基于數字孿生的既有鋼廠三維地圖呈現應用實踐

摘 "要：隨著工業數字化和網絡化發展，鋼鐵行業生產逐步進入智能化階段。然而，大多數既有鋼廠使用的傳統二維地圖缺少配套地圖管理平臺，缺乏地圖信息迭代功能，造成工廠生產效率低，安全隱患大等缺陷。因此，該文基于數字孿生技術、物聯網技術、無人機傾斜攝影技術等，構建全廠區三維地理信息模型、采集數據及整合各個獨立系統的數據信息，實時展現全廠區內各分廠生產數據、視頻監控畫面能源消耗、物流等信息，實現可視化聯動，打造鋼廠基礎數據底座，賦能鋼廠實現全面智能制造。

關鍵詞：數字孿生；工業互聯網；三維地圖；大數據分析；物聯網技術

中圖分類號：TF089 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2025）10-0181-04

Abstract： With the development of industrial digitalization and networking， the production of the steel industry has gradually entered the intelligent stage. However， the traditional two-dimensional maps used by most existing steel mills lack supporting map management platforms and map information iteration functions， which leads to low factory production efficiency and great safety hazards. Therefore， based on digital twin technology， Internet of Things technology， and UAV oblique photography technology， this paper constructs a three-dimensional geographic information model of the entire plant， collects data and integrates data information from each independent system， and displays the production data of each branch in the entire plant in real time， video surveillance screen energy consumption， logistics and other information， realizes visual linkage， creates a basic data base for steel plants， and enables steel plants to achieve comprehensive intelligent manufacturing.

Keywords： digital twins; industrial Internet; three-dimensional map; big data analysis; Internet of Things technology

隨著“碳達峰、碳中和”工作的穩步進行，鋼廠的新建步伐逐漸放緩，既有鋼廠數量眾多、產能接近飽滿，改造升級也在持續加速中[1]。我國既有鋼廠因建立時間早從而有設計資料保存不完善、資料存在缺失、管理方式傳統、信息化覆蓋不全面等不足，因此基于數字孿生的三維鋼廠模型將成為主流。

鋼廠在傳統模式下，鋼廠內各個系統和技術是獨立的，目前既有鋼廠的電子地圖系統均基于二維地圖，無法真實還原位置信息和地圖空間信息，無法有效地滿足對重點區域、重點場所、重點建筑的三維數字應用條件。同時，缺少配套地圖管理平臺，缺乏地圖信息迭代、鋼廠信息更新維護、保證地圖時效性等功能，大部分業務系統地圖能力與業務應用的深度結合有待進一步提高。

因此，本文以某鋼鐵集團為研究對象，基于數字孿生技術、物聯網技術、無人機傾斜攝影技術等，依托Unreal Engine（UE）引擎進行構建，以智能化和數字化解決方案為主攻方向，對既有鋼廠的全廠區范圍實現精益化、精細化、智能化管理，著力推動優化產業升級。

1 "基于數字孿生的既有鋼廠三維地圖研究背景和需求分析

1.1 "研究背景

以某鋼鐵集團鋼廠為例，創建全廠區三維可視化平臺，助力企業加快推進數字化建設，通過對鋼廠全廠區數字化項目各功能的分解及功能架構的設計，能更高效、迅速、有序地推進鋼廠全廠區數字化項目的建設實施。本次項目符合全面貫徹國家工業化與信息化“兩化”融合發展政策，以智能制造增強企業的核心競爭力為中心，加快企業數字化轉型發展步伐，為該鋼廠全面數字化打好堅實基礎，實現全廠區的可視、可管，進而實現智能化廠區一體管控平臺的建設。

1.2 "需求分析

本項目面向廠外參觀人員、職工、管理人員，為了將公司地圖、廠區信息、分廠各項生產數據、廠區內監控數據和業務數據與三維模型相結合，帶給用戶更加沉浸式的體驗，打造更加直觀、高效、精細化和精準化的廠區管理模式，最終形成智能、高效、聯動的全方位監控指揮系統。

1.2.1 "三維地圖展示需求概述

首先提供廠區范圍內的三維模型，包括某鋼鐵集團生產基地正門、鋼絲繩廠、高線廠、焦化廠、原料場及廠區道路、監控等地物模型，將建筑信息與模型進行一一對應，可查看建筑的外觀、名稱、建設日期和建設用途等。

1.2.2 "鋼廠數據管理需求概述

隨著廠區的不斷建設，各類建筑、道路、監控等信息發生變化，缺乏可實時反饋的有效的統一管理。為實現廠區數據感知、展示、管理和決策的閉環管理，需要充分利用現有各類傳感器的全息數據、業務系統數據、監控視頻數據等，其數據管理框架如圖1所示。將所有數據信息采集到數字孿生系統中，形成可視化報表進行展示，同時實現各類數據的增刪改查等操作。系統還應擁有物流態勢分析、人車物定位軌跡、生產事件管理等核心功能。

