3 D可视化石化装置安全管理系统的开发

业 成王雯雯于永亮夏志敏

（1.南京市锅炉压力容器检验研究院 南京 210002）（2.南京金创有色金属材料科技发展有限公司 南京 211162）

3 D可视化石化装置安全管理系统的开发

业 成1王雯雯1于永亮1夏志敏2

（1.南京市锅炉压力容器检验研究院 南京 210002）
（2.南京金创有色金属材料科技发展有限公司 南京 211162）

本文介绍了3D可视化石化装置安全管理系统构成、功能和实验途径，该系统将三维激光扫描和GIS技术运用于石化行业，通过数据处理建立石化装置测绘级精度、全尺寸、全真实体的三维数字模型，并通过添加GIS信息和设备属性信息，实现石化装置3D可视化管理、分层管理、设备检维修和施工改造模拟、事故影响范围及应急救援最佳路径模拟、工作人员仿真培训等安全管理模块，为石化企业设备管理提供了新的技术平台。

石化装置 安全管理 三维激光扫描 3D可视化 分层管理 仿真培训

1 石化装置管理现状

传统的石化装置管理大多采用图纸加账簿的方式，即采用抽象的文本数据表示设备的各种属性，使用二维表格展现数据的逻辑关系，利用视图体现系统的功能结构。但随着现代化大生产的发展和科技的进步，石化企业的规模不断扩大，各种装置和系统正朝着大型化、连续化、复杂化、精密化和柔性化的方向发展[1]，传统的石化装置管理模式也逐渐暴露出它的局限性，主要表现为[2]：

1）采用卡片和台账式的手工管理方式，全部以纸张为信息载体，成册装订存放，占用空间，易损坏、丢失，且不利于综合查询；

2）信息更新效率低，资料收集整理速度慢、周期长，且过程繁杂，从而造成检维修不及时，设备超期未检，疲劳运转现象时有发生；

3）缺少可视化监控手段，对整个装置的空间位置和空间尺寸了解不够，从而造成在装置维修和改造的过程中由于空间位置的限制不能达到预期效果，检维修计划准确率低，维修过剩或不足现象时有发生；

4）缺少状态监测技术，对设备在使用中出现的故障、事故、设备技术状况等分析处理不够快捷、准确。有关维修和改造方法、费用、事故等分析手段不够先进。

随着虚拟现实技术的发展，3DMax和Virtools等一系列3D制作软件应运而生。很多大型石化企业将3DMax和Virtools软件应用到装置管理中，立体的展现装置3D模型。但使用3DMax或Virtools软件制作石化装置3D模型需详细收集装置空间几何尺寸，往往要深入到装置内部或搭建脚手架才能精确测量到每个设备的尺寸，工作量大，且很多设备由于空间位置的限制，无法人为的测量到精确的尺寸。因此仅仅采用3DMax和Virtools等软件建立的石化装置3D仿真模型并不能获得精确的尺寸参数，并且数据采集工作量大[3]。本文采用三维激光扫描技术，基于TopoGis平台空间定位，无接触的、自动获取设备空间尺寸，建立设备全尺寸三维真实模型，添加设备属性信息，同时在真三维模型的基础上开发设备安全管理功能，建立了一个3D可视化数字工厂。

2 三维激光扫描技术

三维激光扫描技术（3D Laser Scanning Technology）是20世纪90年代发展起来的一种快速获取空间三维信息的全自动高精度立体扫描技术，能够快速、大量、精确的获取被测物体的三维信息，实现了从传统的单点数据采集向连续的、密集型自动数据获取技术的转变。与传统测量技术的单点获取方式不同，三维激光扫描仪是从水平到垂直的全自动高精度步进式扫描测量系统，通过不同站点的连续扫描，可以得到完整、全面的三维空间信息[4]。每个点不仅包含空间坐标信息（X、Y、Z），还包含激光反射强度（Itensity）信息、颜色信息（RGB）和目标实体丰富的影像信息，为快速建立物体的三维全真、实体模型提供了一种全新的技术手段，凭借高采样率、高分辨率、高精度、非接触性、数值化采集等优势，广泛应用于水利工程、古建筑修复等行业[5]。

