增强现实技术在天然气液化行业的应用

刘科均(陕西延长石油天然气股份有限公司，陕西 延安 716000)

0 引言

目前，随着物联网、自主机器人、网络物理系统、服务互联网的兴起，工业格局正在经历第四次革命。这种转型也被称为工业4.0，是物联网与物理系统互联的新领域。它混合了软件、传感器、处理器和通信技术。因此，它在使物体能够将信息输入网络并最终增加制造过程的价值方面发挥了巨大的作用。工业4.0 的最终目标是一系列技术，为工业网络信息应用构建一个开放的智能制造平台，旨在将虚拟世界和现实世界融合在一起。随着这场革命而出现的一种新的工业机器人编程方法就是增强现实(AR)[1]。“增强现实”是一种将数字信息转化为图像或视频的可视化方式。

天然气液化工艺将原料天然气，经过预处理，净化(脱除影响液化以及贮运安全的杂质) 后，通过低温的方法(混合冷剂SMRC 制冷工艺) 使其液化成LNG。LNG 产品在LNG 储罐中储存，便于用户的储存和运输。然而，由于其生产过程中具有高温、高压、易燃、易爆等特点，如发生事故，对企业、人们和社会带来巨大的危害。如果能将AR 技术应用在液化天然气行业中，提供基于数据获取和远程通讯的性能改进的机会，既能保证安全生产、减少污染，又能助力生产。

1 AR 技术简介

AR 技术是一种将虚拟信息与真实世界巧妙融合的技术，广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后，应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。增强现实是一种交互式体验，可将数字对象集成到现实世界的用户环境中。用户可以使用带有摄像头(智能手机或平板电脑)，网络摄像头或专门设计的增强现实眼镜的移动设备查看内容。叠加的信息会粘贴到现实世界的对象上，并且无论摄像机如何移动，它们都会保留在原位。用户不需要将该信息存储在内存中，并且可以轻松地用相机将图形叠加在对象上。AR 通过嵌入在各种设备中的软件来增强现实，AR 设备补充了现实，使用户能够在没有实际工作中存在的障碍的情况下操纵、移动和执行操作过程。这些解决方案通过利用增强现实技术来改善和增强化工各个方面，例如：维护、维修、制造、现场服务、客户支持或培训。

2 AR 技术在天然气液化行业的应用场景探讨

2.1 工艺操作过程优化

目前液化工艺过程中，主要的操作还是利用老式的工作说明和纸质手册。而AR 可为工人提供分步指南，这些清晰的操作说明可以验证他们正在以正确的顺序执行正确的步骤，有助于消除错误并提高产品产量及质量，确保操作在第一时间就正确完成。AR 技术可以实时将 3D 模型强加到一台设备上，从而更快、更高效地解决一定范围的问题。配备 AR 移动设备或智能眼镜的现场技术人员可以立即访问操作文档，并查看目前现实中操作的工艺参数及步骤，如当前压力、温度、流量等，防止误操作，还可以为接下来操作所带来的后果进行提前分析及提醒。

2.2 远程协助维护和操作

AR 远程协助软件使工作人员能够有效协作。它创建了一个交互式环境，将数字信息叠加在物理世界的实时视频流上，诊断问题并针对需要解决的问题或需要完成的任务提供远程指导。例如一名工作人员携带着一个增强现实设备，该设备可以记录他所看到的实时视频流以及其他数据，如传感器信息。将视频发送给专家，它可以提供精确的解决方案和额外的实时信息，不需要搬到现场解决问题，这样能快速简便地排除故障，减少停机时间，同时节省设备厂家指导、出差费用的时间和成本。与通过听觉通信相比，AR 远程协助应用程序使用户能够更快、更有效地感知信息。用户或员工可以使用智能手机或头戴式设备远程解决问题，查看分步说明并从任何地方获取交互式的现场指导。AR 远程协助使用范围包括很多方面，例如：

(1)预防性的维护：检修项目、技改技措等提前性计划维护，以保证最大程度上减少可预见性错误；

(2)操作、组装说明功能参与：告别师傅带徒、书面、个人经验等客观困难，可以让操作和或者组装员工独立完成该项工作；

(3)随时查看服务检查说明：通过视觉扫描直接查询到设备及工艺专项服务说明书，随时随地查看，而不用提前准备或者耗时耗费去查看；

(4)及时了解和查看不熟悉程序的详细说明：操作或者维修过程中遇到不熟悉的项目或者程度，可以及时查询到详细说明，不浪费时间咨询专家或者找寻说明步骤；

(5) 充当合规检查表功能：操作前第一时间能咨询到合规步骤的顺序检查，不犯错，替代纸质合规检查表；

(6) 修复性维修建议：AR 的现实与虚拟的结合，可以直接通过视觉观察到设备损伤的界面和维修建议，包括该设备的材质、压力等维修相关信息，直接提出整改建议；

(7)性能面板展示功能：当操作人员的视觉方向扫描到想要维护或者操作的设备设施时，直接可以在该设备的视觉画面上展示当前设备性能、参数、工艺介质等详细信息，给予操作人员一个提示、查询、甚至安全提醒的全面信息；

