3 D可視化石化裝置安全管理系統(tǒng)的開發(fā)

業(yè) 成王雯雯于永亮夏志敏

（1.南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院 南京 210002）（2.南京金創(chuàng)有色金屬材料科技發(fā)展有限公司 南京 211162）

3 D可視化石化裝置安全管理系統(tǒng)的開發(fā)

業(yè) 成1王雯雯1于永亮1夏志敏2

（1.南京市鍋爐壓力容器檢驗研究院 南京 210002）
（2.南京金創(chuàng)有色金屬材料科技發(fā)展有限公司 南京 211162）

本文介紹了3D可視化石化裝置安全管理系統(tǒng)構(gòu)成、功能和實驗途徑，該系統(tǒng)將三維激光掃描和GIS技術(shù)運用于石化行業(yè)，通過數(shù)據(jù)處理建立石化裝置測繪級精度、全尺寸、全真實體的三維數(shù)字模型，并通過添加GIS信息和設(shè)備屬性信息，實現(xiàn)石化裝置3D可視化管理、分層管理、設(shè)備檢維修和施工改造模擬、事故影響范圍及應(yīng)急救援最佳路徑模擬、工作人員仿真培訓(xùn)等安全管理模塊，為石化企業(yè)設(shè)備管理提供了新的技術(shù)平臺。

石化裝置 安全管理 三維激光掃描 3D可視化 分層管理 仿真培訓(xùn)

1 石化裝置管理現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的石化裝置管理大多采用圖紙加賬簿的方式，即采用抽象的文本數(shù)據(jù)表示設(shè)備的各種屬性，使用二維表格展現(xiàn)數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系，利用視圖體現(xiàn)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。但隨著現(xiàn)代化大生產(chǎn)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，石化企業(yè)的規(guī)模不斷擴大，各種裝置和系統(tǒng)正朝著大型化、連續(xù)化、復(fù)雜化、精密化和柔性化的方向發(fā)展[1]，傳統(tǒng)的石化裝置管理模式也逐漸暴露出它的局限性，主要表現(xiàn)為[2]：

1）采用卡片和臺賬式的手工管理方式，全部以紙張為信息載體，成冊裝訂存放，占用空間，易損壞、丟失，且不利于綜合查詢；

2）信息更新效率低，資料收集整理速度慢、周期長，且過程繁雜，從而造成檢維修不及時，設(shè)備超期未檢，疲勞運轉(zhuǎn)現(xiàn)象時有發(fā)生；

3）缺少可視化監(jiān)控手段，對整個裝置的空間位置和空間尺寸了解不夠，從而造成在裝置維修和改造的過程中由于空間位置的限制不能達(dá)到預(yù)期效果，檢維修計劃準(zhǔn)確率低，維修過剩或不足現(xiàn)象時有發(fā)生；

4）缺少狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，對設(shè)備在使用中出現(xiàn)的故障、事故、設(shè)備技術(shù)狀況等分析處理不夠快捷、準(zhǔn)確。有關(guān)維修和改造方法、費用、事故等分析手段不夠先進(jìn)。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，3DMax和Virtools等一系列3D制作軟件應(yīng)運而生。很多大型石化企業(yè)將3DMax和Virtools軟件應(yīng)用到裝置管理中，立體的展現(xiàn)裝置3D模型。但使用3DMax或Virtools軟件制作石化裝置3D模型需詳細(xì)收集裝置空間幾何尺寸，往往要深入到裝置內(nèi)部或搭建腳手架才能精確測量到每個設(shè)備的尺寸，工作量大，且很多設(shè)備由于空間位置的限制，無法人為的測量到精確的尺寸。因此僅僅采用3DMax和Virtools等軟件建立的石化裝置3D仿真模型并不能獲得精確的尺寸參數(shù)，并且數(shù)據(jù)采集工作量大[3]。本文采用三維激光掃描技術(shù)，基于TopoGis平臺空間定位，無接觸的、自動獲取設(shè)備空間尺寸，建立設(shè)備全尺寸三維真實模型，添加設(shè)備屬性信息，同時在真三維模型的基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)備安全管理功能，建立了一個3D可視化數(shù)字工廠。

2 三維激光掃描技術(shù)

三維激光掃描技術(shù)（3D Laser Scanning Technology）是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的一種快速獲取空間三維信息的全自動高精度立體掃描技術(shù)，能夠快速、大量、精確的獲取被測物體的三維信息，實現(xiàn)了從傳統(tǒng)的單點數(shù)據(jù)采集向連續(xù)的、密集型自動數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)測量技術(shù)的單點獲取方式不同，三維激光掃描儀是從水平到垂直的全自動高精度步進(jìn)式掃描測量系統(tǒng)，通過不同站點的連續(xù)掃描，可以得到完整、全面的三維空間信息[4]。每個點不僅包含空間坐標(biāo)信息（X、Y、Z），還包含激光反射強度（Itensity）信息、顏色信息（RGB）和目標(biāo)實體豐富的影像信息，為快速建立物體的三維全真、實體模型提供了一種全新的技術(shù)手段，憑借高采樣率、高分辨率、高精度、非接觸性、數(shù)值化采集等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于水利工程、古建筑修復(fù)等行業(yè)[5]。