2 "關鍵技術

2.1 "無人機傾斜攝影技術

2.1.1 "工作原理

傳統的使用3d MAX等建模軟件所構建的三維模型，大多需要人工手動進行建模，而傾斜攝影模型是使用無人機對實際物體從前、后、左、右、上5個不同方向進行高精度照片拍攝，通過高效專業的數據處理流程自動生成的地物模型，改善了傳統軟件建模高度依賴人工、數據精度低等缺點，能夠在短時間、低人工消耗的前提下輕松為待采樣地物、建筑等進行建模[2]，其路線流程圖如圖 2所示。

2.1.2 "工作參數

無人機傾斜攝影技術的工作參數由布局關鍵點及航線和設備參數組成。

布局關鍵點是無人機傾斜攝影業內影像解析和建模的基礎，可用于糾正因定位受限或電磁干擾而產生的位置偏移或精度不足，以及氣壓計引起的高差問題。

圖2 "無人機傾斜攝影技術路線

其次是航線和設備參數設計主要包括地面分辨率、航行高度和像片重疊度等。地面分辨率是指每毫米所能辨別的黑白相隔的線對數，以像元的大小來表示。航行高度由相機參數和地面分辨率所決定，其飛行高度計算由式（1）表示

H=■ ， （1）

式中：H為飛行高度，單位為m；f為鏡頭焦距，單位為mm；GSD為鋼廠地面分辨率，單位為m；α是像元尺寸，單位為mm。

像片重疊度由航向重疊度和旁向重疊度組成。其重疊度計算如式（2）所示

式中：pX，qY分別為航向重疊度和旁向重疊度，%；p′X，q′Y分別為航向和旁向標準重疊度，%；Δh為鏡頭基準面的高差，單位為m；H為攝像航高，單位為m。

最后確定航高和重疊度后，可計算航線距離，其航線距離如式（3）所示

式中：Sx為飛行距離，單位為m；qY為旁向重疊度；Ki為絕對航高，單位為m；Ji為最高點高程，單位為m；b為鏡頭焦距，單位為mm；m為底片寬度，單位為mm。

2.2 "數字孿生技術

數字孿生技術是指利用數字技術對物理實體對象的特征、行為、形成過程和性能等進行描述和建模的過程和方法，在虛擬空間構建物理實體對象，采用建模和仿真分析等手段，實現物理空間和虛擬空間的深度數據信息融合，通過數字孿生進行數據感知、智能分析與決策，從而實施控制實物的狀態和行為[3]，其系統模型如圖 3所示。

基于鋼廠現有的數據采集基礎，通過構建數字鋼廠基礎信息系統，對地理信息數據、業務數據、人車物定位數據等進行統一管理綜合信息后，采用NURBS曲面重建技術，生成與實際物體對應的虛擬實體，并組合這些虛擬實體以構建三維鋼廠場景模型[4]，NURBS曲面有理分式如式（4）所示

式中：P為控制頂點；W為權因子；參數i和j的取值范圍分別為[0，n）和[0，m）；N分別為u向k次B樣條基函數和v向l次B樣條基函數。

3 "系統實現

3.1 "三維可視化平臺技術架構

全廠區三維可視化平臺首先基于三維模型進行拓展，對于既有鋼廠地圖的三維呈現多采用逆向建模的方式，通過傾斜攝影、無人機飛掃的方式進行，直觀還原廠區內受關注區域的地理信息空間[5]，其平臺技術架構如圖 4所示。

通過Unreal Engine（UE）引擎進行構建，利用UE引擎實現3D建模、實時渲染和交互控制等技術，實現對物理對象的精準映射和實時監控，并采用C/S架構方式進行便捷化一鍵部署。為了使來自分布式節點的各地圖服務可以相互疊加，必須采用統一的金字塔分層規則，各層的顯示比例固定，顯示比例計算方法如式（5）所示

式中：p為地面顯示比例；g為地面分辨率；s為屏幕分辨率；a為地圖分辨率；d為緯度；r為地球長半徑；x為像素；Level表示比例尺的級別，最小為0；屏幕分辨率取值為96 dpi（每英寸點數）。

3.2 "三維地圖展示系統

三維地圖展示作為首先要呈現在用戶面前的功能，承擔了系統的交互行為，能夠真實有效地在系統內表達廠內資產的各項幾何信息，其系統框架圖如圖5所示。

其中廠區概覽模塊是系統的核心功能，既包括公司簡介及產品、廠區基本信息及企業榮譽等展示，還包括地物模型展示。地物模型分為自動漫游和地圖模式，可對廠區內各建筑、道路、設備等進行單體化操作，使其變成可單獨管理展示的模型，可進行相關信息實時展示。自動漫游模式中提供自動游覽功能，可以按照規定路線直觀地查看廠區生產運行情況、能耗情況等信息。