(8)随时提供实时访问数据：监控、控制行动、中断、分析等相关信息，进一步降低误操，省时省力并且高质量高安全地操作或者维护[2]。

此外，AR 可以帮助液化站将一般技能应用到拥有的各种机器上，而不是派工人到场外培训。它可以指导员工完成特定的修复或预防性维护任务，如此大部分员工都可以完成任务，而不是要求某个人修理特定机器。因此，机器设备可以更快地恢复运行，从而减少计划外停机时间并有效提高生产力。以现在化工单位存在的普遍现象为例，如果单位设施设备发生故障，传统上专家或者设备设施维护单位会在他们方便的时间访问单位并解决问题。此时现场工作人员会与他们进行联系沟通，但是沟通过程中存在机器的相关问题以及解决措施等信息无法进行方便存储的现象。在传统的设备维修或保养方法中，如果再次出现相同的问题，则无法参考以前的解决方案，现场工作人员不知道如何解决这个问题。因为他们对专家或者设备设施维护单位的依赖度很高，且他们缺乏相关知识，加之专家或者设备设施维护单位需要花费大量时间到达单位，此时单位不得不遭受长时间的停机，使员工的效率大大降低。而AR 系统的解决方案是远程协助应用程序具有内置基础，用于存储与以前的维护和维修会话相关的必要信息。专家或者设备设施维护单位可以将有用的数据以PDF、音频文件等不同格式保存在档案中，单位工作人员可以在问题发生时无缝访问数据，访问与以前问题相关的所有数据，并且可以使用可用数据轻松解决相同的问题。借助此功能，无需就同一问题与专家或者设备设施维护单位交流。双向实时协作可以通过快速解决问题而显著增加机器正常运行时间，同时定制的远程协助应用程序可以使双向协作高效。

2.3 员工岗位及现场技能培训

通过实施AR 显著改进和加快培训流程，单位可以直接在站点完成培训，而不是让员工在下班的课堂环境中完成课程。AR 可以帮助新员工加快速度，而不是简单地跟踪和观察另一名员工，AR 引导他们完成程序并在某些事情完成时给予提示。随着机器变得越来越复杂，员工难以及时了解每台机器的所有最新维护要求。因此，使用 AR 可以帮助员工完成棘手的维护程序或计算，专业的员工可以虚拟地引导新员工完成整个流程。这项技术填补了技能差距，可以使新员工与现有员工一起工作，即使他们不具备所需的技能。

2.4 知识共享

增强现实解决方案的一个整体优势是，在现实世界中叠加一定的虚拟世界。这为单位提供了很多机会，且可以在远程站点或上下级维护和共享知识。同时可以快速地进行员工入职的培训及大规模继续教育工作，不需要各站点及机关各单位集中一起，零差旅费用支出，保护保留员工的经验并防止他们退休或离开单位时知识的流失。再加之新型的智能AR 系统可以吸引新青年员工，用于知识传递的增强现实应用程序可提供3D 体验，有助于加快对现有员工和新员工的在职培训。与智能眼镜一起，该技术使员工沉浸在安全，交互式环境中的模拟和培训场景中。

3 AR 在能源行业的应用优势

3.1 AR 在能源行业的应用案例

中国石化集团东北石油局有限公司(以下简称东北石油局) 集成AR 技术打造存量系统融合新技术范本。对于很多工业企业来说，在“工业4.0”转型升级过程中，虽然智能化得到了升级，但伴随着系统越来越多，出现海量数据的新问题，反而加剧了工作负荷。而东北石油局既能利用AR 新技术来降本增效，又能不增加多系统负担。东北石油局在2021 年打造了融合范本，实现了存量系统和AR 新技术之间的断层弥合。同时在已有GIS 平台基础上，打造了“AR可视化协作管理平台”。该平台主要应用于故障诊断和应急维修两个场景，可让后端专家与现场作业人员进行第一视角的可视化沟通(如图1 所示)。现场工人点击地图标签即可呼叫远程支持，且系统支持GPS定位回传。

很多时候，现场的问题只是一些小问题，但由于现场人员缺乏特定技能，难以在现场解决，故而浪费了大量的专家资源。另外，有时专家到达现场，诊断出问题，但因现场缺少维修配件，专家只好先回去，等配件到了，再第二次奔波到现场解决。

