內(nèi)蒙古匯能集團長灘發(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

北京必可測科技股份有限公司 張 燈

關(guān)鍵字：空冷機組；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、電氣、脫硫、化學(xué)多個專業(yè)，每個專業(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)計一套合理的技術(shù)架構(gòu)和人機界面，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)過程中的一個關(guān)鍵點。

內(nèi)蒙古匯能集團長灘發(fā)電有限公司2×660MW超超臨界新建項目，為了解決上述問題，以逆向工程的標準構(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)出一個基于火電廠全流程，涵蓋工藝模擬、地下管網(wǎng)測漏、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

為了有效管理全流程三維模型，使得系統(tǒng)在基建和運維階段能滿足電廠的業(yè)務(wù)需求，設(shè)計了本系統(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)計的最下一層，主要作用是將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一的原始數(shù)據(jù)，包括：設(shè)計院或設(shè)備廠家提供的設(shè)計模型、圖紙、文檔和用戶配置數(shù)據(jù)，按系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)范制作成標準三維模型組件。這些組件可以通過其特征參數(shù)調(diào)整外觀形狀，同時可以在場景層中任意組合，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準組件：

標準組件 主要特征參數(shù) 備注直管段 管徑、長度、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、數(shù)量、排列…設(shè)備軸承 類型、外徑、內(nèi)徑…

2.2 場景層

場景層的是架構(gòu)設(shè)計中數(shù)據(jù)層的上一級，作用是基于標準三維模型組件構(gòu)成三維場景。

因為系統(tǒng)每次只會加載一種場景，場景在切換時會先釋放當(dāng)前場景的資源，所以為了保證系統(tǒng)的執(zhí)行效率和軟件功能的實現(xiàn)，根據(jù)電廠工藝流程的特點將全廠模型劃分為三種級別：廠級、系統(tǒng)級和設(shè)備級。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層是架構(gòu)設(shè)計的最上面一級。作用是利用三維場景和人機界面，實現(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)建三維場景，逆向工程是對已建設(shè)完成的現(xiàn)場進行設(shè)計技術(shù)再現(xiàn)，逆向工程的原始素材包括：設(shè)計院或廠家提供的設(shè)計模型、圖紙、工程文檔、現(xiàn)場采集的點云、視頻和照片。

在構(gòu)建場景時，優(yōu)先使用標準三維組件，以搭積木的方式來構(gòu)建。標準件不滿足要求時，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景再次復(fù)制使用，則將其作為新的標準組件；如果此模型其他場景不再使用，則不將其作為新的標準組件。

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

場景等級 模型細節(jié)要點 備注廠級主要設(shè)備外形；煙風(fēng)道和較大管道；廠房、鍋爐鋼架。系統(tǒng)級 工藝流程相關(guān)的設(shè)備；管道、閥門等連接部件。設(shè)備級設(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：明確各場景需要實現(xiàn)的功能和輸入輸出數(shù)據(jù)。

交互設(shè)計：設(shè)計各功能模塊的人機交互界面和動態(tài)方案。

程序編碼：根據(jù)上述設(shè)計內(nèi)容完成程序編碼。

系統(tǒng)測試：將程序部署到現(xiàn)場硬件環(huán)境中，測試系統(tǒng)的功能、技術(shù)指標是否達到預(yù)定要求。

火電廠的實際生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備密度非常高，因此基于現(xiàn)場構(gòu)建的三維模型也有同樣的特點。火電廠工藝流程涉及多個專業(yè)，分別由不同專業(yè)的人去管理，各用戶關(guān)注的重點流程和設(shè)備會有不同?；痣姀S全流程三維場景數(shù)據(jù)量大，加載和運行這些數(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)以多級菜單和勾選方式，用于控制開關(guān)單個系統(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。中間的三維場景為全熱點三維模型，鼠標可交互每個設(shè)備、管段、閥門，查看相關(guān)工程信息。

3.3 場景輕量化

由于需要表現(xiàn)全廠的工藝流程，模型的對象數(shù)上萬級別，全部模型的三角面數(shù)量為百萬級別，如果不做任何處理就直接導(dǎo)入三維場景使用，運行速度會非常慢。三維場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

在三維場景構(gòu)建時，使用了電力設(shè)計院提供的Nurbs 模型，由于此模型是用于設(shè)計工作的，直接導(dǎo)入軟件開發(fā)的三維場景會產(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)計院提供的Nurbs 模型重建成Poly 模型，再導(dǎo)入三維場景，避免冗余的模型數(shù)據(jù)，可提升渲染效率。

3.3.2 多細節(jié)層次

三維場景在運行時，屏幕上同時可見的模型數(shù)據(jù)決定了系統(tǒng)的運行速度。當(dāng)鏡頭拉的較遠時，模型上的許多細節(jié)由于無法被用戶看清，會變成無用信息。

