王喆

（中石化石油工程設計有限公司，山東東營257026）

虛擬現(xiàn)實（VR）技術作為一種科技成果，被廣泛應用于制造業(yè)、醫(yī)學、信息行業(yè)等眾多領域。依靠先進的仿真技術，VR 可以為受眾提供逼真的三維可視化、可觸化體驗。目前，國內油氣田領域正在進行數(shù)字化轉型，眾多新建工廠和改造站場均按照數(shù)字化工廠模式進行建設。區(qū)別于傳統(tǒng)建設模式，數(shù)字化工廠在建設過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。如何利用這些數(shù)據(jù)，并將其呈現(xiàn)給建設階段使用者使用，是虛擬現(xiàn)實技術解決的主要問題。

1 數(shù)字化工廠特點

數(shù)字化工廠是隨著數(shù)字仿真技術和虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展而來的，它通過對真實工業(yè)生產(chǎn)的虛擬規(guī)劃、仿真優(yōu)化，實現(xiàn)對工廠產(chǎn)品研發(fā)、制造生產(chǎn)和服務的優(yōu)化和提升，是現(xiàn)代工業(yè)化與信息化融合的應用體現(xiàn)[1]，見圖1。

圖1 實際工廠與數(shù)字工廠對比圖

數(shù)字化工廠作為油氣田開發(fā)領域智能制造的標志，其涵蓋意義不僅僅是實體的工廠建設完工，更是工程建設數(shù)據(jù)的集成。建成后的數(shù)字化工廠具備以下幾大功能：工廠生產(chǎn)經(jīng)營模型和大數(shù)據(jù)管理、全生命周期預知預防的設備管理、生產(chǎn)流程的實時監(jiān)控和協(xié)調、工廠實時仿真和各類場景培訓。相比傳統(tǒng)工廠模式，數(shù)字化工廠具有以下特點。

1.1 數(shù)據(jù)化

所有工廠內的設備、管道等基礎設施，除了實體表向外，均包含數(shù)據(jù)支撐。通過在設計和施工階段的數(shù)字化移交，提供基礎數(shù)據(jù)；投入運行后，結合運維階段的各類參數(shù)變化，進行數(shù)據(jù)資源整合，最終實現(xiàn)全生命周期的數(shù)據(jù)管理。因此，數(shù)據(jù)化是數(shù)字化工廠實現(xiàn)的根基。

1.2 集成化

工廠在形成數(shù)據(jù)倉儲后，存在著大量獨立數(shù)據(jù)。為了便于管理，需要對各個相對獨立的部分進行系統(tǒng)整合，這就是集成融合的過程。數(shù)據(jù)只有進行過集成化處理，才能使工廠數(shù)據(jù)得到充分的利用。因此，集成化是數(shù)字化工廠形成的必經(jīng)之路。

1.3 可視化

可視化主要解決了人機工程學領域中的人機界面問題，通過創(chuàng)建易于觀察的操作界面，使得工廠底層數(shù)據(jù)能夠反饋給需求者。另外借助虛擬可視化技術，數(shù)字化工廠可以開展各類模擬，滿足安全生產(chǎn)需要，提高數(shù)字化工廠利用率。

1.4 智能化

智能化作為數(shù)字化工廠的終極目標，主要表現(xiàn)形式為：基于整合完成的數(shù)據(jù)化資源，操作人員借助可視化媒介對工廠進行智能控制；通過建立上下游邏輯關系，借助站控系統(tǒng)的支持，整個工廠實現(xiàn)計算機遠程智能控制，達到無人值守要求。

2 虛擬現(xiàn)實技術應用研究

利用強大的三維處理引擎和格式轉換軟件，虛擬現(xiàn)實技術可以將設計、施工、運維中產(chǎn)生或者需要的各類數(shù)據(jù)文件進行統(tǒng)一處理，為相關用戶提供可視化終端服務體驗。在數(shù)字化工廠的生命周期內，虛擬現(xiàn)實技術穿插其中，主要表現(xiàn)形式如下。

2.1 設計階段

設計階段作為整個數(shù)字化工廠建設期的起步階段，主要工作就是創(chuàng)建可視化工廠模型，并在完成基礎參數(shù)錄入工作后移交業(yè)主管理平臺。經(jīng)總結，虛擬現(xiàn)實技術在該階段主要用途包括：已建工廠數(shù)據(jù)復原、三維模型協(xié)同校審及數(shù)字工廠移交等。

2.1.1 工廠數(shù)據(jù)復原

其中工廠數(shù)據(jù)復原主要是通過三維測量工具，實現(xiàn)已建站場的三維建模復原。其技術手段為利用掃描三維點云形成現(xiàn)場真實模型，完成格式轉換后導入三維設計軟件內，提供最真實準確的參考，見圖2。

