三维数字化技术在数字化工厂的应用

黄靖丽

[摘 要] 利用三维数字化技术，建设数字化工厂是响应国家两化融合政策的重要抓手。《原材料工业两化深度融合推进计划（2015-2018年）》提出：石化行业重点发展炼化关键主装置及工厂的三维数字化技术与模拟仿真、优化控制和调度计划技术等，对工厂生产全流程实现安全可视化管理和控制。在工程建设方面，重点发展协同一体化技术，建立工程数字化交付標准体系，实现工程数字化设计和交付的标准化管理。

数字化工厂已成为当前国内外石化企业信息化建设的主流趋势。建设数字化工厂是企业提高运维管理水平的客观需要。通过建设数字化工厂，可实现生产运营的数字化、模型化、可视化、集成化，从而提高企业劳动生产率、安全运行能力、应急响应能力、风险防范能力和科学决策能力。

[关键词] 三维数字化技术；数字化重建；三维建模；智能业务

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 01. 023

[中图分类号] F270.7；TP391.7 [文献标识码] A [文章编号] 1673 - 0194（2018）01- 0055- 03

0 引 言

一个物理的工厂，必定有一个数字的工厂和它对应。物理工厂是企业的资产，数字工厂也是企业的资产。数字化工厂，即利用三维数字化技术，在计算机中构建一个物理工厂完整、精细、可维护的虚拟镜像。

数字化工厂解决方案，由数字化重建、数字化工厂基础平台、智能业务应用组成。生产装置的数字化是建设数字工厂的基础，数字化重建，即利用专业的三维工程设计软件，辅以三维激光扫描，构建装置工程级三维模型，实现装置的三维数字化。数字工厂基础平台是数字工厂的核心，用以管理数字化重建的数据，支撑智能业务应用。智能业务应用是数字工厂价值实现的途径，利用数字工厂完整、精细的工程信息和简单、易用三维人机交互，针对困扰工厂运行管理的业务问题，提供高效、便捷的智能化工具。

1 数字化重建

1.1 数字化重建技术路线

采用专业的三维工程设计软件，构建装置工程级三维模型，并采用三维激光扫描获取现场点云数据进行校验，确保其与现场的一致性。在此过程中，对图纸资料进行重整，发现资产信息异常。该技术路线相较于传统的3DMAX三维建模，成本低、效率高，其构建的工程级三维模型不仅可准确表达装置设备设施的外形和空间位置，还包含工程属性和拓扑连接关系，粒度可到达零部件级别，可实现石化装置等密集资产的三维数字化，有效支撑设备管理三维应用，是石化行业三维数字化建设的主流趋势。并以工程级三维模型为基础，部署数字化工厂基础平台和智能业务应用。

1.1.1 工程级三维建模

依据设备、结构、管道、电气等专业的图纸资料，采用专业的三维工程设计软件，构建工程级三维模型。建模流程如下：

（1）收集图纸资料。收集、整理项目相关设计、施工及改造图纸资料。

（2）建立数据库。建立三维模型设备外形库、钢结构库、管道等级库、管道元件等级库。

（3）建立三维模型。采用三维工程设计软件，建立具有设备外形、结构、管道、电气等的三维模型。

1.1.2 三维激光扫描

采用三维激光扫描仪对现场进行三维激光扫描，获取精准的空间坐标信息及现场照片，对三维工程设计软件建立三维模型进行校验，确保三维模型的准确性。三维激光扫描流程如下：

（1）现场勘查。项目开始前，需要对采集数据地点进行踏勘，对其周围的地理环境，天气因素、人为影响做一个系统的了解，做好计划，防止采集数据发生的意外，同时规划扫描路线、精度及时间。

（2）布站扫描。三维激光扫描布站以“全覆盖，重点抓”的原则进行合理布站，根据工厂的实际情况进行布站。“全覆盖”指的是所需建模区域全部扫描，此部分可辅助正向建模自主校核。“重点抓”是指对于管线密集区，管线走向变更，管线仪表区进行重点高精度扫描，以确保360°无死角。

（3）数据处理。三维激光扫描完成后，检查数据一致性，分区拼合点云数据，与采用工程设计软件构建的三维模型进行比对校核。

1.1.3 智能绘制

利用专业的智能绘制软件，绘制工艺流程图，实现工艺信息的数字化。工艺流程图中元件与三维模型均具有对应关系，可与三维模型进行一致性检查及二三维跳转。其绘图流程如下：创建项目图形库、管线库并绘制工艺流程图。工艺流程图绘制流程如下：

（1）创建管线库。管线库中包含管线的介质，设计/操作压力，设计/操作温度，管道等级，起点终点，保温类型等工艺属性。

（2）创建图形库。绘制各设备、仪表等的标准图符，并设置其类型、位号、名称、压力等级等属性。

（3）绘制工艺流程图。从图形库和管线库中选取图形文件或者管线号，绘制工艺流程图。

2 数字化工厂基础平台

数字工厂基础平台（以下简称平台）是整个数字化工厂解决方案的核心。首先，平台是数字工厂模型的载体，接收、存储、管理来自数字化重建的三维模型。其次，平台以三维模型来组织信息，以三维可视化作为主要的展示方式和交互手段快捷、准确掌握工厂信息。然后，平台提供多种集成第三方系统的手段，有效避免信息孤岛。最后，平台是一个应用程序的开发框架，通过二次开发接口支撑应用开发，快速产生业务价值。

平台自下而上分为：数据层，操作层，UI组件层，应用功能层。其中，数据层、操作层和UI组件层作为平台支撑应用的二次开发框架；应用功能层提供了信息组织、展示、获取、利用的一系列基础功能；此外，平台包含了丰富的与第三方系统连接的集成接口。

