增強現實技術在天然氣液化行業的應用

劉科均(陜西延長石油天然氣股份有限公司，陜西 延安 716000)

0 引言

目前，隨著物聯網、自主機器人、網絡物理系統、服務互聯網的興起，工業格局正在經歷第四次革命。這種轉型也被稱為工業4.0，是物聯網與物理系統互聯的新領域。它混合了軟件、傳感器、處理器和通信技術。因此，它在使物體能夠將信息輸入網絡并最終增加制造過程的價值方面發揮了巨大的作用。工業4.0 的最終目標是一系列技術，為工業網絡信息應用構建一個開放的智能制造平臺，旨在將虛擬世界和現實世界融合在一起。隨著這場革命而出現的一種新的工業機器人編程方法就是增強現實(AR)[1]。“增強現實”是一種將數字信息轉化為圖像或視頻的可視化方式。

天然氣液化工藝將原料天然氣，經過預處理，凈化(脫除影響液化以及貯運安全的雜質) 后，通過低溫的方法(混合冷劑SMRC 制冷工藝) 使其液化成LNG。LNG 產品在LNG 儲罐中儲存，便于用戶的儲存和運輸。然而，由于其生產過程中具有高溫、高壓、易燃、易爆等特點，如發生事故，對企業、人們和社會帶來巨大的危害。如果能將AR 技術應用在液化天然氣行業中，提供基于數據獲取和遠程通訊的性能改進的機會，既能保證安全生產、減少污染，又能助力生產。

1 AR 技術簡介

AR 技術是一種將虛擬信息與真實世界巧妙融合的技術，廣泛運用了多媒體、三維建模、實時跟蹤及注冊、智能交互、傳感等多種技術手段，將計算機生成的文字、圖像、三維模型、音樂、視頻等虛擬信息模擬仿真后，應用到真實世界中，兩種信息互為補充，從而實現對真實世界的“增強”。增強現實是一種交互式體驗，可將數字對象集成到現實世界的用戶環境中。用戶可以使用帶有攝像頭(智能手機或平板電腦)，網絡攝像頭或專門設計的增強現實眼鏡的移動設備查看內容。疊加的信息會粘貼到現實世界的對象上，并且無論攝像機如何移動，它們都會保留在原位。用戶不需要將該信息存儲在內存中，并且可以輕松地用相機將圖形疊加在對象上。AR 通過嵌入在各種設備中的軟件來增強現實，AR 設備補充了現實，使用戶能夠在沒有實際工作中存在的障礙的情況下操縱、移動和執行操作過程。這些解決方案通過利用增強現實技術來改善和增強化工各個方面，例如：維護、維修、制造、現場服務、客戶支持或培訓。

2 AR 技術在天然氣液化行業的應用場景探討

2.1 工藝操作過程優化

目前液化工藝過程中，主要的操作還是利用老式的工作說明和紙質手冊。而AR 可為工人提供分步指南，這些清晰的操作說明可以驗證他們正在以正確的順序執行正確的步驟，有助于消除錯誤并提高產品產量及質量，確保操作在第一時間就正確完成。AR 技術可以實時將 3D 模型強加到一臺設備上，從而更快、更高效地解決一定范圍的問題。配備 AR 移動設備或智能眼鏡的現場技術人員可以立即訪問操作文檔，并查看目前現實中操作的工藝參數及步驟，如當前壓力、溫度、流量等，防止誤操作，還可以為接下來操作所帶來的后果進行提前分析及提醒。

2.2 遠程協助維護和操作

AR 遠程協助軟件使工作人員能夠有效協作。它創建了一個交互式環境，將數字信息疊加在物理世界的實時視頻流上，診斷問題并針對需要解決的問題或需要完成的任務提供遠程指導。例如一名工作人員攜帶著一個增強現實設備，該設備可以記錄他所看到的實時視頻流以及其他數據，如傳感器信息。將視頻發送給專家，它可以提供精確的解決方案和額外的實時信息，不需要搬到現場解決問題，這樣能快速簡便地排除故障，減少停機時間，同時節省設備廠家指導、出差費用的時間和成本。與通過聽覺通信相比，AR 遠程協助應用程序使用戶能夠更快、更有效地感知信息。用戶或員工可以使用智能手機或頭戴式設備遠程解決問題，查看分步說明并從任何地方獲取交互式的現場指導。AR 遠程協助使用范圍包括很多方面，例如：

(1)預防性的維護：檢修項目、技改技措等提前性計劃維護，以保證最大程度上減少可預見性錯誤；

(2)操作、組裝說明功能參與：告別師傅帶徒、書面、個人經驗等客觀困難，可以讓操作和或者組裝員工獨立完成該項工作；

(3)隨時查看服務檢查說明：通過視覺掃描直接查詢到設備及工藝專項服務說明書，隨時隨地查看，而不用提前準備或者耗時耗費去查看；

(4)及時了解和查看不熟悉程序的詳細說明：操作或者維修過程中遇到不熟悉的項目或者程度，可以及時查詢到詳細說明，不浪費時間咨詢專家或者找尋說明步驟；

(5) 充當合規檢查表功能：操作前第一時間能咨詢到合規步驟的順序檢查，不犯錯，替代紙質合規檢查表；

(6) 修復性維修建議：AR 的現實與虛擬的結合，可以直接通過視覺觀察到設備損傷的界面和維修建議，包括該設備的材質、壓力等維修相關信息，直接提出整改建議；

(7)性能面板展示功能：當操作人員的視覺方向掃描到想要維護或者操作的設備設施時，直接可以在該設備的視覺畫面上展示當前設備性能、參數、工藝介質等詳細信息，給予操作人員一個提示、查詢、甚至安全提醒的全面信息；