3 系統(tǒng)構(gòu)架

本系統(tǒng)包括三維數(shù)據(jù)采集、三維模型建立和功能應(yīng)用開發(fā)三個環(huán)節(jié)，其系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架圖

3.1 三維數(shù)據(jù)采集

三維數(shù)據(jù)采集主要包括點云數(shù)據(jù)采集、圖像信息采集和地理位置信息采集。由于石化裝置龐大復(fù)雜，采用三維激光掃描儀掃描時由于儀器視角有限，一個站點只能采集有限的點云，故而需要從不同位置、不同視角進(jìn)行多次掃描，為保證后期數(shù)據(jù)拼接的準(zhǔn)確性，應(yīng)使相鄰測點掃描的影像具有一定的重疊度，一般重疊度應(yīng)保證在10%以上[6]。本系統(tǒng)使用Surphaser三維激光掃描儀對某石化裝置進(jìn)行整體和部件掃描，共設(shè)置了44個站點。同時使用高分辨率的數(shù)碼相機，對測區(qū)內(nèi)的各種管線和設(shè)備進(jìn)行多角度的拍攝，采集圖像信息。地理位置信息的采集使用華測X90雙頻GPS接收機，利用先進(jìn)的CORS系統(tǒng)，在GPS接收機上設(shè)置好坐標(biāo)系統(tǒng)，采集裝置的地理位置信息。

3.2 三維模型建立

三維模型的建立主要包括點云數(shù)據(jù)的拼接、點云抽稀、點云去噪、點云平滑、模型建立和組織等過程。本系統(tǒng)基于Leica Geosystems Cyclone 7.3軟件，同時加載和管理海量的點云數(shù)據(jù)，完成石化裝置影像數(shù)據(jù)點的三維空間量測、點云影像可視化、空間數(shù)據(jù)三維建模、紋理分析處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的功能。

3.3 功能應(yīng)用開發(fā)

本系統(tǒng)使用LOV技術(shù)（視圖優(yōu)化加載技術(shù)），在TopoGis系統(tǒng)平臺上搭建三維模型系統(tǒng)，搭建石化裝置全真3D模型，并連接SQL Server屬性數(shù)據(jù)庫，動態(tài)的添加設(shè)備的屬性信息和檢維修記錄報告，同時通過C#.net進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)了3D可視化管理、分層管理、設(shè)備檢維修和施工改造模擬、事故影響范圍及應(yīng)急救援最佳路徑模擬、員工培訓(xùn)等設(shè)備安全管理模塊。

●3.3.1 3D可視化管理

系統(tǒng)基于TopoGis平臺，利用三維激光掃描技術(shù)建立石化裝置全尺寸3D真實模型，提供多角度觀察、放大、縮小、漫游、旋轉(zhuǎn)、任意路線飛行等三維可視化效果，同時鏈接數(shù)據(jù)庫添加設(shè)備屬性，實現(xiàn)對石化企業(yè)各種裝置設(shè)備空間信息和屬性信息的GIS動態(tài)管理，使管理人員能快速查詢設(shè)備的基本屬性，如設(shè)備參數(shù)、維護保養(yǎng)記錄、檢驗報告等信息，如圖2所示，界面中所顯示模型即為該裝置的全尺寸3D真實模型，任何一臺容器、任何一根管道、任何一個閥門等都與裝置現(xiàn)場設(shè)備的尺寸、空間位置、地理坐標(biāo)完全一致。

圖2 設(shè)備基本屬性查詢

●3.3.2 分層管理

管理者可通過屬性設(shè)置將整個裝置區(qū)的對象分放在不同的圖層上，實現(xiàn)同類對象的統(tǒng)一管理，并通過開關(guān)不同的圖層，實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的保密消隱功能，如圖3所示，界面中只C1（第一層）設(shè)備，C2（第二層）、C3（第三層）設(shè)備隱藏，管理者可以在分層管理界面中快速、直觀地找到和獲取所關(guān)心的設(shè)備和信息。

圖3 分層管理

●3.3.3 設(shè)備檢維修和施工改造模擬

系統(tǒng)全尺寸的建立石化裝置模型，管理者可以精確測量任意點的坐標(biāo)、點間的水平距離、豎直距離，并計算起點和終點間的位置差，其精度可達(dá)毫米級，從而為設(shè)備的檢維修和安裝施工改造提供可靠的尺寸、數(shù)據(jù)。設(shè)備工程師可在3D模型中快速查詢管線、閥門、儀器設(shè)備的數(shù)量、尺寸、空間距離等信息，在計算機中事先完成管線、彎頭、儀器設(shè)備的模擬更換與設(shè)計，避免發(fā)生現(xiàn)場操作空間不足、施工條件無法滿足設(shè)計要求的現(xiàn)象，如圖4，圖5所示。同時，通過精確計算設(shè)備更換參數(shù)，可以為工程預(yù)決算提供精確的設(shè)備尺寸、長度等信息，避免施工單位虛報工作量。

