660W空冷機(jī)組全流程三維可視化系統(tǒng)建設(shè)研究

內(nèi)蒙古匯能集團(tuán)長(zhǎng)灘發(fā)電有限公司 王小勛 海鐵成 張富軍 李 石 包好斯巴乙拉 張 波

北京必可測(cè)科技股份有限公司 張 燈

關(guān)鍵字：空冷機(jī)組；三維可視化；工藝流程；地下管網(wǎng)；開挖模擬

1 研究背景

電廠的生產(chǎn)區(qū)域設(shè)備密度高，空間分布復(fù)雜，通過構(gòu)建三維場(chǎng)景，體現(xiàn)電廠設(shè)備、管道、閥門在空間中的布置，還能直觀表現(xiàn)電廠各系統(tǒng)的組成和相互關(guān)系，用戶則可以通過宏觀視角把握電廠生產(chǎn)區(qū)域的工藝流程全貌。構(gòu)建1:1全流程三維場(chǎng)景，是建設(shè)智慧電廠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

火電廠屬于典型的流程工業(yè)，涵蓋輸煤、鍋爐、汽機(jī)、電氣、脫硫、化學(xué)多個(gè)專業(yè)，每個(gè)專業(yè)都含有大量的設(shè)備和管道，且專業(yè)之間彼此關(guān)聯(lián)，為了表現(xiàn)生產(chǎn)的全流程，這些內(nèi)容全部需要三維建模，其中重要設(shè)備需要制作內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如何設(shè)計(jì)一套合理的技術(shù)架構(gòu)和人機(jī)界面，如何處理海量的三維模型數(shù)據(jù)，讓日常的業(yè)務(wù)部門在網(wǎng)頁中高效使用本系統(tǒng)，是建設(shè)過程中的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

內(nèi)蒙古匯能集團(tuán)長(zhǎng)灘發(fā)電有限公司2×660MW超超臨界新建項(xiàng)目，為了解決上述問題，以逆向工程的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建了廠區(qū)的土建、鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備以及地上地下的全部工藝管道，開發(fā)出一個(gè)基于火電廠全流程，涵蓋工藝模擬、地下管網(wǎng)測(cè)漏、設(shè)備結(jié)構(gòu)和拆解功能的三維可視化系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了有效管理全流程三維模型，使得系統(tǒng)在基建和運(yùn)維階段能滿足電廠的業(yè)務(wù)需求，設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)的三層模式技術(shù)架構(gòu)，系統(tǒng)架構(gòu)分層如下：數(shù)據(jù)層、場(chǎng)景層和應(yīng)用層。

2.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是架構(gòu)設(shè)計(jì)的最下一層，主要作用是將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一的原始數(shù)據(jù)，包括：設(shè)計(jì)院或設(shè)備廠家提供的設(shè)計(jì)模型、圖紙、文檔和用戶配置數(shù)據(jù)，按系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)范制作成標(biāo)準(zhǔn)三維模型組件。這些組件可以通過其特征參數(shù)調(diào)整外觀形狀，同時(shí)可以在場(chǎng)景層中任意組合，從而以最小的數(shù)據(jù)量構(gòu)成全廠三維模型。

下表列出了主要的標(biāo)準(zhǔn)組件：

標(biāo)準(zhǔn)組件 主要特征參數(shù) 備注直管段 管徑、長(zhǎng)度、材質(zhì)…彎頭 管徑、半徑、角度…閥門 類型、接口、狀態(tài)…設(shè)備管道接口 位置、管徑、方向…設(shè)備螺栓 型號(hào)、數(shù)量、排列…設(shè)備軸承 類型、外徑、內(nèi)徑…

2.2 場(chǎng)景層

場(chǎng)景層的是架構(gòu)設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)層的上一級(jí)，作用是基于標(biāo)準(zhǔn)三維模型組件構(gòu)成三維場(chǎng)景。

因?yàn)橄到y(tǒng)每次只會(huì)加載一種場(chǎng)景，場(chǎng)景在切換時(shí)會(huì)先釋放當(dāng)前場(chǎng)景的資源，所以為了保證系統(tǒng)的執(zhí)行效率和軟件功能的實(shí)現(xiàn)，根據(jù)電廠工藝流程的特點(diǎn)將全廠模型劃分為三種級(jí)別：廠級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是架構(gòu)設(shè)計(jì)的最上面一級(jí)。作用是利用三維場(chǎng)景和人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)最終的應(yīng)用效果：全廠可視化、工藝流程、地下管網(wǎng)應(yīng)用、設(shè)備拆解等。

