三維數(shù)字化技術在數(shù)字化工廠的應用

黃靖麗

[摘 要] 利用三維數(shù)字化技術，建設數(shù)字化工廠是響應國家兩化融合政策的重要抓手。《原材料工業(yè)兩化深度融合推進計劃（2015-2018年）》提出：石化行業(yè)重點發(fā)展煉化關鍵主裝置及工廠的三維數(shù)字化技術與模擬仿真、優(yōu)化控制和調度計劃技術等，對工廠生產全流程實現(xiàn)安全可視化管理和控制。在工程建設方面，重點發(fā)展協(xié)同一體化技術，建立工程數(shù)字化交付標準體系，實現(xiàn)工程數(shù)字化設計和交付的標準化管理。

數(shù)字化工廠已成為當前國內外石化企業(yè)信息化建設的主流趨勢。建設數(shù)字化工廠是企業(yè)提高運維管理水平的客觀需要。通過建設數(shù)字化工廠，可實現(xiàn)生產運營的數(shù)字化、模型化、可視化、集成化，從而提高企業(yè)勞動生產率、安全運行能力、應急響應能力、風險防范能力和科學決策能力。

[關鍵詞] 三維數(shù)字化技術；數(shù)字化重建；三維建模；智能業(yè)務

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 01. 023

[中圖分類號] F270.7；TP391.7 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2018）01- 0055- 03

0 引 言

一個物理的工廠，必定有一個數(shù)字的工廠和它對應。物理工廠是企業(yè)的資產，數(shù)字工廠也是企業(yè)的資產。數(shù)字化工廠，即利用三維數(shù)字化技術，在計算機中構建一個物理工廠完整、精細、可維護的虛擬鏡像。

數(shù)字化工廠解決方案，由數(shù)字化重建、數(shù)字化工廠基礎平臺、智能業(yè)務應用組成。生產裝置的數(shù)字化是建設數(shù)字工廠的基礎，數(shù)字化重建，即利用專業(yè)的三維工程設計軟件，輔以三維激光掃描，構建裝置工程級三維模型，實現(xiàn)裝置的三維數(shù)字化。數(shù)字工廠基礎平臺是數(shù)字工廠的核心，用以管理數(shù)字化重建的數(shù)據(jù)，支撐智能業(yè)務應用。智能業(yè)務應用是數(shù)字工廠價值實現(xiàn)的途徑，利用數(shù)字工廠完整、精細的工程信息和簡單、易用三維人機交互，針對困擾工廠運行管理的業(yè)務問題，提供高效、便捷的智能化工具。

1 數(shù)字化重建

1.1 數(shù)字化重建技術路線

采用專業(yè)的三維工程設計軟件，構建裝置工程級三維模型，并采用三維激光掃描獲取現(xiàn)場點云數(shù)據(jù)進行校驗，確保其與現(xiàn)場的一致性。在此過程中，對圖紙資料進行重整，發(fā)現(xiàn)資產信息異常。該技術路線相較于傳統(tǒng)的3DMAX三維建模，成本低、效率高，其構建的工程級三維模型不僅可準確表達裝置設備設施的外形和空間位置，還包含工程屬性和拓撲連接關系，粒度可到達零部件級別，可實現(xiàn)石化裝置等密集資產的三維數(shù)字化，有效支撐設備管理三維應用，是石化行業(yè)三維數(shù)字化建設的主流趨勢。并以工程級三維模型為基礎，部署數(shù)字化工廠基礎平臺和智能業(yè)務應用。

1.1.1 工程級三維建模

依據(jù)設備、結構、管道、電氣等專業(yè)的圖紙資料，采用專業(yè)的三維工程設計軟件，構建工程級三維模型。建模流程如下：

（1）收集圖紙資料。收集、整理項目相關設計、施工及改造圖紙資料。

（2）建立數(shù)據(jù)庫。建立三維模型設備外形庫、鋼結構庫、管道等級庫、管道元件等級庫。

（3）建立三維模型。采用三維工程設計軟件，建立具有設備外形、結構、管道、電氣等的三維模型。

1.1.2 三維激光掃描

采用三維激光掃描儀對現(xiàn)場進行三維激光掃描，獲取精準的空間坐標信息及現(xiàn)場照片，對三維工程設計軟件建立三維模型進行校驗，確保三維模型的準確性。三維激光掃描流程如下：

（1）現(xiàn)場勘查。項目開始前，需要對采集數(shù)據(jù)地點進行踏勘，對其周圍的地理環(huán)境，天氣因素、人為影響做一個系統(tǒng)的了解，做好計劃，防止采集數(shù)據(jù)發(fā)生的意外，同時規(guī)劃掃描路線、精度及時間。