3 系统构架

本系统包括三维数据采集、三维模型建立和功能应用开发三个环节，其系统构架如图1所示。

图1 系统构架图

3.1 三维数据采集

三维数据采集主要包括点云数据采集、图像信息采集和地理位置信息采集。由于石化装置庞大复杂，采用三维激光扫描仪扫描时由于仪器视角有限，一个站点只能采集有限的点云，故而需要从不同位置、不同视角进行多次扫描，为保证后期数据拼接的准确性，应使相邻测点扫描的影像具有一定的重叠度，一般重叠度应保证在10%以上[6]。本系统使用Surphaser三维激光扫描仪对某石化装置进行整体和部件扫描，共设置了44个站点。同时使用高分辨率的数码相机，对测区内的各种管线和设备进行多角度的拍摄，采集图像信息。地理位置信息的采集使用华测X90双频GPS接收机，利用先进的CORS系统，在GPS接收机上设置好坐标系统，采集装置的地理位置信息。

3.2 三维模型建立

三维模型的建立主要包括点云数据的拼接、点云抽稀、点云去噪、点云平滑、模型建立和组织等过程。本系统基于Leica Geosystems Cyclone 7.3软件，同时加载和管理海量的点云数据，完成石化装置影像数据点的三维空间量测、点云影像可视化、空间数据三维建模、纹理分析处理和数据转换的功能。

3.3 功能应用开发

本系统使用LOV技术（视图优化加载技术），在TopoGis系统平台上搭建三维模型系统，搭建石化装置全真3D模型，并连接SQL Server属性数据库，动态的添加设备的属性信息和检维修记录报告，同时通过C#.net进行二次开发，实现了3D可视化管理、分层管理、设备检维修和施工改造模拟、事故影响范围及应急救援最佳路径模拟、员工培训等设备安全管理模块。

●3.3.1 3D可视化管理

系统基于TopoGis平台，利用三维激光扫描技术建立石化装置全尺寸3D真实模型，提供多角度观察、放大、缩小、漫游、旋转、任意路线飞行等三维可视化效果，同时链接数据库添加设备属性，实现对石化企业各种装置设备空间信息和属性信息的GIS动态管理，使管理人员能快速查询设备的基本属性，如设备参数、维护保养记录、检验报告等信息，如图2所示，界面中所显示模型即为该装置的全尺寸3D真实模型，任何一台容器、任何一根管道、任何一个阀门等都与装置现场设备的尺寸、空间位置、地理坐标完全一致。

图2 设备基本属性查询

●3.3.2 分层管理

管理者可通过属性设置将整个装置区的对象分放在不同的图层上，实现同类对象的统一管理，并通过开关不同的图层，实现关键设备的保密消隐功能，如图3所示，界面中只C1（第一层）设备，C2（第二层）、C3（第三层）设备隐藏，管理者可以在分层管理界面中快速、直观地找到和获取所关心的设备和信息。

图3 分层管理

●3.3.3 设备检维修和施工改造模拟

系统全尺寸的建立石化装置模型，管理者可以精确测量任意点的坐标、点间的水平距离、竖直距离，并计算起点和终点间的位置差，其精度可达毫米级，从而为设备的检维修和安装施工改造提供可靠的尺寸、数据。设备工程师可在3D模型中快速查询管线、阀门、仪器设备的数量、尺寸、空间距离等信息，在计算机中事先完成管线、弯头、仪器设备的模拟更换与设计，避免发生现场操作空间不足、施工条件无法满足设计要求的现象，如图4，图5所示。同时，通过精确计算设备更换参数，可以为工程预决算提供精确的设备尺寸、长度等信息，避免施工单位虚报工作量。