3 建設(shè)過程

3.1 場(chǎng)景構(gòu)建

本系統(tǒng)使用AutoCAD 和3dmax 軟件作為建模軟件，以逆向工程方式構(gòu)建三維場(chǎng)景，逆向工程是對(duì)已建設(shè)完成的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)技術(shù)再現(xiàn)，逆向工程的原始素材包括：設(shè)計(jì)院或廠家提供的設(shè)計(jì)模型、圖紙、工程文檔、現(xiàn)場(chǎng)采集的點(diǎn)云、視頻和照片。

在構(gòu)建場(chǎng)景時(shí)，優(yōu)先使用標(biāo)準(zhǔn)三維組件，以搭積木的方式來構(gòu)建。標(biāo)準(zhǔn)件不滿足要求時(shí)，則需要新構(gòu)建模型，并做如下工作：

如果此模型可以在其他場(chǎng)景再次復(fù)制使用，則將其作為新的標(biāo)準(zhǔn)組件；如果此模型其他場(chǎng)景不再使用，則不將其作為新的標(biāo)準(zhǔn)組件。

場(chǎng)景的劃分方法是基于具體軟件功能點(diǎn)的不同，表現(xiàn)內(nèi)容也不同。下表列出了各級(jí)場(chǎng)景主要表現(xiàn)的內(nèi)容：

場(chǎng)景等級(jí) 模型細(xì)節(jié)要點(diǎn) 備注廠級(jí)主要設(shè)備外形；煙風(fēng)道和較大管道；廠房、鍋爐鋼架。系統(tǒng)級(jí) 工藝流程相關(guān)的設(shè)備；管道、閥門等連接部件。設(shè)備級(jí)設(shè)備外觀；連接管口；重要內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)

選擇Unity3D 作為三維開發(fā)工具，系統(tǒng)開發(fā)的主要過程：

系統(tǒng)設(shè)計(jì)：明確各場(chǎng)景需要實(shí)現(xiàn)的功能和輸入輸出數(shù)據(jù)。

交互設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)各功能模塊的人機(jī)交互界面和動(dòng)態(tài)方案。

程序編碼：根據(jù)上述設(shè)計(jì)內(nèi)容完成程序編碼。

系統(tǒng)測(cè)試：將程序部署到現(xiàn)場(chǎng)硬件環(huán)境中，測(cè)試系統(tǒng)的功能、技術(shù)指標(biāo)是否達(dá)到預(yù)定要求。

火電廠的實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備密度非常高，因此基于現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建的三維模型也有同樣的特點(diǎn)。火電廠工藝流程涉及多個(gè)專業(yè)，分別由不同專業(yè)的人去管理，各用戶關(guān)注的重點(diǎn)流程和設(shè)備會(huì)有不同。火電廠全流程三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)量大，加載和運(yùn)行這些數(shù)據(jù)需要有一定的流暢度。

比如工藝流程展現(xiàn)的設(shè)計(jì)思路如下：

左側(cè)以樹形圖方式將各大專業(yè)和分系統(tǒng)列出，用戶可選擇抽取一個(gè)大專業(yè)或分系統(tǒng)的三維模型，從而快速定位關(guān)注的系統(tǒng)圖。右側(cè)以多級(jí)菜單和勾選方式，用于控制開關(guān)單個(gè)系統(tǒng)中的線路（以閥門為界），這樣就非常清晰的表現(xiàn)了每條線路的起止位置、工質(zhì)類型。中間的三維場(chǎng)景為全熱點(diǎn)三維模型，鼠標(biāo)可交互每個(gè)設(shè)備、管段、閥門，查看相關(guān)工程信息。

3.3 場(chǎng)景輕量化

由于需要表現(xiàn)全廠的工藝流程，模型的對(duì)象數(shù)上萬級(jí)別，全部模型的三角面數(shù)量為百萬級(jí)別，如果不做任何處理就直接導(dǎo)入三維場(chǎng)景使用，運(yùn)行速度會(huì)非常慢。三維場(chǎng)景輕量化的目的是使軟件系統(tǒng)的加載和渲染速度都滿足基本的使用要求。主要用了以下方法：

3.3.1 重建Poly 模型

在三維場(chǎng)景構(gòu)建時(shí)，使用了電力設(shè)計(jì)院提供的Nurbs 模型，由于此模型是用于設(shè)計(jì)工作的，直接導(dǎo)入軟件開發(fā)的三維場(chǎng)景會(huì)產(chǎn)生大量冗余數(shù)據(jù)，因此在建模開始階段，通過使用3dmax 建模工具，將設(shè)計(jì)院提供的Nurbs 模型重建成Poly 模型，再導(dǎo)入三維場(chǎng)景，避免冗余的模型數(shù)據(jù)，可提升渲染效率。

3.3.2 多細(xì)節(jié)層次

三維場(chǎng)景在運(yùn)行時(shí)，屏幕上同時(shí)可見的模型數(shù)據(jù)決定了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。當(dāng)鏡頭拉的較遠(yuǎn)時(shí)，模型上的許多細(xì)節(jié)由于無法被用戶看清，會(huì)變成無用信息。