图1 AR 实时音视频协作效果图示

宝贵的专家资源被大量浪费在路上，实属可惜。有了这套系统以后，300 多千米外的松原油田工人只要佩戴AR 眼镜，就能马上得到长春石油局技术专家“如临现场”般的支持。借助这套系统，东北石油局有效释放了专家资源，极大降低差旅成本，进一步实现石油行业降本增效。

能源行业—正泰集团作业指导AR 可视化。熟练的“老师傅”宝贵又稀缺，面对复杂的电力设备、厚厚的作业指导书，新手员工往往无从下手。针对这一难题，2021 年，正泰集团打造了一套“AR 配电运维系统”。“AR 配电运维系统”以可视化方式将作业指导书内容配置导入，新手员工佩戴AR 眼镜，扫描设备二维码就能看到该设备的作业指导内容，按照提示便可一步步进行规范操作(如图2 所示)。除了设备的图片、文字、PDF 文件等，设备上还有一个小按钮也能显示出对应的文字说明，极大提高了人员现场作业规范水平和工作效率。新手员工再也不用手忙脚乱地在现场翻阅厚厚的作业指导书，便捷高效地完成运维工作不再是难事。

图2 巡检人员佩戴AR 眼镜完成智能自检

此外，“AR 配电运维系统”还可通过唤醒AR 远程通讯，与协作平台开启多方远程会诊。后台专家可以在AR 眼镜传回的第一视角画面上使用“3D 标注”功能，可视化指导现场人员完成相关操作或处理故障。

3.2 提高操作、维修的安全性

安全是任何化工单位的重中之重。AR 通过在操作或条件不安全时，提供视觉提示来改进安全措施。如果操作执行不正确，可能会导致危险反应，AR 可以提供警告，有助于提高操作安全性。使用AR 设备，员工能够对操作工艺及设备进行现实投射，以预测任何潜在问题。现场技术人员在执行工作时佩戴连接的AR 眼镜，可以识别和处理损坏设备的危险。通过使用AR 技术，可以在地面实时监控可视化安全协议的实施，从而提高生产力和工作安全性，例如：它可以在员工进入过热区域或触发导致不安全压力变化的事情之前提醒；在操作过程中使用AR 可以帮助警告员工不安全条件或潜在问题，以帮助减少或消除工业事故。通过实施AR 技术，单位可以检测系统错误，从而降低错误概率，同时对设备进行定期和更有效的监控，有助于提高工作场所的安全性。

3.3 减少维护或者维修时间

单位可以聘请经验丰富的专业人员并使用AR解决方案对员工进行培训。此外，使用AR 解决方案，单位可以避免经历复杂的设备故障诊断过程，专注于修复AR 识别的问题。AR 可以显著节省成本的另一个方面就是可以使劳动力有效减少，降低差旅费用并缩短完成任务所需的时间[3]。同时，AR 解决方案减少了完成现场工作所需的时间，因为员工可以轻松访问所需的信息和统计数据，大幅降低单位停机损失，增加收益。

3.4 降低的培训费用和缩短培训周期

AR 培训员工的方法比传统培训模式更便宜、更实用，因为虚拟培训不需要昂贵的设备。AR 培训比传统培训课程耗时更少，学员可以按照自己的节奏浏览培训材料，提高学习效率。此外，借助 AR 技术单位可以提供由来自各地的领先教授或者工人及技术单位的远程课程。AR 的好处是在技术人员到达现场之前就开始了。它用作培训工具，使操作员可以快速学习维护技术，同时遵循适当的健康和安全程序。使用该技术，将纸质和平板电脑技术手册交换为3D 可视化，受训人员可以在观看设备设施时在AR 视觉画面中观看或者操作。这可以有效缩短相关培训的时间，同时单位和远程培训师可通过可视化效果随时查看和评论受培训者对知识的掌握情况。

3.5 缩小技能差距

随着维护程序变得越来越复杂，特别是对大型的固定资产，因此对AR 驱动的维护变得越来越有用，维修步骤需要更多的技术知识储备[4]。过去，这意味着要么派遣高级技术人员，要么使用繁琐且基于电话的指导，从而减慢了维护并增加了成本。借助AR，高级技术人员可以使用虚拟指针以视觉方式远程指导同事完成复杂的维护程序。这不仅减少了平均维护呼叫时间，而且还使公司可以更好地调度分配高级技术人员的服务。

4 结语

增强现实技术(AR) 可以更容易、更快、更方便地完成复杂的任务，可以应用在液化天然气行业的工艺操作过程、远程协助维护和操作、员工岗位及现场技能培训及知识共享等环节中，具有操作安全性更高、维修更便捷、员工培训更经济等优势。相信就像工业物联网会有大量的物联网设备和传感器一样，AR也将在液化天然气行业得到显著应用，如果正确部署，单位能够节省人力、物力、财力，并提高生产力和效率。