(8)隨時提供實時訪問數據：監控、控制行動、中斷、分析等相關信息，進一步降低誤操，省時省力并且高質量高安全地操作或者維護[2]。

此外，AR 可以幫助液化站將一般技能應用到擁有的各種機器上，而不是派工人到場外培訓。它可以指導員工完成特定的修復或預防性維護任務，如此大部分員工都可以完成任務，而不是要求某個人修理特定機器。因此，機器設備可以更快地恢復運行，從而減少計劃外停機時間并有效提高生產力。以現在化工單位存在的普遍現象為例，如果單位設施設備發生故障，傳統上專家或者設備設施維護單位會在他們方便的時間訪問單位并解決問題。此時現場工作人員會與他們進行聯系溝通，但是溝通過程中存在機器的相關問題以及解決措施等信息無法進行方便存儲的現象。在傳統的設備維修或保養方法中，如果再次出現相同的問題，則無法參考以前的解決方案，現場工作人員不知道如何解決這個問題。因為他們對專家或者設備設施維護單位的依賴度很高，且他們缺乏相關知識，加之專家或者設備設施維護單位需要花費大量時間到達單位，此時單位不得不遭受長時間的停機，使員工的效率大大降低。而AR 系統的解決方案是遠程協助應用程序具有內置基礎，用于存儲與以前的維護和維修會話相關的必要信息。專家或者設備設施維護單位可以將有用的數據以PDF、音頻文件等不同格式保存在檔案中，單位工作人員可以在問題發生時無縫訪問數據，訪問與以前問題相關的所有數據，并且可以使用可用數據輕松解決相同的問題。借助此功能，無需就同一問題與專家或者設備設施維護單位交流。雙向實時協作可以通過快速解決問題而顯著增加機器正常運行時間，同時定制的遠程協助應用程序可以使雙向協作高效。

2.3 員工崗位及現場技能培訓

通過實施AR 顯著改進和加快培訓流程，單位可以直接在站點完成培訓，而不是讓員工在下班的課堂環境中完成課程。AR 可以幫助新員工加快速度，而不是簡單地跟蹤和觀察另一名員工，AR 引導他們完成程序并在某些事情完成時給予提示。隨著機器變得越來越復雜，員工難以及時了解每臺機器的所有最新維護要求。因此，使用 AR 可以幫助員工完成棘手的維護程序或計算，專業的員工可以虛擬地引導新員工完成整個流程。這項技術填補了技能差距，可以使新員工與現有員工一起工作，即使他們不具備所需的技能。

2.4 知識共享

增強現實解決方案的一個整體優勢是，在現實世界中疊加一定的虛擬世界。這為單位提供了很多機會，且可以在遠程站點或上下級維護和共享知識。同時可以快速地進行員工入職的培訓及大規模繼續教育工作，不需要各站點及機關各單位集中一起，零差旅費用支出，保護保留員工的經驗并防止他們退休或離開單位時知識的流失。再加之新型的智能AR 系統可以吸引新青年員工，用于知識傳遞的增強現實應用程序可提供3D 體驗，有助于加快對現有員工和新員工的在職培訓。與智能眼鏡一起，該技術使員工沉浸在安全，交互式環境中的模擬和培訓場景中。

3 AR 在能源行業的應用優勢

3.1 AR 在能源行業的應用案例

中國石化集團東北石油局有限公司(以下簡稱東北石油局) 集成AR 技術打造存量系統融合新技術范本。對于很多工業企業來說，在“工業4.0”轉型升級過程中，雖然智能化得到了升級，但伴隨著系統越來越多，出現海量數據的新問題，反而加劇了工作負荷。而東北石油局既能利用AR 新技術來降本增效，又能不增加多系統負擔。東北石油局在2021 年打造了融合范本，實現了存量系統和AR 新技術之間的斷層彌合。同時在已有GIS 平臺基礎上，打造了“AR可視化協作管理平臺”。該平臺主要應用于故障診斷和應急維修兩個場景，可讓后端專家與現場作業人員進行第一視角的可視化溝通(如圖1 所示)。現場工人點擊地圖標簽即可呼叫遠程支持，且系統支持GPS定位回傳。

很多時候，現場的問題只是一些小問題，但由于現場人員缺乏特定技能，難以在現場解決，故而浪費了大量的專家資源。另外，有時專家到達現場，診斷出問題，但因現場缺少維修配件，專家只好先回去，等配件到了，再第二次奔波到現場解決。