多細(xì)節(jié)層次技術(shù)可根據(jù)物體模型的節(jié)點(diǎn)在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度，決定物體渲染的資源分配，降低非重要物體的面數(shù)和細(xì)節(jié)度，從而獲得高效率的渲染運(yùn)算。比如在表現(xiàn)鍋爐模型時(shí)，當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，以塊狀三維模型來表現(xiàn)鍋爐的外形輪廓，隨著鏡頭的逐步拉進(jìn)，則將視線可見范圍的模型替換成性能消耗較大的管線模型，由于此時(shí)視野范圍有限，同時(shí)顯示的管線不會(huì)很多，從而保證了系統(tǒng)運(yùn)行效率。

3.3.3 動(dòng)態(tài)遮擋剔除

系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，用戶可自主移動(dòng)鏡頭對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行觀察。當(dāng)有多個(gè)模型處于同一直線時(shí)，后方被遮擋的模型其實(shí)是無效數(shù)據(jù)，此時(shí)如果系統(tǒng)依然無差別完整顯示這些模型，會(huì)導(dǎo)致性能的浪費(fèi)。

動(dòng)態(tài)遮擋剔除是一種通過避免渲染背對(duì)觀察者的幾何體面來提高性能的優(yōu)化措施。以鍋爐為例，當(dāng)用戶查看水冷壁時(shí)，大量位于水冷壁后方不可見的管道會(huì)被停止渲染，只有當(dāng)水冷壁被隱藏或是用戶將視角轉(zhuǎn)動(dòng)到水冷壁內(nèi)部時(shí)，更多的模型才被顯示出來。

4 建設(shè)成果

4.1 多版本發(fā)布

基于三維可視化開發(fā)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，通常需要在加載運(yùn)行效率和顯示效果方面做一定的平衡。本系統(tǒng)基于業(yè)務(wù)功能的特點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)部署的實(shí)際情況，確定了多版本發(fā)布的方案，總共發(fā)布了PC 客戶端版、網(wǎng)頁版和移動(dòng)APP 版三個(gè)版本，其中PC 和APP 版除了運(yùn)行終端有差別，其余大體相同，下表總結(jié)了客戶端版和網(wǎng)頁版各自的特點(diǎn)：

比較項(xiàng) 客戶端版 網(wǎng)頁版驗(yàn)證方法首次進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，需輸入管理員生成的與該機(jī)器綁定的注冊(cè)碼。輸入用戶名和密碼。加載方式 一次性加載，場(chǎng)景切換速度快。異步加載，場(chǎng)景切換需等待。更新方式 根據(jù)服務(wù)器提示下載新的數(shù)據(jù)覆蓋掉原文件。自動(dòng)從服務(wù)器獲取最新的模型數(shù)據(jù)。畫質(zhì)效果 默認(rèn)高畫質(zhì)，可手動(dòng)調(diào)低 默認(rèn)低畫質(zhì)，可手動(dòng)調(diào)高

4.2 全工藝流程

系統(tǒng)打開后默認(rèn)進(jìn)入主場(chǎng)景的自動(dòng)漫游模式，可通過右下角的菜單切換其他瀏覽模式或是進(jìn)入其他場(chǎng)景。主場(chǎng)景預(yù)留了對(duì)外通信接口，可接入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后用于中控室或是展廳的全廠信息展示。

工藝流程場(chǎng)景分為自由瀏覽模式和演示模式。在自由瀏覽模式下，用戶通過手動(dòng)激活介質(zhì)流向、查看設(shè)備管道閥門信息的方式進(jìn)行流程展示。在演示模型下，系統(tǒng)以語音、文字、動(dòng)畫方式自動(dòng)演示流程。

所有工藝流程被分為鍋爐、汽機(jī)、電氣、化學(xué)、脫硫、輸煤六大專業(yè)。

鍋爐專業(yè)：制粉系統(tǒng) 、風(fēng)煙系統(tǒng)、鍋爐汽水系統(tǒng)、過熱蒸汽系統(tǒng)、再熱蒸汽系統(tǒng)、主蒸汽及再熱蒸汽系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、電除塵系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)、正壓氣力輸灰系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、除渣系統(tǒng)、空氣預(yù)熱器系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)。

汽機(jī)專業(yè)：凝結(jié)水系統(tǒng)、閉式水系統(tǒng)、循環(huán)水系統(tǒng)、旁路系統(tǒng)、低壓加熱器系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、輔助蒸汽系統(tǒng)、軸封蒸汽管道系統(tǒng)、汽輪機(jī)抽汽系統(tǒng)、高低加疏放水系統(tǒng)、全廠潤(rùn)滑油系統(tǒng)、間接空冷系統(tǒng)、采暖換熱系統(tǒng)、輔機(jī)干濕聯(lián)合蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)、EH 油系統(tǒng)、除氧器系統(tǒng)、輔機(jī)冷卻水控制系統(tǒng)。

