虛擬現實技術在燃氣生產運營中的應用研究

張濤 齊曉琳 李彥爽 尤勇 潘杰

一、前言

虛擬現實技術（VR， Virtual Reality），是指利用電腦產生一個三維空間的虛擬世界，提供使用者關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，以實現身臨其境感知的技術。該技術集成了計算機圖形（CG）技術、計算機仿真技術、人工智能、傳感技術、顯示技術、網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。虛擬現實技術所產生的虛擬實境和真實世界疊加和混合的方式，產生增強現實技術（AR， Augmented Reality）和混合現實技術（MR， Mixed Reality），三項技術統稱為XR技術。

近年來隨著高新技術，特別是智能硬件和網絡并行處理等技術的快速發展，虛擬現實技術在教育、醫療和工業等領域開始得到廣泛的應用。B集團早在2014年即開始組建研發團隊、購置設備，就虛擬現實技術在燃氣系統中的應用展開研究，通過對某燃氣場站進行三維系統建模，實現了場站基礎建筑、設備設施、地下管網的三維可視化。

經過幾年的實踐探索，目前XR技術已經在三維資產管理、沉浸式培訓、應急演練、輔助巡檢和輔助運維等領域展開了多方面的應用，取得了豐碩的成果。本文就虛擬現實技術在燃氣生產運營中的應用進行總結和探討，并展望下一階段的工作。

二、研發平臺

（一） 技術平臺與設備

本研究采用Unity3D三維引擎為基礎開發平臺，該引擎主要使用集成IDE進行模型材質導入、布局設計，并通過編寫腳本的方式實現功能，底層支持OpenGL和Direct11。 Unity3D內置NVIDIA 強大的物理引擎，以及高質量粒子系統，這些特效均可輕松上手，效果逼真。Unity3D側重于快速的完成程序的搭建及測試，性能卓越，開發效率出類拔萃，只需一鍵即可完成作品的多平臺開發和部署，極具性價比優勢。

AR頭顯設備主要選用微軟開發的HoloLens，其是一款基于Windows 10的獨立設備，主要通過Clicker與語音完成交互，續航2～3小時，待機時間為兩周。HoloLens采用微軟定制的全息處理單元（HPU）和英特爾32位處理器，擁有2GB內存和64GB閃存。同時，HoloLens還擁有慣性測量單元、環境光傳感器、環境感知攝像頭、深度感知攝像頭、4個麥克風和200 萬像素高清攝像頭。HoloLens支持藍牙和wife，重量為579g。

（二） 三維可視化平臺

基于三維可視化技術研發的工業設備設施管理平臺，用于實現設備的可視化管理和系統數據的可視化展現。區別于傳統的2D管理平臺，三維立體管理平臺可以實現管理人員對實際設備設施的直觀認識，而且三維豐富的表現空間，可以給與平臺更多、更形象的展示形式，以及更多樣的互動操作方法。

本研究采用激光雷達掃描快速建模技術，對燃氣場站相關設備設施進行全方位掃描獲取點云數據，再使用團隊自主研發的點云快速建模平臺將點云轉換為高精度模型（圖1）。在此基礎上，通過數據處理與傳輸技術，將工業運行數據接入系統，可以實現數據與設備設施的深度結合及精準管理，同時還可加入更多的管理功能，例如人員車輛實時位置管理、管網運行管理、生產設施建設與改造驗證、風險防控可視化管理等。

集團自2015年開始，先后完成了11個場站的三維建模工作，開發了三維資產管理系統，并已導入企業資產管理（EAM， Enterprise Asset Management）數據，在場站設備的數字化及可視化管理方面取得了成效。三維可視化內容可以分別展現在PC端、VR端和移動端，從而構建出更豐富、更直觀、更便捷的展示與管理方式。

三、基于VR/AR技術的技能培訓

基于VR技術研發的工業技能培訓產品，包括3D互動培訓課件、VR實景教學、VR多人沉浸式訓練、跨平臺應急演練等系列產品，可用于運維檢修培訓、生產工藝流程培訓、應急演練等培訓環節。本研究通過自主構建的可視化階梯式培訓體系，幫助學員高效地學習和理解知識，并安全快速的投入實踐操作，同時節省培訓成本，規范生產操作流程。

基于場景化培訓理論，參考國際前沿理念，結合集團的技術體系，設計了一套階梯式可視化培訓體系：1）理論（實景教學與交互展示）；2）流程（操作步驟互動學習）；3）技法（VR沉浸式訓練）；4）實踐（MR輔助實操）。

（一） 實景教學

通過全景視頻與圖片拍攝技術，在實操現場拍攝全景教學內容，并針對局部技術點進行特寫展示。學員通過VR設備以沉浸式視角觀看教學內容，身臨其境地進行知識學習（圖2）。基于VR的實景教學不僅適用于常規現場培訓，更適用于難以反復模擬以及高風險環境的培訓內容學習。

（二） 3D互動課件

本研究通過三維技術，制作用于操作流程培訓的互動學習APP，幫助學員反復學習和練習操作步驟，并對其熟練度進行考核，可以為下一階段培訓奠定堅實基礎（圖3）。

（三） VR沉浸式拆裝訓練

通過虛擬現實技術，為學員營造出逼真的虛擬工作場景，學員在此環境中，用真實的肢體動作來操作虛擬環境中的設備對象，對設備進行維檢修操作，使其達成如實操般的學習經驗及肌肉記憶。本研究通過網絡培訓平臺模擬多人協同配合操作，并按標準流程與動作完成指定維檢修工作內容，從而達到協同操作訓練目的，增加培訓真實感、降低培訓安全風險、提高互動培訓效率（圖4）。