生產數據模塊具有分廠選擇功能，通過讀取生產控制系統的相關數據，實時展示生產設備運行狀態，結合訂單信息、質量檢測信息及產量信息，生成生產訂單一張圖，形成閉環管理，直接生成生產相關圖表，降低管理難度。通過多維數據融合，將廠區內重點區域的生產運行數據如生產信息、設備信息等以OPC、MODBUS等協議接入并以標簽形式疊加至數字孿生場景之上，接入異常事件數據，聯合生產、設備數據實現主動預警，構建數字孿生智能產線。

智慧安全模塊通過接入廠區各門禁閘機數據，實時展示人和車輛的出入記錄，實現各類自動檢測報警，包括行人闖入、車輛闖入、異常車輛等。同時檢測門禁閘機設備的運行情況。

通過可視化分區查看該區域監控列表。同時配有顯示監控點位置的廠區簡易小地圖，通過點擊監控點可查看該監控點實時監控畫面。另針對重點監管位置的監控畫面做實時展示，可隨時發現異常，避免事故發生。

通過三維地圖展示實現全程真實作業情況的實時同步監控，形成集中、統一的管理視角，實現了三維模型與現實的融合顯示，方便管理者從全局視角進行決策和操作。

3.3 "數據統一管理系統

在前端感知系統及生產業務系統中接入數據，統一數據源管理，構架數字倉庫，確保數據在信息空間中的準確性與完整性，完成實際物理系統到數字空間的基礎數據轉換。

通過數據接入，將重點數據進行分析和意義挖掘，生成同一模式的變化趨勢圖表。系統對全廠或重點區域內的生產數據、能耗情況、環保數據和故障數據等直觀查看，具備趨勢變化分析和故障報警能力，形成智能、高效、聯動的全方位監控指揮系統，為工廠的決策提供有力的依據，其數據系統框架圖如圖6所示。

圖6 "數據統一管理系統框架

3.4 "基于數字孿生的既有鋼廠三維地圖系統的應用意義

全廠區三維可視化平臺建設以來，已經初步實現了虛擬世界對現實世界的數字孿生，極大強化現有管理系統的功能，目前取得了如下成果。

3.4.1 "提升了管理手段

全廠區三維可視化平臺能有效推進企業的精細化管理，從宏觀、實時、高效的管理視角，為管理者提供了點、面結合的支撐能力，既可以縱覽全局，從廣度上概覽整體情況，又可以聚焦細節，從深度上把控具體落地。

3.4.2 "提高了生產效率

全廠區三維可視化平臺能實時監測和分析生產過程中的數據，及時發現問題和瓶頸，并采取相應的措施進行優化，從而提高生產效率和質量。

3.4.3 "提高了人員安全系數

全廠區三維可視化平臺通過對視頻監控系統、閘機、門禁系統數據介入后進行統一分析處理，及時發現人員異常，并發出報警，及時對異常行為進行處理，從而避免人員異常狀況帶來的安全隱患。

3.4.4 "降低了風險成本

全廠區三維可視化平臺通過監測及時發現安全風險和隱患，盡早解決可能發生的故障；通過安全仿真和模擬實驗來驗證和優化生產過程，從而減少原材料浪費和能源消耗，提高設備資產的利用率。

4 "結束語

基于數字孿生的既有鋼廠三維地圖，以信息物理系統為基礎，整合先進感知、計算、通信、控制和自動化技術，實現人、設備、物品、環境和信息之間的相互映射、實時互動和高效協作。從長期來看，全廠區三維地圖的建設能促進企業的數字化轉型和創新發展，幫助企業實現生產過程的可視化、可管性和可控性。

參考文獻：

[1] 朱曉波.“實現碳中和，需要創新、協作和區域差異性的規劃”[N].中國冶金報，2024-04-19（002）.

[2] 薛永安，葛永慧，張明媚，等.基于傾斜攝影測量技術的智慧校園三維建模[J].測繪通報，2018（S1）：52-54.

[3] BUTT J，MOHAGHEGH V. Combining digital twin and machine learning for the fused filament fabrication process [J]. Metals，2022，13（1）：24.

[4] 夏丹.數字孿生技術在智能制造領域的發展與應用[J].現代農機，2023（5）：118-120.

[5] 程相民，韓笑.基于數字孿生技術的三維（GIS）地理信息系統在智慧石化中的應用[J].中國石油和化工標準與質量，2024， 44（12）：187-189.