多細節(jié)層次技術(shù)可根據(jù)物體模型的節(jié)點在顯示環(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)和細節(jié)度，從而獲得高效率的渲染運算。比如在表現(xiàn)鍋爐模型時，當(dāng)距離較遠時，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，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，由于此時視野范圍有限，同時顯示的管線不會很多，從而保證了系統(tǒng)運行效率。

3.3.3 動態(tài)遮擋剔除

系統(tǒng)在運行時，用戶可自主移動鏡頭對三維場景進行觀察。當(dāng)有多個模型處于同一直線時，后方被遮擋的模型其實是無效數(shù)據(jù)，此時如果系統(tǒng)依然無差別完整顯示這些模型，會導(dǎo)致性能的浪費。

動態(tài)遮擋剔除是一種通過避免渲染背對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，大量位于水冷壁后方不可見的管道會被停止渲染，只有當(dāng)水冷壁被隱藏或是用戶將視角轉(zhuǎn)動到水冷壁內(nèi)部時，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)功能的特點和現(xiàn)場部署的實際情況，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APP 版三個版本，其中PC 和APP 版除了運行終端有差別，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：

比較項 客戶端版 網(wǎng)頁版驗證方法首次進入系統(tǒng)時，需輸入管理員生成的與該機器綁定的注冊碼。輸入用戶名和密碼。加載方式 一次性加載，場景切換速度快。異步加載，場景切換需等待。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。自動從服務(wù)器獲取最新的模型數(shù)據(jù)。畫質(zhì)效果 默認高畫質(zhì)，可手動調(diào)低 默認低畫質(zhì)，可手動調(diào)高

4.2 全工藝流程

系統(tǒng)打開后默認進入主場景的自動漫游模式，可通過右下角的菜單切換其他瀏覽模式或是進入其他場景。主場景預(yù)留了對外通信接口，可接入實時數(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，用戶通過手動激活介質(zhì)流向、查看設(shè)備管道閥門信息的方式進行流程展示。在演示模型下，系統(tǒng)以語音、文字、動畫方式自動演示流程。

所有工藝流程被分為鍋爐、汽機、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)、汽輪機抽汽系統(tǒng)、高低加疏放水系統(tǒng)、全廠潤滑油系統(tǒng)、間接空冷系統(tǒng)、采暖換熱系統(tǒng)、輔機干濕聯(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)控繼電保護系統(tǒng)、發(fā)電機勵磁系統(tǒng)、發(fā)電機定冷水系統(tǒng)、發(fā)電機密封油系統(tǒng)、發(fā)電機氫系統(tǒng)、發(fā)電機氫系統(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)為全熱點三維模型，鼠標可交互每個設(shè)備、管段、閥門，均可查看相關(guān)工程信息。同時預(yù)留了數(shù)據(jù)接口，用于實時業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的顯示。

4.3 重點設(shè)備建模

系統(tǒng)選取了32個重點設(shè)備（見下圖），進行了零部件級別的精細化建模：

選取特定的設(shè)備可進入其三維場景。系統(tǒng)在場景中實現(xiàn)了設(shè)備信息瀏覽、設(shè)備結(jié)構(gòu)演示、分解圖、運行演示、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，會導(dǎo)致生產(chǎn)現(xiàn)場的工藝流程異?；蛑袛?，甚至?xí)斐扇松砗拓敭a(chǎn)的重大損失。因此實時在線監(jiān)測管道狀態(tài)、事故發(fā)生時快速定位泄漏點、制定可靠的開挖和修理方案顯得尤為重要。

對于需要監(jiān)測泄漏的管道，選定管段安裝超聲傳感器，監(jiān)測信號通過4G 信號無線傳輸?shù)饺S系統(tǒng)主機的接收器，系統(tǒng)即可實時接受到泄漏監(jiān)測數(shù)據(jù)。當(dāng)泄漏發(fā)生時，三維場景將以圖標閃爍的方式，提示泄漏發(fā)生的準確位置：

在三維場景出現(xiàn)報警圖標后，點擊圖標，鏡頭會聚焦到報警點附近。通過鼠標指定對角線，可以在地面上選取一個矩形區(qū)域。系統(tǒng)會模擬該范圍被挖開，并顯示出地面下的管道和其他設(shè)施，實現(xiàn)開挖模擬功能。

三維場景中呈現(xiàn)開挖狀態(tài)時，用戶可點擊露出的管道查看管徑、類型、起止點等信息。用戶可調(diào)整鏡頭到合適的角度對三維場景進行截圖輸出，用于檢修計劃輔助。

5 總結(jié)

本項目首先對一個660W 空冷機組的生產(chǎn)涉及的全流程進行了三維場景（包含地上和地下部分）構(gòu)建，然后解決了大場景模型數(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)方案和人機界面設(shè)計，最終發(fā)布了多版本的三維可視化系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了全廠可視化、工藝流程演示、地下管網(wǎng)監(jiān)測、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。