图4 空间测量界图

图5 设备施工改造模拟

●3.3.4 事故影响范围及应急救援最佳路径模拟

系统结合事故现场的风向、风速，通过对危险介质泄漏区域速度场、浓度场的模拟，以及爆炸冲击波TNT当量的换算，可以实现定量划分泄漏爆炸的危险区域、危险等级以及冲击波的破坏程度，测算影响区域和事故等级，并在GIS平台上准确显示应急救援最佳路径，提出抢修抢险和人员疏散的智能决策，有效缩短抢救时间，减少损失，如图6所示。

图6 事故影响范围模拟

●3.3.5 员工仿真培训

系统提供从不同角度对场景进行漫游，全方位浏览模型对象的真实全景，使人获得身临其境的感官体验。本系统开发了员工仿真培训模拟，真实的三维立体装置模型可以让受培训员工不到现场就能直观、快捷地了解掌握装置的工艺流程，设备的属性参数等，从而提高培训的针对性和实效性，如图7所示。

4 结束语

本系统前瞻性的将三维激光扫描技术和GIS系统引入石化装置，同比例、全尺寸的建立3D真实、全景模型，并且添加设备属性，开发了设备安全管理模块，同时系统基于B/S模式，能实现跨区域之间的共享，让企业管理者随时随地都能了解装置的运行状况。本系统适用于石化、钢铁、能源、电站等大型企业的设备、装置、系统或整个厂区的可视化管理，但考虑到建模的工作量和成本，推荐在设备和成套装置上使用该技术。

目前该系统已运用于某石化企业，投用以来运行状态良好，基于B/S模式的多点登录系统，避免资料的频繁转移和搬运，友好的人机交互界面和强大的功能模块极大的简化设备管理员的工作，为设备维修、改造开创新的思路，为企业管理决策提供强大的数据和图像支撑，下一步该系统将进一步根据企业需求，梳理设备、装置管理流程，在3D可视的基础上完善开发应用软件，扩展系统功能，满足企业精细化管理要求。

1 宋植林，罗维东，徐静，郭永耀.石化设备管理信息系统的开发及研究[J].中国科技信息，2006(21).

2 沈顺成，唐超，余鑫.石化企业设备维修数据多视角管理[J].石油化工设备，2009(38).

3 蔡武，陈果，朱志敏，梁宇云，王静涛.基于3DMax和Virtools的矿井虚拟仿真系统设计[J].煤炭工程，2011(1).

4 王瑜，刘西涛，王照星，薛勇.三维激光扫描技术在石化企业的应用[J].测绘通报，2011(11). 5 蔡润彬.扫描数据后处理若干关键技术研究[D].同济大学博士论文，2008.

6 刘旭春，丁延辉.三维激光扫描技术在古建筑保护中的应用[J].测绘工程，2006，15（1）：336～337.

Development of Petrochemical Plant 3D visualization Safety Management System

Ye Cheng1Wang Wenwen1Yu Yongliang1Xia Zhimin2
(1.Nanjing boiler and pressure vessel inspection institute Nanjing 210002)
(2. Nanjing Jin Chuang Non-ferrous metal Materials Science and Technology Development Nanjing 211162)

This paper introduces the structure, functions and realization approaches of petrochemical plant 3D visualization safety management system, which uses 3D-laser scanning and GIS technology. Mapping level accuracy, full-size and real three-dimensional digital model of petrochemical plant is built. The 3D visualization, hierarchical management, simulation of equipment inspection and construction renovation, simulation of the scope of the accident and the best path of emergency rescue, staff training and any other security management modules are realized by adding the GIS information and equipment information.

3D Laser Scanning Petrochemical Plant 3D Visualization Hierarchical management Simulation training

X937

B

1673－257X(2014)07－22－04

业成（1974～),男，高级工程师，博士研究生，从事承压特种设备安全保障技术研究。

2014－05－20）