（四） 應急演練及決策情景評估

通過虛擬現實與跨平臺網絡通訊技術，在虛擬環境中仿真模擬燃氣應急事故的發生與發展，通過團隊協作進行應急處置流程訓練。PC端模擬指揮中心，VR端模擬事故現場，使各個應急處置相關部門共同參與，以低成本、低風險、高效率的方式進行如現場實際操作般的演練體驗，為企業安全生產運維開啟新的篇章（圖5）。

除應急演練外，燃氣重大事故復盤演練和應急處置預案流程推演是應急培訓工作的兩個重點方向。基于VR/ AR技術，可以更全面的展示事故發展的全過程，學員可扮演任意角色參與事故處理，可以增加臨場感，提高演練仿真度。并且還將在每個步驟讓學員自主進行指揮或操作，記錄其采取的行動，形成事故演練處理流程清單，由專家進行評判，從而實現在復盤學習的同時對學員進行業務能力考核，從而加深對典型事故的認知，提高類似事故的處置和決策能力。

（五） 安全與科普宣傳

在虛擬現實空間中，模擬日常可能會發生在身邊的用氣隱患及安全事故，跟隨提示學習并體驗正確的處置方法，提高民眾的用氣安全意識與應急處置能力（圖6）。同時燃氣知識宣傳，對于提高民眾安全用氣意識、樹立燃氣企業公眾形象有著重要的意義。通過使用具備高科技含量的VR/AR技術，開發以燃氣科普知識與安全知識為主的互動體驗程序，可以有效的提高宣傳的效果，加深民眾對所宣傳知識的理解與記憶。

四、基于MR技術的輔助生產與運維

基于AR技術研發的燃氣運維輔助可視化產品，將后臺關鍵數據與信息通過AR（增強現實）與MR（混合現實）方式展現給一線人員，助其直觀的了解實時生產運維現狀，輔助操作信息 ，提高其工作效率以及后臺系統數據的實用價值，與此同時，將現場生產運維實況，實時回傳給調度系統，使調度人員第一時間了解實際運維情況，從而提高整個系統的管理水平與運行效率。可采用手機、平板，或者AR專用頭顯設備作為開發平臺。

（一） MR輔助巡檢

本項研究使用AR頭顯設備HoloLens，利用北斗精準位置服務進行定位，通過網絡獲取云端加密數據，實現巡檢人員對設備設施信息的實時、精準、全面查詢。尤其對于埋地管網的混合現實展現，極大的提高了巡檢工作的效率與精度。通過授權，巡檢人員還可對所查詢的設備設施信息進行標注及編輯，實現信息的及時更新與共享（圖7）。

通過AR技術與北斗定位技術的結合，基于已經建立的三維場站可視化系統，可以實現設備數據與設備實體的空間擬合與呈現，使現場實操人員能夠更全面的了解設備設施情況，輔助其進行現場決策與實操。這是集團下一階段的研發工作，基于移動端AR開發。

（二） MR輔助實操與VR輔助維修

MR輔助實操，是指利用MR技術與圖像識別技術，在實際工作場景中識別設備型號，根據設備維檢修內容，以3D擬合的方式展示設備結構原理，并進行維檢修操作步驟引導，輔助工人按照標準操作流程進行實際操作。

現有的VR培訓體系，可以通過AR技術自然延伸到實踐操作過程，通過AR技術與圖像識別技術的結合，實現虛擬設備與真實設備的擬合，實操人員可以通過移動設備以AR形式看到設備內部結構、工作原理及拆裝步驟，這樣可以更好的幫助實操人員按照標準步驟進行操作，避免操作步驟不規范引發的安全事故及設備損耗。本項工作下一階段將基于移動端AR開發調壓器輔助維修電子手冊系統。

五、展望：基于數字孿生的三維可視化生產管理平臺搭建

經過幾年的持續努力，B集團在虛擬化技術應用方面，已經展開了多方位的實踐探索，從燃氣場站的三維可視化建模，到基于VR技術的技術培訓體系構建，再到目前開發中的基于AR/MR技術實現輔助巡檢和輔助生產和運維，取得了諸多成果。

下一階段，將基于數字孿生技術搭建三維可視化生產管理平臺，利用虛擬空間和現實世界的深入動態融合，實現燃氣場站與數字化管網的全生命周期管理。數字孿生（Digital Twin）是指針對物理世界中的物體，通過數字化的手段來構建一個與數字世界中一模一樣的實體，借此來實現對物理實體的了解、分析和優化。

本項目在原有三維可視化平臺的基礎上，將數據系統打通，引入更多運用數據，提高系統的實用性，目的是實現高A及以上場站的三維可視化管理。導入EAM、SCADA等系統數據，實時反映設備情況，實現虛擬設備與真實設備的數字孿生，提高場站數字化管理水平。并在此基礎上與之前研發的諸多應用系統對接，具體的平臺架構見圖8。

作者單位：張濤、齊曉琳、李彥爽 北京市燃氣集團有限責任公司

尤勇、潘杰 北京訊騰智慧科技股份有限公司