（2）布站掃描。三維激光掃描布站以“全覆蓋，重點抓”的原則進行合理布站，根據(jù)工廠的實際情況進行布站。“全覆蓋”指的是所需建模區(qū)域全部掃描，此部分可輔助正向建模自主校核。“重點抓”是指對于管線密集區(qū)，管線走向變更，管線儀表區(qū)進行重點高精度掃描，以確保360°無死角。

（3）數(shù)據(jù)處理。三維激光掃描完成后，檢查數(shù)據(jù)一致性，分區(qū)拼合點云數(shù)據(jù)，與采用工程設計軟件構建的三維模型進行比對校核。

1.1.3 智能繪制

利用專業(yè)的智能繪制軟件，繪制工藝流程圖，實現(xiàn)工藝信息的數(shù)字化。工藝流程圖中元件與三維模型均具有對應關系，可與三維模型進行一致性檢查及二三維跳轉。其繪圖流程如下：創(chuàng)建項目圖形庫、管線庫并繪制工藝流程圖。工藝流程圖繪制流程如下：

（1）創(chuàng)建管線庫。管線庫中包含管線的介質，設計/操作壓力，設計/操作溫度，管道等級，起點終點，保溫類型等工藝屬性。

（2）創(chuàng)建圖形庫。繪制各設備、儀表等的標準圖符，并設置其類型、位號、名稱、壓力等級等屬性。

（3）繪制工藝流程圖。從圖形庫和管線庫中選取圖形文件或者管線號，繪制工藝流程圖。

2 數(shù)字化工廠基礎平臺

數(shù)字工廠基礎平臺（以下簡稱平臺）是整個數(shù)字化工廠解決方案的核心。首先，平臺是數(shù)字工廠模型的載體，接收、存儲、管理來自數(shù)字化重建的三維模型。其次，平臺以三維模型來組織信息，以三維可視化作為主要的展示方式和交互手段快捷、準確掌握工廠信息。然后，平臺提供多種集成第三方系統(tǒng)的手段，有效避免信息孤島。最后，平臺是一個應用程序的開發(fā)框架，通過二次開發(fā)接口支撐應用開發(fā)，快速產生業(yè)務價值。

平臺自下而上分為：數(shù)據(jù)層，操作層，UI組件層，應用功能層。其中，數(shù)據(jù)層、操作層和UI組件層作為平臺支撐應用的二次開發(fā)框架；應用功能層提供了信息組織、展示、獲取、利用的一系列基礎功能；此外，平臺包含了豐富的與第三方系統(tǒng)連接的集成接口。

2.1 數(shù)據(jù)層

平臺中存儲多種數(shù)據(jù)，包括三維設施、三維地形、智能圖檔、普通圖檔、點云和樹形分類結構。endprint

2.2 操作層

操作層提供對數(shù)據(jù)操作的開發(fā)接口，包含三維模型操作、圖檔操作、幾何操作、編號操作等。

2.3 UI 組件層

平臺提供UI組件供開發(fā)人員進行UI相關的二次開發(fā)；UI組件層包括三維瀏覽組件、文檔預覽組件、信息檢索組件、智能圖檔瀏覽組件。

2.4 集成接口

平臺數(shù)據(jù)集成接口可以通過OPC、ODS、ESB等標準接口，也可以通過定制開發(fā)與實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、EM系統(tǒng)等進行集成；并提供多種形式的接口，為后續(xù)的系統(tǒng)開發(fā)和集成提供良好的支持。

3 智能業(yè)務應用

3.1 可視化門戶

通過數(shù)字工廠基礎平臺集成生產運行數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控畫面數(shù)據(jù)等，以三維數(shù)字化技術為基礎，打造可視化的信息管理門戶，降低信息獲取和使用門檻，輔助培訓和應急管理，支撐物理制造空間與信息空間的無縫對接，實現(xiàn)工廠全生命周期信息的所見及所得。

3.1.1 設備運行監(jiān)測

通過與DCS系統(tǒng)、大機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、機泵群監(jiān)測系統(tǒng)、加熱爐監(jiān)測系統(tǒng)或實時數(shù)據(jù)庫的集成，基于三維場景和工藝流程圖，實時監(jiān)測流量、壓力、溫度等生產運行數(shù)據(jù)以及震動、位移等設備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，查看數(shù)據(jù)歷史曲線，調取監(jiān)控視頻，并利用設備三維模型快速獲取設備工程信息和隨機資料，綜合分析設備運行狀態(tài)和運行參數(shù)趨勢，確保設備安全運行。

