基于HTML5/WebGL的火電站智能風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控3D可視化技術(shù)應(yīng)用

河南中科諾維科技有限公司 于 萍

基于科學(xué)計(jì)算可視化技術(shù)對(duì)整個(gè)發(fā)電站利用相關(guān)的三維坐標(biāo)信息進(jìn)行可視化3D 建模，對(duì)發(fā)電廠進(jìn)行智能風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控管理，就可直觀、實(shí)時(shí)的掌控設(shè)備及人員工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備信息、人員基本信息、人員位置信息、生產(chǎn)作業(yè)信息全面融合。

鑒于火電站的復(fù)雜性，采用傳統(tǒng)BIM 系統(tǒng)建模會(huì)使數(shù)據(jù)非常龐大臃腫，將導(dǎo)致三維模型不易展示?；贐/S（瀏覽器/服務(wù)器）結(jié)構(gòu)的Web 應(yīng)用程序只需在服務(wù)器端進(jìn)行安裝和配置，用戶即可隨處使用瀏覽器訪問，部署和維護(hù)方便、易于擴(kuò)展。隨著Web2.0的到來和HTML5標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)，Rich Internet Application（簡(jiǎn)稱RIA）應(yīng)用而生，它具有高度的交互性和豐富的用戶體驗(yàn)特性，同時(shí)它的部署成本低，交互多媒體通信實(shí)時(shí)快捷[1]。由于B/S 模式的優(yōu)勢(shì)特性及Web 的新技術(shù)涌現(xiàn)，將Web 技術(shù)引入發(fā)電廠的管理中，將提升發(fā)電廠管理的技術(shù)水平。將HTML5標(biāo)準(zhǔn)和WebGL 技術(shù)應(yīng)用于虛擬化電廠的建設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)快速建模，運(yùn)行時(shí)輕量化到甚至手機(jī)終端瀏覽器即可實(shí)現(xiàn)3D 可視化運(yùn)維的良好效果。

1 基于HTML5/WebGL 的3D 可視化技術(shù)概述

HTML5是構(gòu)建Web 內(nèi)容的一種語(yǔ)言描述方式，它由不同的技術(shù)構(gòu)成，可提供很多標(biāo)準(zhǔn)來增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，可開發(fā)實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)。通過自有的存儲(chǔ)方式，允許在客戶端實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，減少數(shù)據(jù)在服務(wù)器和瀏覽器之間傳輸。HTML5的canvas元素可實(shí)現(xiàn)畫布功能，通過使用JavaScript 腳本語(yǔ)言結(jié)合自帶的API 在網(wǎng)頁(yè)上繪圖。同時(shí)HTML5的canvas 元素使瀏覽器無(wú)需插件就可直接顯示圖形或動(dòng)畫圖像[2]。總之，HTML5具有開放和跨平臺(tái)特性，支持三維圖形、動(dòng)畫、視頻等內(nèi)容，它更適合于開發(fā)RIA 程序，極大地提高用戶的體驗(yàn)。

Web3D（網(wǎng)頁(yè)三維圖形技術(shù)）是基于Web 交互技術(shù)和三維繪制技術(shù)建成三維虛擬場(chǎng)景，真實(shí)的模擬人在自然環(huán)境的視、聽、動(dòng)等行為的人機(jī)界面技術(shù)[3]。WebGL 是一種新型的基于HTML5標(biāo)準(zhǔn)的Web3D，它不需要依賴插件就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)渲染，而且可以借助底層的硬件來加速渲染，以上是通過標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一的、跨平臺(tái)的Open GL 接口實(shí)現(xiàn)的。WebGL 是一種更為先進(jìn)、高效的網(wǎng)頁(yè)三維圖形技術(shù)，它使用JavaScript 腳本語(yǔ)言在HTML5的畫布（canvas）元素上繪制圖形，該技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單容易使用，而且具有跨平臺(tái)的特性，可適應(yīng)火電企業(yè)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境條件。

基于HTML5/WebGL 技術(shù)的三維網(wǎng)絡(luò)客戶端兼容性非常好，操作亦簡(jiǎn)單，用戶很容易快速上手，而且會(huì)有優(yōu)質(zhì)體驗(yàn)。它不受時(shí)間和空間限制，用戶可以在PC、筆記本、平板及手機(jī)等設(shè)備終端，打開任何支持WebGL 的瀏覽器，輸入網(wǎng)址即可顯示三維場(chǎng)景。

結(jié)合發(fā)電廠實(shí)際情況，利用HTML5/WebGL技術(shù)設(shè)計(jì)一種基于Web 的火電站智能風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控3D可視化系統(tǒng)。系統(tǒng)以電廠三維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)快速建模、運(yùn)行時(shí)輕量化、全景感知和靈活高效集成。

2 應(yīng)用實(shí)例

某2×350MW 火電廠通過HTML5/WebGL 技術(shù)建立了三維可視化管控平臺(tái)，并將此平臺(tái)與智能風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控系統(tǒng)和定位系統(tǒng)以及MIS、SIS 和門禁監(jiān)控等系統(tǒng)集成，從而解決了發(fā)電企業(yè)智能安全管控難題，采用“物理分布、邏輯統(tǒng)一”的全新架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電企業(yè)的全景可觀、全局可控、多維協(xié)調(diào)和智能安全管控，發(fā)生不安全事件后秒級(jí)內(nèi)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)響應(yīng)。

