燃气输配生产和教育培训中三维可视化技术的应用

上海天然气管网有限公司 宣跃文

上海天然气管网有限公司在燃气输配实际工作方面常遇到诸如巡线及新进人员对燃气设备不熟悉、传统工艺流程图较为难辨、集中式教培难以对接生产实际、员工对生产信息不易及时掌握、设备故障解决易出现拖沓等问题，本文参照员工日常对信息处理、查阅的习惯，设想了这样一个交互系统，通过三维可视化应用的方式，阅览燃气管网各站点设备布局、站点内设备故障信息，对站点内的设备及设备关键部位进行标识并同步上传，保留并更新站点内设备的状态及运行情况，进行人机互动的教培、模拟管路上对设备操作的先后顺序等，并系统性的对上述问题加以改进。

1 模型的建立

作为三维交互界面，首先要将生产中的场景进行三维化数字渲染，通过交互设备进行展示、交互操作，即对燃气站点现场的设备建立三维化模型。设备中既包含站点内与燃气输配相关的设备，又包含这些设备附属的、关乎输配生产中需要巡检及保养维护的主要零部件。通过汇总及归类，得出所需三维建模的主要模型类别，及通过建模时进行参数修改所得到的各个类别下的不同模型。

根据不同参数建立部件模型，如：法兰、管道、螺栓、手轮；由不同参数的部件模型组成各设备模型，如：阀门、过滤器、调压器、仪表；由不同设备模型组成各站点场景模型。

1.1 部件建模

燃气输配生产设备中需要巡检及保养维护的主要零部件分别为：

(1)管道：各不同管径的管道；(2)法兰：各不同参数的法兰；

(3)手动球阀：根据接入管道管径大小来确定球阀主体、阀门手轮、阀门开关指示盘、进出口法兰；

(4)截止阀或节流阀：根据接入管道管径大小来确定的阀门主体、阀门手轮、阀门开关指示盘、进出口法兰；

(5)旋风过滤器：旋风过滤器主体、灰斗主体、相关法兰；

(6)安全阀：安全阀主体、相关法兰；

(7)过滤器：分为快拆式过滤器和常规式过滤器，包括过滤器主体、过滤器头部、表类连接处、相关法兰；

(8)调压器：分为飞奥立式调压器与费旭尔卧式调压器，包括调压器中部主体、调压器头部主体、调压器指挥器主体、切断阀主体、信号管连接部分、相关法兰；

(9)压力表及压差表：分为机械式与数字式，包括表身主体、针形阀；

(10)流量计：流量计主体；

(11)排污罐：排污罐主体；

(12)气包：气包主体、信号管连接部分、相关小球阀。

1.2 设备建模

燃气输配生产中需要三维建模的设备分别为：

(1)进站总阀门(包含电动阀门)；

(2)旋风过滤器；

(3)旋风旁通管道和旁通球阀；

(4)进撬体主阀门；

(5)进撬体安全阀；

(6)撬体内各级汇管；

(7)每一路过滤器的进出口阀门、旁通阀门、放散阀门、排污阀门、过滤器本体、机械及数字式压力表、压差表；

(8)每一路调压器的进出口阀门、旁通阀门、放散阀门、排污阀门、机械及数字式压力表、调压器本体；

(9)每一路流量计的进出口阀门、旁通阀门、放散阀门；

(10)出撬体(出站)球阀、节流阀、机械及数字式压力表；

(11)站内的排污罐及其上面的安全阀、消音器、排污阀；

(12)一些站点还包含了气包等设备。

1.3 站点场景建模

将燃气设备模型批量化建立完成后，根据站点实际设备配备情况，进行各个调压站、计量站点、清管站点模型的组装及调试布局，尽可能严格按照站点现场状况进行场景建模，并进行站点和设备的归类管理，比如：

“某A调压站”包含这些设备：站内各段管道、电动球阀、各个分段处的球阀、旋风过滤器、各个设备间的放散阀门、放散管道、排污阀门、排污管道、三路过滤器、三路调压器、三路流量计、若干机械式和电子式压力表、压差表等设备。

“某 B调压站”包含了一个较早建设的撬体和一个较新建设的撬体，简称“新撬”、“老撬”，分别包含有：站内各段管道、电动球阀、各个分段处的球阀、旋风过滤器、各个设备间的放散阀门、放散管道、排污阀门、排污管道、三路过滤器、三路调压器、两路流量计、若干机械式和电子式压力表、压差表等设备。