圖2 點云數(shù)據(jù)導入三維設計模型效果圖

2.1.2 三維協(xié)同校審

三維協(xié)同校審是在設計周期內，用于設計方檢查設計成果的一種手段。利用虛擬設備的多人協(xié)同功能，校審人員可以身臨其境地審查，并在模型內直接保留校審信息，提高校審效率和準確性。

2.1.3 數(shù)字工廠移交

設計方采用的三維工廠與運營方進行管理的可視化工廠并不相同，為了實現(xiàn)最終的工廠移交，需要利用虛擬現(xiàn)實技術提供的數(shù)字工廠做媒介。工廠支持EPC 多源格式加載，解決總承包項目中多方設計采用不同軟件，無法進行打包交付的問題。

2.2 施工階段

施工作為工廠全生命周期內的實施環(huán)節(jié)，其質量高低、進度快慢，對于整個工程的整體效益會產(chǎn)生深遠影響。施工階段也分為：施工設計、施工培訓和施工實施三個步驟。虛擬現(xiàn)實技術以其逼真的可視性和便捷的可操作性，在施工階段發(fā)揮重要作用。

2.2.1 施工設計

以往，施工設計（加工設計）中施工人員在拿到設計提供的圖紙后，需要進行二次建模，從而進行施工組織合理性分析。在虛擬現(xiàn)實技術的支持下，施工設計人員可以利用VR 對工料的虛擬原型進行幾何、結構、功能、制造等方面的交互建模與分析[2]。既減少了重復建模時間，也提高了工作效率。

2.2.2 施工培訓

采用可視化施工培訓可以減少對場地和環(huán)境的要求，施工人員可以借助體感設備進行模擬演練。特別是針對吊裝作業(yè)等涉及高危作業(yè)領域，采用虛擬場景進行培訓，可以更加安全地規(guī)范作業(yè)流程，起到防微杜漸的作用。

2.2.3 施工實施

施工實施過程中施工管理人員可以針對施工進度、施工質量等形成可視化圖形報表，管理人員可以較為方便的安排施工周期；施工作業(yè)者則可以對照虛擬施工模型，按需對負責部分進行虛擬安裝核實，保證施工質量。

2.3 運維階段

工廠在完成數(shù)字化移交后就進入了運行階段，此時需要運營方考慮的不僅僅是靜態(tài)的參數(shù)，與生產(chǎn)參數(shù)相關的動態(tài)參數(shù)和各種運行需求成為重點。虛擬現(xiàn)實技術以其高度還原性、可擴展性，融合站場管理平臺和智能站控系統(tǒng)，帶來了工廠管理模式的變革。主要體現(xiàn)在生產(chǎn)動態(tài)模擬、設備數(shù)字化管理、虛擬操作培訓等方面。

2.3.1 生產(chǎn)動態(tài)模擬

生產(chǎn)動態(tài)模擬是以工廠生產(chǎn)調度指揮中心數(shù)據(jù)為基礎，虛擬三維站場模型為載體，實現(xiàn)虛擬運行參數(shù)與實際運行參數(shù)的動態(tài)模擬仿真。其主要實現(xiàn)方式是建立參數(shù)關聯(lián)，將原設計的靜態(tài)參數(shù)與生產(chǎn)過程中的動態(tài)參數(shù)利用工藝計算模型進行關聯(lián)。管理方可以將模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)實數(shù)據(jù)進行比對，從而進行產(chǎn)量預測和計劃調度調整。

2.3.2 設備數(shù)字化管理

設備數(shù)字化管理是指通過建立設備數(shù)字臺賬，將現(xiàn)場設備的運行狀況、維護時間等數(shù)據(jù)引入虛擬化工廠內。數(shù)字化工廠在整合現(xiàn)場數(shù)據(jù)資源后，借助同類設備大數(shù)據(jù)資源可以模擬出設備的可靠性曲線，從而開展設備故障預測分析，對關鍵參數(shù)進行智能監(jiān)測。

2.3.3 虛擬操作培訓

虛擬操作培訓主要解決了環(huán)境和安全因素對人員培訓的制約。在虛擬工廠內，培訓人員既可以進行常規(guī)地虛擬裝配模擬、維修方案模擬，也可以加入事故工況下的應急演練模擬。對于油氣田場站這種高危場所，這是非常有利的。

3 結語

根據(jù)中國工程院規(guī)劃的《中國制造2025》，中國工業(yè)發(fā)展正在通過信息技術和制造技術及工業(yè)自動化技術相互融合，用精益管理取代粗放管理，由生產(chǎn)低端產(chǎn)品向制造高端裝備過渡。對石油石化行業(yè)來說，工業(yè)改革相應帶來的是建設成本增加，建設周期緊張。但是從長遠角度來看，數(shù)字化和智能化是未來社會進步的方向，也是工業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路。利用日新月異的虛擬化技術，石油石化行業(yè)可以加快數(shù)字化與智能化融合腳步，進一步提升產(chǎn)業(yè)價值，并逐步實現(xiàn)“數(shù)字化工廠、智能化油田”的最終目標。