2.1 全廠三維建模

對(duì)于電廠外部模型，采用無(wú)人機(jī)航拍生成實(shí)景三維模型，再基于實(shí)景三維模型進(jìn)行精細(xì)化建模。電廠內(nèi)部設(shè)備密集、遮擋較多，采用具有自動(dòng)拼接功能的三維掃描儀及配套軟件，自動(dòng)生成完整點(diǎn)云來高精度還原廠房、設(shè)備等的三維數(shù)字化模型。對(duì)于廠房框架、工藝結(jié)構(gòu)和管道布置等信息可采取數(shù)字化移交與人工建模的方式，通過數(shù)字化移交平臺(tái)將設(shè)計(jì)院移交數(shù)字模型（如AVEVA PDMS、Revit）轉(zhuǎn)換成可供軟件平臺(tái)直接使用的三維模型資源進(jìn)行與數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)模塊的聯(lián)動(dòng)和集成。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)操作不便或無(wú)法精確建模的部分，采用根據(jù)CAD 圖紙逆向建模的方式進(jìn)行數(shù)字化模型制作。

2.2 三維可視化管控平臺(tái)建立

基于系統(tǒng)構(gòu)架，利用激光掃描和圖紙，通過逆向工程技術(shù)得到實(shí)體模型，并使其結(jié)合靜態(tài)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和用戶管理數(shù)據(jù)一起成為業(yè)務(wù)支撐數(shù)據(jù)的一部分，使用HTML5/WebGL 技術(shù)得到分層的場(chǎng)景。通過三維互動(dòng)和數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)業(yè)務(wù)應(yīng)用，具體的技術(shù)路線圖如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線圖

2.3 三維可視化管控系統(tǒng)功能

三維可視化管控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能：3D 場(chǎng)景基本功能、設(shè)備信息展示、實(shí)時(shí)定位、實(shí)時(shí)告警、電子圍欄、軌跡回放、歷史記錄、標(biāo)簽管理等。

3D 場(chǎng)景觀察?？蓪?shí)現(xiàn)虛擬電廠實(shí)時(shí)展示。實(shí)現(xiàn)在三維場(chǎng)景的選擇、漫游、放大、縮小等鼠標(biāo)操作功能，使操作人員輕松實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景操作。設(shè)備信息展示。在三維場(chǎng)景中可以進(jìn)行距離的測(cè)量，方便設(shè)施、設(shè)備、管道之間距離的量算。可查看設(shè)施、設(shè)備、管道等對(duì)象的坐標(biāo)、屬性等數(shù)據(jù)。操作人員可在場(chǎng)景選擇管線或設(shè)備，查看管線和設(shè)備對(duì)應(yīng)的屬性信息。在三維中可查看選中的管線、設(shè)備對(duì)應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)、圖片、電子建設(shè)圖紙等，使模型與數(shù)據(jù)綜合展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)管線、設(shè)備信息的可視化管理操作。此系統(tǒng)與SIS 系統(tǒng)集成，在三維模塊中可展現(xiàn)各設(shè)備及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

人員實(shí)時(shí)定位。系統(tǒng)與高精度定位系統(tǒng)集成，在全廠三維場(chǎng)景中可以實(shí)時(shí)的展示人員和設(shè)備的位置，對(duì)其進(jìn)行精確定位；實(shí)時(shí)告警。系統(tǒng)與智能風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控系統(tǒng)集成，當(dāng)人員持移動(dòng)靠近某個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)予以告警，對(duì)于不可開展的工作會(huì)給予禁止提示；對(duì)不安全事件進(jìn)行提醒。在三維場(chǎng)景中高亮閃爍報(bào)警區(qū)域，并顯示報(bào)警內(nèi)容；電子圍欄。設(shè)定靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電子圍欄，實(shí)現(xiàn)區(qū)域的進(jìn)入權(quán)限管理，確保有權(quán)限人員才能進(jìn)入相關(guān)區(qū)域，無(wú)權(quán)限人員進(jìn)入則電子圍欄告警。圍欄管理、限制進(jìn)出，與生產(chǎn)管理系統(tǒng)結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。

綜上，在電力企業(yè)的經(jīng)營(yíng)發(fā)展過程中，企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益離不開安全生產(chǎn)，近年來的諸多事故說明了這一事實(shí)，發(fā)電廠采用智能風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控管理迫在眉睫。通過HTML5/WebG 技術(shù)完成整個(gè)發(fā)電廠三維建模，實(shí)現(xiàn)全景可觀。在三維場(chǎng)景下，可對(duì)全廠環(huán)境下的各種立體作業(yè)、交叉作業(yè)進(jìn)行全方位的跟蹤監(jiān)控，全覆蓋無(wú)死角，可以實(shí)時(shí)的避免工作中存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，大幅度減少人身傷亡事故，減少生命財(cái)產(chǎn)損失。