電氣專業(yè)：電氣一次系統(tǒng)、電氣廠用電系統(tǒng)、發(fā)變組及網(wǎng)控繼電保護(hù)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)定冷水系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)密封油系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)氫系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)氫系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)、110V220V 直流系統(tǒng)。

化學(xué)專業(yè)：化學(xué)制水系統(tǒng)、凝結(jié)水精處理系統(tǒng)、生活污水處理系統(tǒng)、工業(yè)廢水處理系統(tǒng)、含煤廢水處理系統(tǒng)、汽水取樣系統(tǒng)、化學(xué)加藥系統(tǒng)、全廠消防水系統(tǒng)、制氫系統(tǒng)、綜合水泵房系統(tǒng)、酸堿廢水池系統(tǒng)、機(jī)組排水槽系統(tǒng)。

脫硫?qū)I(yè)：漿液循環(huán)系統(tǒng)、吸收塔噴淋系統(tǒng)、真空皮帶脫水機(jī)系統(tǒng)、尿素制備系統(tǒng)、除霧器沖洗系統(tǒng)、脫硫廢水零排放系統(tǒng)、氧化風(fēng)系統(tǒng)。

輸煤專業(yè)：輸煤系統(tǒng)。

各子系統(tǒng)以樹形圖的方式列出，選取任意子系統(tǒng)可單獨(dú)顯示，快速定位需要關(guān)注的系統(tǒng)或設(shè)備。

被抽取的三維可視化系統(tǒng)為全熱點(diǎn)三維模型，鼠標(biāo)可交互每個(gè)設(shè)備、管段、閥門，均可查看相關(guān)工程信息。同時(shí)預(yù)留了數(shù)據(jù)接口，用于實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的顯示。

4.3 重點(diǎn)設(shè)備建模

系統(tǒng)選取了32個(gè)重點(diǎn)設(shè)備（見下圖），進(jìn)行了零部件級(jí)別的精細(xì)化建模：

選取特定的設(shè)備可進(jìn)入其三維場(chǎng)景。系統(tǒng)在場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)了設(shè)備信息瀏覽、設(shè)備結(jié)構(gòu)演示、分解圖、運(yùn)行演示、檢修步驟模擬拆解等功能。

4.4 地下管網(wǎng)

地下管道一旦發(fā)生泄漏，會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工藝流程異常或中斷，甚至?xí)斐扇松砗拓?cái)產(chǎn)的重大損失。因此實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)管道狀態(tài)、事故發(fā)生時(shí)快速定位泄漏點(diǎn)、制定可靠的開挖和修理方案顯得尤為重要。

對(duì)于需要監(jiān)測(cè)泄漏的管道，選定管段安裝超聲傳感器，監(jiān)測(cè)信號(hào)通過4G 信號(hào)無線傳輸?shù)饺S系統(tǒng)主機(jī)的接收器，系統(tǒng)即可實(shí)時(shí)接受到泄漏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，三維場(chǎng)景將以圖標(biāo)閃爍的方式，提示泄漏發(fā)生的準(zhǔn)確位置：

在三維場(chǎng)景出現(xiàn)報(bào)警圖標(biāo)后，點(diǎn)擊圖標(biāo)，鏡頭會(huì)聚焦到報(bào)警點(diǎn)附近。通過鼠標(biāo)指定對(duì)角線，可以在地面上選取一個(gè)矩形區(qū)域。系統(tǒng)會(huì)模擬該范圍被挖開，并顯示出地面下的管道和其他設(shè)施，實(shí)現(xiàn)開挖模擬功能。

三維場(chǎng)景中呈現(xiàn)開挖狀態(tài)時(shí)，用戶可點(diǎn)擊露出的管道查看管徑、類型、起止點(diǎn)等信息。用戶可調(diào)整鏡頭到合適的角度對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行截圖輸出，用于檢修計(jì)劃輔助。

5 總結(jié)

本項(xiàng)目首先對(duì)一個(gè)660W 空冷機(jī)組的生產(chǎn)涉及的全流程進(jìn)行了三維場(chǎng)景（包含地上和地下部分）構(gòu)建，然后解決了大場(chǎng)景模型數(shù)據(jù)的輕量化問題。在此基礎(chǔ)上，通過一定的技術(shù)架構(gòu)方案和人機(jī)界面設(shè)計(jì)，最終發(fā)布了多版本的三維可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全廠可視化、工藝流程演示、地下管網(wǎng)監(jiān)測(cè)、設(shè)備模擬拆解等功能，是建設(shè)智慧電廠的重要組成部分。