基于三維可視化技術的火電廠設備數據管理應用與研究

臧旭東，楊元琴，奚邱炎，金瀚濛，潘曉磊，夏明煒

（1.上海華電奉賢熱電有限公司，上海 200000；2.北京必可測科技股份有限公司，北京 100000）

隨著我國發電企業改革的快速推進和智能化建設的飛速發展，整個發電行業都聚焦在智慧電廠的技術創新與應用，企業數字資產的價值也越來越受到重視。火電廠在建設與生產運營階段的大規模、多維度、非結構化數據層出不窮，設備信息統計量大、分析處理復雜程度高，人們想要更加清晰快速的認知和理解一份數據，傳統的以卷宗、圖紙、電子文檔為載體的基礎數據管理模式存在效率低、表現方式不直觀等問題，已經不能滿足現有設備管理及數據管理需求。所以需結合數據實時渲染、空間數據可視化，實現數據實時圖形可視化、場景化以及實時交互，通過三維虛擬現實讓使用者更加方便地進行數據的理解和空間知識的呈現。

1 三維可視化技術概述

三維可視化技術是描繪和理解模型的一種手段，是數據體的一種表征形式，并非模擬技術。它能夠利用大量數據檢查資料的連續性，辨認資料真偽，發現和提出有用異常，為分析、理解及重復數據提供了有用工具，對多學科的交流協作起到橋梁作用。三維可視化作為一種有效的智能化管理和展示手段，是使用三維軟件創建圖形和渲染設計并呈現的過程，利用多源的大量數據，構建基于現實的三維虛擬現實效果，將設備相關數據立體化地呈現出來，讓數據展現更為直觀和容易理解，開始受到發電企業的普遍關注，高度契合其信息數字化整合與管理需要。并已迅速成為信息數字化管理的重要組成部分，被廣泛應用到各行業中。

2 三維可視化技術在設備數據管理中的應用

2.1 設備三維建模與數字資產系統

首先建立精確的與實物資產設備1∶1對應的數字虛擬資產，通過設備外部和內部結構的虛擬三維空間的建立，在可視化數據管理中和實物一一對應，保證虛擬場景與實地場景高度匹配。無論是生產過程的監視、設備的運行和檢修、設備的技改與優化、備品備件倉儲的優化，甚至是基建期和擴建階段的設備選型、空間管理、數字化移交等，均需要精度滿足需求的數字化實物模型。三維建模包括設備三維建模和場景三維建模兩部分，最終形成統一的F級燃機機組數字資產庫，應用于精細化的設備數據管理或其他應用中。

設備三維建模包括燃氣輪機、燃機發電機、汽輪機、汽輪發電機、凝結水泵、給水泵、循環水泵、燃機主變、汽機主變、高廠變、高備變、GIS等設備的零部件級模型，實現以設備三維模型為載體的設備數字化信息（三維模型、工程圖紙和文件等）的可集成化和關聯性的數字資產庫管理，二三維圖形可與設備數據和生產數據聯動，顯示主要實時在線數據。基于文件服務建立三維模型文件庫，在系統中建立三維模型與模型場景對應關系數據，場景管理記錄了模型文件的存儲路徑、模型類別、文件標識信息，以支持模型文件的查詢與統計。

圖1

場景管理即三維組態配置，通過獲取硬件監測的數據業務和虛擬現實數據，對各監測點的數據進行分析和匯總，按照監測點和三維場景模型整合。實現生產監測、數據配置、場景配置、設備信息等數據的配置等，以三維場景作為載體。場景編輯組件是三維數據引擎平臺的基礎，它可以對整個三維場景模型進行深度編輯處理和優化。包括“視角控制”“顯示配置”“燈光設置”“環境貼圖”等基礎配置，以及場景動畫的編輯配置。

圖2

2.2 設備數字一體化系統

數字一體化需要將電廠所有對象的屬性信息和動態信息進行統一管理，形成一個完整的數據體系，兼容并能采集各種不同框架的數據來源，匯集成統一展現模式的電廠大數據集。

2.2.1設備數字檔案

設備數字檔案滿足全面的實現電廠三維信息化建設，涉及從設計、建造、安裝、調試、投運等不同階段，有設計方、建造方、設備方、業主方等多家單位參與，并在統一框架的指導下，實現信息網絡互聯互通，共享資源，避免重復建設。