圖1 AR 實時音視頻協作效果圖示

寶貴的專家資源被大量浪費在路上，實屬可惜。有了這套系統以后，300 多千米外的松原油田工人只要佩戴AR 眼鏡，就能馬上得到長春石油局技術專家“如臨現場”般的支持。借助這套系統，東北石油局有效釋放了專家資源，極大降低差旅成本，進一步實現石油行業降本增效。

能源行業—正泰集團作業指導AR 可視化。熟練的“老師傅”寶貴又稀缺，面對復雜的電力設備、厚厚的作業指導書，新手員工往往無從下手。針對這一難題，2021 年，正泰集團打造了一套“AR 配電運維系統”。“AR 配電運維系統”以可視化方式將作業指導書內容配置導入，新手員工佩戴AR 眼鏡，掃描設備二維碼就能看到該設備的作業指導內容，按照提示便可一步步進行規范操作(如圖2 所示)。除了設備的圖片、文字、PDF 文件等，設備上還有一個小按鈕也能顯示出對應的文字說明，極大提高了人員現場作業規范水平和工作效率。新手員工再也不用手忙腳亂地在現場翻閱厚厚的作業指導書，便捷高效地完成運維工作不再是難事。

圖2 巡檢人員佩戴AR 眼鏡完成智能自檢

此外，“AR 配電運維系統”還可通過喚醒AR 遠程通訊，與協作平臺開啟多方遠程會診。后臺專家可以在AR 眼鏡傳回的第一視角畫面上使用“3D 標注”功能，可視化指導現場人員完成相關操作或處理故障。

3.2 提高操作、維修的安全性

安全是任何化工單位的重中之重。AR 通過在操作或條件不安全時，提供視覺提示來改進安全措施。如果操作執行不正確，可能會導致危險反應，AR 可以提供警告，有助于提高操作安全性。使用AR 設備，員工能夠對操作工藝及設備進行現實投射，以預測任何潛在問題。現場技術人員在執行工作時佩戴連接的AR 眼鏡，可以識別和處理損壞設備的危險。通過使用AR 技術，可以在地面實時監控可視化安全協議的實施，從而提高生產力和工作安全性，例如：它可以在員工進入過熱區域或觸發導致不安全壓力變化的事情之前提醒；在操作過程中使用AR 可以幫助警告員工不安全條件或潛在問題，以幫助減少或消除工業事故。通過實施AR 技術，單位可以檢測系統錯誤，從而降低錯誤概率，同時對設備進行定期和更有效的監控，有助于提高工作場所的安全性。

3.3 減少維護或者維修時間

單位可以聘請經驗豐富的專業人員并使用AR解決方案對員工進行培訓。此外，使用AR 解決方案，單位可以避免經歷復雜的設備故障診斷過程，專注于修復AR 識別的問題。AR 可以顯著節省成本的另一個方面就是可以使勞動力有效減少，降低差旅費用并縮短完成任務所需的時間[3]。同時，AR 解決方案減少了完成現場工作所需的時間，因為員工可以輕松訪問所需的信息和統計數據，大幅降低單位停機損失，增加收益。

3.4 降低的培訓費用和縮短培訓周期

AR 培訓員工的方法比傳統培訓模式更便宜、更實用，因為虛擬培訓不需要昂貴的設備。AR 培訓比傳統培訓課程耗時更少，學員可以按照自己的節奏瀏覽培訓材料，提高學習效率。此外，借助 AR 技術單位可以提供由來自各地的領先教授或者工人及技術單位的遠程課程。AR 的好處是在技術人員到達現場之前就開始了。它用作培訓工具，使操作員可以快速學習維護技術，同時遵循適當的健康和安全程序。使用該技術，將紙質和平板電腦技術手冊交換為3D 可視化，受訓人員可以在觀看設備設施時在AR 視覺畫面中觀看或者操作。這可以有效縮短相關培訓的時間，同時單位和遠程培訓師可通過可視化效果隨時查看和評論受培訓者對知識的掌握情況。

3.5 縮小技能差距

隨著維護程序變得越來越復雜，特別是對大型的固定資產，因此對AR 驅動的維護變得越來越有用，維修步驟需要更多的技術知識儲備[4]。過去，這意味著要么派遣高級技術人員，要么使用繁瑣且基于電話的指導，從而減慢了維護并增加了成本。借助AR，高級技術人員可以使用虛擬指針以視覺方式遠程指導同事完成復雜的維護程序。這不僅減少了平均維護呼叫時間，而且還使公司可以更好地調度分配高級技術人員的服務。

4 結語

增強現實技術(AR) 可以更容易、更快、更方便地完成復雜的任務，可以應用在液化天然氣行業的工藝操作過程、遠程協助維護和操作、員工崗位及現場技能培訓及知識共享等環節中，具有操作安全性更高、維修更便捷、員工培訓更經濟等優勢。相信就像工業物聯網會有大量的物聯網設備和傳感器一樣，AR也將在液化天然氣行業得到顯著應用，如果正確部署，單位能夠節省人力、物力、財力，并提高生產力和效率。