左側(cè)的圖形是在工程設(shè)計階段工藝設(shè)計后，通過工程布置設(shè)計形成工程模型，是物體精確的空間數(shù)學表達。它的數(shù)據(jù)要素包括唯一編碼、幾何尺寸、位置、旋轉(zhuǎn)、縮放及顏色，與工藝系統(tǒng)并無直接聯(lián)系。

2.2 輕量化三維模型

圖2中位于中間的圖形是數(shù)字三維引擎所采用的輕量化模型源自工程模型，用于可視化表達的近似三角網(wǎng)格。它的數(shù)據(jù)要素為編碼、頂點、邊、三角網(wǎng)格、法向量、紋理坐標以及材質(zhì)等。

2.3 融合模型

圖2中位于右側(cè)的圖形表示了工藝仿真數(shù)據(jù)源的融合。5D仿真數(shù)據(jù)模型以三維數(shù)據(jù)為核心，將時序數(shù)據(jù)（實時監(jiān)測）和工藝信息與頂點、法向量、紋理等空間要素融合綁定，形成5D數(shù)據(jù)模型。

建立仿真數(shù)據(jù)模型的前提是從語義描述、空間位置、幾何形態(tài)、演化過程、復雜關(guān)系以及屬性特征來定義多模態(tài)場景數(shù)據(jù)實體，進而構(gòu)建由時序圖、場景圖以及空間圖組成的仿真數(shù)據(jù)模型。

3 工藝仿真數(shù)據(jù)存儲技術(shù)研究

仿真數(shù)據(jù)基于圖構(gòu)建，包括時序圖、場景圖和空間圖。基于圖的特性，存儲主要由實體和邊（關(guān)系）構(gòu)成。其中，實體存儲的內(nèi)容在多模態(tài)場景數(shù)據(jù)實體中已經(jīng)定義，即依據(jù)不同的圖的特性，采用不同的數(shù)據(jù)存儲來滿足持久化需求。

當前，最流行的在線圖數(shù)據(jù)存儲庫為Neo4j，可以支持數(shù)以百億計的節(jié)點和邊的存儲、檢索，完全能夠滿足在構(gòu)時序圖和場景圖的存儲和構(gòu)建。但是，對于空間圖而言，單個圖的頂點和邊少則千萬，多則數(shù)百億。在GPU渲染過程中，一次性存取數(shù)千萬實體和邊要求達到毫秒級，Neo4j無法滿足要求。因此，空間圖的存儲需要更加貼近渲染端。本技術(shù)研究采用對GPU更加友好的glTF格式作為存儲載體。

3.1 基于圖數(shù)據(jù)庫的存儲

通過Neo4j存儲時序圖和場景圖，涉及語義描述、演化過程、復雜關(guān)系以及屬性特征4方面的數(shù)據(jù)。圖3為Neo4j的存儲邏輯。其中：Node為數(shù)據(jù)實體；Label可定義標簽，用于語義描述；edge用于表述復雜關(guān)系；Node和edge都支持屬性特征的描述。

基于以上存儲邏輯，定義工藝仿真中若干實體的數(shù)據(jù)存儲。圖4為簡單的示例，表示管道、儀表、分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）對象以及報警對象等典型數(shù)據(jù)實體和關(guān)系的存儲。

3.2 基于glTF的3D數(shù)據(jù)存儲

通過glTF存儲空間圖，涉及空間位置、幾何形態(tài)和圖形關(guān)系。glTF允許在不同的層級自定義擴展，而不會影響格式本身的圖形渲染性能。通過擴展，可以實現(xiàn)空間圖向時序圖、場景圖的映射。同時，Neo4j中只需要存儲資產(chǎn)對象級別的引用，其實體圖形存儲在glTF中。

如圖5所示，橢圓節(jié)點是glTF數(shù)據(jù)模型中的規(guī)范節(jié)點。通過將時序數(shù)據(jù)、流向數(shù)據(jù)與頂點數(shù)據(jù)綁定，并使用glTF擴展規(guī)范將工藝對象身份標識號（Identity Document，ID）（設(shè)備、儀表、管線）、壓力、流速以及介質(zhì)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)映射到mesh、material，確保工藝對象ID與Neo4j中的ID一致，形成互為引用的指針，完成Neo4j與glTF兩種數(shù)據(jù)存儲模式的融合。

4 B/S高性能仿真渲染技術(shù)研究

針對智能油田所采用的典型B/S架構(gòu)下的渲染場景，研究基于Web瀏覽器端高性能實時渲染技術(shù)，與智能油田生產(chǎn)管理模塊、設(shè)備管理模塊以及虛擬巡檢模塊相結(jié)合，全面實施生產(chǎn)智能仿真和優(yōu)化，挖掘數(shù)據(jù)價值，為生產(chǎn)提供服務(wù)。WebGL在主流瀏覽器被廣泛支持，通過頂點著色器（Vetex Shader）和片元著色器（Fragment Shader）編程，將時間和業(yè)務(wù)視圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實時三維可視化表達。

通過在渲染管線頂點著色器和片元著色器階段的Shader編程實現(xiàn)工藝仿真模擬，以下采用偽代碼描述其基本實現(xiàn)原理，具體方法如下：

（1）需要先定義uniform和varying，用于控制時序變化和顏色特征；

（2）在頂點著色器中獲取與頂點綁定的時序數(shù)據(jù)并進行線性插值，為片元著色器渲染做準備；

（3）在片元著色器中，比較uniform u_time與仿真模型中的realtime數(shù)值，設(shè)置材質(zhì)透明度，模擬介質(zhì)流動。

5 結(jié)語

通過5D仿真數(shù)據(jù)的時空索引算法，為大型工藝系統(tǒng)建立多維度圖結(jié)構(gòu)——時間子圖、空間子圖和場景數(shù)據(jù)子圖，為前端5D仿真渲染按需提供流式圖數(shù)據(jù)，提升前端渲染和性能。利用Web端中立開放的模型格式glTF對Web和GPU友好，被大多數(shù)主流三維引擎采用，兼顧性能，且具有很強的數(shù)據(jù)擴展能力。