系統實現與數字化檔案集成，實現三維模型與主要設備屬性及設備相關文檔的關聯，形成三維數字化檔案。系統與DCS、SIS、MIS、仿真等運行系統集成，通過與上述系統的數據交換和信息提取，實現可視化監視、可視化設備資產管理、可視化仿真培訓、可視化設備安裝與拆解等。數據全面涵蓋電廠結構、屬性、設備關聯關系等各種業務結構化數據，以及記錄、規范、工程圖紙、程序、報告、電子郵件、設計和許可文檔等非結構化數據等。

2.2.2設備臺賬

設備臺賬及設備數據庫是通過將生產設備、系統的動靜態信息全面數字化，建立動靜態信息資料庫，進而為智能化控制、管理決策提供全面、詳盡的信息。

2.2.2.1設備靜態信息資料庫

設備靜態信息主要包括設備廠商、設計院等提供的建設期資料，以及運維期的設備運行、維修、試驗報告等資料，通過對這些資料的信息抽取和標準化處理，對電廠設備及其他對象進行標識、分類、屬性匯總，構建結構統一的設備靜態信息庫。

2.2.2.2設備動態信息資料庫

設備動態信息主要是指生產過程中設備的運行數據及狀態數據，如SIS、巡點檢、精密點檢等，在平臺中通過可視化方式直觀的展示三維設備信息門戶。

設備臺賬是設備的基本檔案，記錄設備固有的基本屬性。設備臺賬管理的核心是在設備編碼的基礎上，實現設備基礎信息管理和設備動態信息管理。設備基礎信息管理主要指設備臺賬基本信息、設備技術規范、設備相關圖檔、設備的危險因素與隔離措施等靜態信息的管理；設備動態信息管理指的是從設備的采購到貨、安裝、更新改造、備品備件、檢修、退役等動態信息的管理，動態信息管理實現了設備全生命周期的管理和跟蹤。建立統一完整的設備臺賬，保存設備銘牌、地點、圖紙資料、規程、管理制度等信息，實現設備基礎數據的全廠共享。

2.2.2.3設備位置

建立設備運行位置編碼，并建立位置之間的關系以形成整個企業級功能位置系統。位置的關系可以是層次結構型，也可以是網絡型，網絡型可以用來表示一些復雜的系統；如電氣系統、供水系統、空氣系統等。

2.2.2.4設備分類

根據設備的自然屬性或工程專業屬性，對設備進行類別歸納，能夠根據類別快速定位到相應的設備記錄。

2.3 設備可視化及圖模管理系統

將三維模型庫、設備動靜態數據和臺賬進行統一的集成和關聯，形成一個整體性的可視化設備數據管理系統，以設備或工藝系統為信息門戶，提供全面的信息集成、綜合展示和操作功能。三維虛擬仿真環境中，通過人機互動操作，可詳細查看設備的結構、部件組成、技術參數，全方位的了解、掌握設備結構的完整信息，并進行設備故障診斷和處理指導。

系統包括整體結構展示和各組成設備結構展示。通過視角操作，全方位展示設備整體結構。通過人機互動操作，實現檢修場景全方位查看，設備部件位置、方向的即時調整等。通過移動、旋轉、透明、高亮功能，詳細展示設備內部結構。具有多種數據來源格式信息（如DWG、DGN、Word、Excel、PDF、JPG、CAD等）的兼容與無插件在線預覽；實現二維圖紙與三維模型的聯動，在三維場景中調用查閱二維圖紙及其他設備的文檔信息，可以查看SIS、點巡檢、精密點檢和相關在線故障診斷數據（包括頻譜圖和診斷結果等）；實現基于設施、設備等以對象為核心的多種信息關聯性管理。

圖3

3 結語

三維可視化技術作為展示和表達數據的一種有效形式，對于發電企業的數據管理及智能化發展都具有極高的應用價值。一方面在于進行高效、高精度的渲染建模，在一個數字場景中還原物理世界的全要素，實現對目標成果的展示。另一方面也要結合對實時數據的處理、計算，實現數字世界與物理世界的通聯，借助三維模型與實物結合在一起，實現參數、屬性、狀態及業務方面的相互關聯。