1.4 属性选项标记

根据不同设备或不同部件的特性、运行相关性，对每个站点、设备模型及零部件模型进行属性选项标记，见图1。属性标注分为以下三个部分：

(1)结构参数属性标注：站点、设备的结构组成、重要尺寸等；

(2)运行情况属性选项标注：设备运行是否正常；

(3)请求与反馈属性选项标注：对不同的属性选项可以加上属性变更时间。如上报维修属性选项可以备注上报时间、上报人；已维修属性选项可以备注维修时间、维修人等。

图1 属性选项标记

2 交互界面

交互界面分为上报、查阅和反馈三块，这些都可以在三维的交互场景下完成。三维交互界面设计成可应用于移动端设备中，便于随时查阅及使用。

部件模型建立完成后，可以打组成设备模型，设备模型再打组成场站模型。设备和场站模型都可分别设置成场景，在软件界面中以三维的视觉形式进行展现，见图2。每一个场站(场景)或设备(场景)进行浏览时可以在移动端设备上用手指进行拖拽、旋转、放大、缩小，场景中的每一个设备模型及设备模型中的重要部件都可以进行选取，以便进行标记、反馈。

图2 站点场景全局

将管网输配所涉及的各个站点，包括调压站、计量站、清管站，分别进行建模、打组、命名，软件交互界面的初始提供站点名称的列表和检索，当需要查看某个站点的详细布局和站内的设备时，就可以通过检索站点名称列表，快速找到，再点击站点名称，进入站点三维场景交互界面，见图3。

图3 站点列表选择、检索交互界面

2.1 标记并上报

为了方便对场景内的模型进行选择、标记，在软件选择项目中可以根据大小关系、内外关系进行快捷选项设置，设置选项依次展开，根据点选选项的内容，在交互界面中进行场景模型的相应隐藏显示与放大显示操作。

根据设备状况，可在三维交互界面中旋转模型，点选设备模型，弹出的反馈属性选项中选择如：“上报维修”→“泄漏”→附上上报人姓名及联系方式，见图4。

图4 通过设备选项卡查看并上报有故障的撬体内设备部件

在三维交互界面进行设备状况上报后，会在上报设备所在站点名称的上角进行高亮角标提示，红色为一级故障报修，如燃气泄漏、设备损坏；黄色为普通故障报修，如阀门紧涩，开关较难；蓝色为已经上报过的情况，还没有反馈或销根处理。有上报情况发生时，会通过软件的提醒功能，进行广播通知，便于通知的快速传达，见图5。

图5 首页站点故障提醒卡片

2.2 查阅与反馈

当检修人员在交互平台进行查阅时，会看到有上报情况的站点的高亮角标提示、点击站点名称进入站点全景概览、通过检查设备状态栏或是点击三维场景中的高亮标识，场景会根据交互操作适应性的进行无关设备透明显示，提高故障设备或部件的辨识度，并显示上报设备的详细信息如：上报人联系方式、设备详细位置、故障信息、维修史、螺母尺寸等，见图6。

图6 通过设备状态选项卡进行信息查阅

相关员工在查阅站点情况后，可点击情况反馈选项卡，在弹出的反馈选项卡中进行接报反馈和情况处理反馈。在站点有设备上报情况发生，产生高亮角标提示后，如果相关员工(如检修人员)没有在情况反馈选项卡中进行“维修完成”选项反馈，则站点名称和场景内的高亮角标提示不会消失，直到反馈了“维修完成”后，站点名称和场景内的高亮角标提示才会消失。这样防止员工对情况反馈产生遗忘，并且对发生的设备故障等情况起到提醒作用。

3 数据分类及统计

在数据前台显示方面，可进行一些汇总数据显示，如察看站点场景时，如果站点有过设备故障的历史，则会生成设备历史记录栏，在历史记录栏可以显示出站点内有近至远维修过哪些设备，展示为单独的设备选项卡，点击选项卡则会列举出这个设备在什么时候、出现过什么问题、解决问题的时间。

4 教育培训应用

三维可视化为主导的教育培训，主旨在于交互，在于直观。它用三维视图的方式进行燃气设备操作步骤的一步步解析，结合场站三维模型场景，加入相应的模型动画与文字解说，再进行对交互人员操作步骤的记录比对，即可形成一个针对一种设备操作的教培模块。在教培模块中可以按照顺序，做出设备开关的先后动画，并加以文字说明，每一步一个暂停，让学员自己选择进行下一步或是停在某个步骤详细学习，这样直观的方式可以让学习效率提高，并易于理解。再以三维可视化的操作方式让学员进行模拟操作交互，并可以指出操作错误或遗漏步骤，让教培不再枯燥乏味。

5 结语

三维可视化的方式是符合人类世界认知的，在三维可视化的基础上进行生产中的交互、信息传递，能极大提高员工对生产环境的宏观认识；三维可视化的方式整合了较为全面的信息阅览，方便生产信息透明化，减少员工们的生产全局盲区；三维可视化的应用在技术飞速发展的现在和未来，会是改变我们生产和生活的重要方式，也将会让燃气管网输配管理提升至新的台阶。