2.1 数据层

平台中存储多种数据，包括三维设施、三维地形、智能图档、普通图档、点云和树形分类结构。endprint

2.2 操作层

操作层提供对数据操作的开发接口，包含三维模型操作、图档操作、几何操作、编号操作等。

2.3 UI 组件层

平台提供UI组件供开发人员进行UI相关的二次开发；UI组件层包括三维浏览组件、文档预览组件、信息检索组件、智能图档浏览组件。

2.4 集成接口

平台数据集成接口可以通过OPC、ODS、ESB等标准接口，也可以通过定制开发与实时数据库系统、EM系统等进行集成；并提供多种形式的接口，为后续的系统开发和集成提供良好的支持。

3 智能业务应用

3.1 可视化门户

通过数字工厂基础平台集成生产运行数据、设备状态监测数据、环保监测数据、视频监控画面数据等，以三维数字化技术为基础，打造可视化的信息管理门户，降低信息获取和使用门槛，辅助培训和应急管理，支撑物理制造空间与信息空间的无缝对接，实现工厂全生命周期信息的所见及所得。

3.1.1 设备运行监测

通过与DCS系统、大机组状态监测系统、机泵群监测系统、加热炉监测系统或实时数据库的集成，基于三维场景和工艺流程图，实时监测流量、压力、温度等生产运行数据以及震动、位移等设备状态监测数据，查看数据历史曲线，调取监控视频，并利用设备三维模型快速获取设备工程信息和随机资料，综合分析设备运行状态和运行参数趋势，确保设备安全运行。

3.1.2 HSE风险管控

在三维场景中直观展示环保监测点的空间位置，查看监测环保监测点数据。在三维场景清晰直观地查看危险源的空间分布，查询危险源属性、产生风险的性质和级别，便捷高效地对危险源进行管理。通过集成视频监控系统，在三维场景中可准确获知监控设备的空间位置，快速调取监控视频画面，监控装置现场状况。

3.1.3 辅助应急管理

在三维场景中开展爆炸事故、火灾事故、泄漏事故等的模拟和分析，模拟预测事故发展态势，便于事故发生时快速准确决策，为指挥救援、现场控制及事故原因调查提供指导，提高灾害事故的现场处理水平。同时，工厂管理人员可以在三维场景中快速直观查询厂区应急资源分布及具体信息，辅助应急响应与决策，提高紧急情况下信息获取效率，提高应急救援的准确性和有效性，提高企業应急管理水平。

3.1.4 辅助培训

传统的工艺流程培训，工厂运维人员通过纸质或电子工艺流程图学习装置工艺原理，通过装置现场“跑流程”的方式熟悉装置空间布置，费时费力、效率低下，且存在安全隐患。在可视化门户中，工厂运维人员可通过智能P&ID学习装置工艺流程，通过智能P&ID与三维模型的关联性，快速定位智能P&ID中设备的三维模型，进一步了解该设备的空间位置、工程信息，查看与该设备三维模型关联的设备图纸、随机资料，可大幅提高培训效率和效果。

3.2 检修方案模拟

基于三维场景，进行施工方案模拟，使施工方案编制从传统的现场勘测、查看图纸的低效率工作模式中解放出来，并为业主对施工方案的审核提供可视化的依据。

3.2.1 吊装方案模拟

施工单位人员在三维场景中选择待吊装设备和吊车型号，设置吊车位置，进行吊臂伸缩、升降、转臂等操作和碰撞检查，确定最佳吊装过程以及需要拆除的设备、设施，并形成可视化效果。设备员在系统中查看吊装方案文字说明和可视化效果，对吊装方案进行查看。设备员可以在可视化效果的基础上，模拟设备吊装过程，查看吊装作业周围的设备、设施，并进行碰撞检查，对吊装方案的合理性进行验证。

3.2.2 动土作业模拟

在区域动土作业时，施工方由于不清楚地下设施空间信息，开挖审批手续办理不全，造成动土作业损坏地下设施。

通过对地下管道、系统电缆等地下设施的勘探，构建地下设施三维模型，在三维场景中，通过地面透明直观查看地下设施的空间分布情况，查询其工程属性和管理单位，模拟基坑、管沟等动土作业方案，自动计算土方量，防止动土作业破坏地下设施，确保动土作业安全高效开展。

3.3 检修材料统计和工程量计算

成本控制是石化企业的核心工作内容，其中之一就是检维修过程中的费用控制。在传统的费用估算过程中，往往因为数据信息的不准确以及统计不全面，导致在计算过程中层层放大，从而导致统计的结果与实际有20%-50%不等的误差。

基于工程级三维模型，数字化工厂基础平台提供准确的检修材料统计、防腐保温工程量计算和脚手架工程量计算工具，高效准确，能有效控制成本。

3.4 腐蚀数据中心

传统的腐蚀管理系统，腐蚀监测位置通过大量的单线图进行标识，在单线图上仅能标识一个监测位置，而对于一个位置的四个测厚点，则通过后附说明进行描述，静设备管理人员难以据此直观了解装置腐蚀的分布情况，进而分析腐蚀规律。

利用装置工程级三维模型，标识腐蚀监测点，集成腐蚀监测数据，根据腐蚀速率或壁厚减薄率以不同的颜色展示，静设备管理人员可在三维场景中直观查看腐蚀检测点的准确空间位置，查询其基本信息、检测结果和趋势图，分析随空间位置变化的腐蚀规律，以更科学高效地开展腐蚀管理工作。

主要参考文献

[1]工业和信息化部原材料工业司.原材料工业两化深度融合推进计划（2015-2018年）[Z].2015.endprint