圖4 空間測量界圖

圖5 設(shè)備施工改造模擬

●3.3.4 事故影響范圍及應(yīng)急救援最佳路徑模擬

系統(tǒng)結(jié)合事故現(xiàn)場的風(fēng)向、風(fēng)速，通過對危險介質(zhì)泄漏區(qū)域速度場、濃度場的模擬，以及爆炸沖擊波TNT當(dāng)量的換算，可以實現(xiàn)定量劃分泄漏爆炸的危險區(qū)域、危險等級以及沖擊波的破壞程度，測算影響區(qū)域和事故等級，并在GIS平臺上準(zhǔn)確顯示應(yīng)急救援最佳路徑，提出搶修搶險和人員疏散的智能決策，有效縮短搶救時間，減少損失，如圖6所示。

圖6 事故影響范圍模擬

●3.3.5 員工仿真培訓(xùn)

系統(tǒng)提供從不同角度對場景進(jìn)行漫游，全方位瀏覽模型對象的真實全景，使人獲得身臨其境的感官體驗。本系統(tǒng)開發(fā)了員工仿真培訓(xùn)模擬，真實的三維立體裝置模型可以讓受培訓(xùn)員工不到現(xiàn)場就能直觀、快捷地了解掌握裝置的工藝流程，設(shè)備的屬性參數(shù)等，從而提高培訓(xùn)的針對性和實效性，如圖7所示。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)前瞻性的將三維激光掃描技術(shù)和GIS系統(tǒng)引入石化裝置，同比例、全尺寸的建立3D真實、全景模型，并且添加設(shè)備屬性，開發(fā)了設(shè)備安全管理模塊，同時系統(tǒng)基于B/S模式，能實現(xiàn)跨區(qū)域之間的共享，讓企業(yè)管理者隨時隨地都能了解裝置的運行狀況。本系統(tǒng)適用于石化、鋼鐵、能源、電站等大型企業(yè)的設(shè)備、裝置、系統(tǒng)或整個廠區(qū)的可視化管理，但考慮到建模的工作量和成本，推薦在設(shè)備和成套裝置上使用該技術(shù)。

目前該系統(tǒng)已運用于某石化企業(yè)，投用以來運行狀態(tài)良好，基于B/S模式的多點登錄系統(tǒng)，避免資料的頻繁轉(zhuǎn)移和搬運，友好的人機交互界面和強大的功能模塊極大的簡化設(shè)備管理員的工作，為設(shè)備維修、改造開創(chuàng)新的思路，為企業(yè)管理決策提供強大的數(shù)據(jù)和圖像支撐，下一步該系統(tǒng)將進(jìn)一步根據(jù)企業(yè)需求，梳理設(shè)備、裝置管理流程，在3D可視的基礎(chǔ)上完善開發(fā)應(yīng)用軟件，擴展系統(tǒng)功能，滿足企業(yè)精細(xì)化管理要求。

1 宋植林，羅維東，徐靜，郭永耀.石化設(shè)備管理信息系統(tǒng)的開發(fā)及研究[J].中國科技信息，2006(21).

2 沈順成，唐超，余鑫.石化企業(yè)設(shè)備維修數(shù)據(jù)多視角管理[J].石油化工設(shè)備，2009(38).

3 蔡武，陳果，朱志敏，梁宇云，王靜濤.基于3DMax和Virtools的礦井虛擬仿真系統(tǒng)設(shè)計[J].煤炭工程，2011(1).

4 王瑜，劉西濤，王照星，薛勇.三維激光掃描技術(shù)在石化企業(yè)的應(yīng)用[J].測繪通報，2011(11). 5 蔡潤彬.掃描數(shù)據(jù)后處理若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].同濟大學(xué)博士論文，2008.

6 劉旭春，丁延輝.三維激光掃描技術(shù)在古建筑保護中的應(yīng)用[J].測繪工程，2006，15（1）：336～337.

Development of Petrochemical Plant 3D visualization Safety Management System

Ye Cheng1Wang Wenwen1Yu Yongliang1Xia Zhimin2
(1.Nanjing boiler and pressure vessel inspection institute Nanjing 210002)
(2. Nanjing Jin Chuang Non-ferrous metal Materials Science and Technology Development Nanjing 211162)

This paper introduces the structure, functions and realization approaches of petrochemical plant 3D visualization safety management system, which uses 3D-laser scanning and GIS technology. Mapping level accuracy, full-size and real three-dimensional digital model of petrochemical plant is built. The 3D visualization, hierarchical management, simulation of equipment inspection and construction renovation, simulation of the scope of the accident and the best path of emergency rescue, staff training and any other security management modules are realized by adding the GIS information and equipment information.

3D Laser Scanning Petrochemical Plant 3D Visualization Hierarchical management Simulation training

X937

B

1673－257X(2014)07－22－04

業(yè)成（1974～),男，高級工程師，博士研究生，從事承壓特種設(shè)備安全保障技術(shù)研究。

2014－05－20）