3.1.2 HSE風險管控

在三維場景中直觀展示環(huán)保監(jiān)測點的空間位置，查看監(jiān)測環(huán)保監(jiān)測點數(shù)據(jù)。在三維場景清晰直觀地查看危險源的空間分布，查詢危險源屬性、產生風險的性質和級別，便捷高效地對危險源進行管理。通過集成視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在三維場景中可準確獲知監(jiān)控設備的空間位置，快速調取監(jiān)控視頻畫面，監(jiān)控裝置現(xiàn)場狀況。

3.1.3 輔助應急管理

在三維場景中開展爆炸事故、火災事故、泄漏事故等的模擬和分析，模擬預測事故發(fā)展態(tài)勢，便于事故發(fā)生時快速準確決策，為指揮救援、現(xiàn)場控制及事故原因調查提供指導，提高災害事故的現(xiàn)場處理水平。同時，工廠管理人員可以在三維場景中快速直觀查詢廠區(qū)應急資源分布及具體信息，輔助應急響應與決策，提高緊急情況下信息獲取效率，提高應急救援的準確性和有效性，提高企業(yè)應急管理水平。

3.1.4 輔助培訓

傳統(tǒng)的工藝流程培訓，工廠運維人員通過紙質或電子工藝流程圖學習裝置工藝原理，通過裝置現(xiàn)場“跑流程”的方式熟悉裝置空間布置，費時費力、效率低下，且存在安全隱患。在可視化門戶中，工廠運維人員可通過智能P&ID學習裝置工藝流程，通過智能P&ID與三維模型的關聯(lián)性，快速定位智能P&ID中設備的三維模型，進一步了解該設備的空間位置、工程信息，查看與該設備三維模型關聯(lián)的設備圖紙、隨機資料，可大幅提高培訓效率和效果。

3.2 檢修方案模擬

基于三維場景，進行施工方案模擬，使施工方案編制從傳統(tǒng)的現(xiàn)場勘測、查看圖紙的低效率工作模式中解放出來，并為業(yè)主對施工方案的審核提供可視化的依據(jù)。

3.2.1 吊裝方案模擬

施工單位人員在三維場景中選擇待吊裝設備和吊車型號，設置吊車位置，進行吊臂伸縮、升降、轉臂等操作和碰撞檢查，確定最佳吊裝過程以及需要拆除的設備、設施，并形成可視化效果。設備員在系統(tǒng)中查看吊裝方案文字說明和可視化效果，對吊裝方案進行查看。設備員可以在可視化效果的基礎上，模擬設備吊裝過程，查看吊裝作業(yè)周圍的設備、設施，并進行碰撞檢查，對吊裝方案的合理性進行驗證。

3.2.2 動土作業(yè)模擬

在區(qū)域動土作業(yè)時，施工方由于不清楚地下設施空間信息，開挖審批手續(xù)辦理不全，造成動土作業(yè)損壞地下設施。

通過對地下管道、系統(tǒng)電纜等地下設施的勘探，構建地下設施三維模型，在三維場景中，通過地面透明直觀查看地下設施的空間分布情況，查詢其工程屬性和管理單位，模擬基坑、管溝等動土作業(yè)方案，自動計算土方量，防止動土作業(yè)破壞地下設施，確保動土作業(yè)安全高效開展。

3.3 檢修材料統(tǒng)計和工程量計算

成本控制是石化企業(yè)的核心工作內容，其中之一就是檢維修過程中的費用控制。在傳統(tǒng)的費用估算過程中，往往因為數(shù)據(jù)信息的不準確以及統(tǒng)計不全面，導致在計算過程中層層放大，從而導致統(tǒng)計的結果與實際有20%-50%不等的誤差。

基于工程級三維模型，數(shù)字化工廠基礎平臺提供準確的檢修材料統(tǒng)計、防腐保溫工程量計算和腳手架工程量計算工具，高效準確，能有效控制成本。

3.4 腐蝕數(shù)據(jù)中心

傳統(tǒng)的腐蝕管理系統(tǒng)，腐蝕監(jiān)測位置通過大量的單線圖進行標識，在單線圖上僅能標識一個監(jiān)測位置，而對于一個位置的四個測厚點，則通過后附說明進行描述，靜設備管理人員難以據(jù)此直觀了解裝置腐蝕的分布情況，進而分析腐蝕規(guī)律。

利用裝置工程級三維模型，標識腐蝕監(jiān)測點，集成腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)腐蝕速率或壁厚減薄率以不同的顏色展示，靜設備管理人員可在三維場景中直觀查看腐蝕檢測點的準確空間位置，查詢其基本信息、檢測結果和趨勢圖，分析隨空間位置變化的腐蝕規(guī)律，以更科學高效地開展腐蝕管理工作。

主要參考文獻

[1]工業(yè)和信息化部原材料工業(yè)司.原材料工業(yè)兩化深度融合推進計劃（2015-2018年）[Z].2015.endprint