申迎松，榮 東

(1.山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000；2.平頂山中選自控系統(tǒng)有限公司，河南 平頂山 467000)

從計算機學科出發(fā)，三維可視化技術(shù)已經(jīng)滲透到各個學科，而且為這些學科的科學研究提供了極大的幫助。三維可視化技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展已經(jīng)初見菱角。以選煤廠為例，選煤廠的智能化發(fā)展日新月異，我國的選煤廠大多具備各類監(jiān)控室、安防系統(tǒng)、應(yīng)急管理系統(tǒng)等數(shù)字化設(shè)施[1]，傳統(tǒng)的管理模式已經(jīng)難以適應(yīng)大量數(shù)字設(shè)備的監(jiān)督和維護任務(wù)，因此迫切需要更新有效的系統(tǒng)來應(yīng)對這種情況，該系統(tǒng)是一種已經(jīng)在許多學科中出現(xiàn)的三維可視化技術(shù)[2]。王坡選煤廠三維可視化信息管理系統(tǒng)主要是通過物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信與傳感網(wǎng)絡(luò)、三維可視化與虛擬仿真、智能分析與多維聯(lián)動、三維空間信息等最新技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，依托于三維可視化綜合管理平臺，集成各種感知識別設(shè)備、現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)和各類數(shù)據(jù)，完成了選煤廠內(nèi)多方位、跨平臺管理，豐富王坡選煤廠信息管理的內(nèi)涵，提升選煤廠管理信息化水平。

1 實時生產(chǎn)信息數(shù)字孿生

為了增強對生產(chǎn)流程管理和整個生產(chǎn)過程的實時控制，需要對生產(chǎn)過程實行監(jiān)控。有效的監(jiān)控應(yīng)該一方面能全面監(jiān)控數(shù)據(jù)，將眾多數(shù)據(jù)進行整合監(jiān)控；另一方面應(yīng)該直觀清晰，將監(jiān)控內(nèi)容以三維化效果進行展示，提高監(jiān)控的透明度，對生產(chǎn)過程進行全面監(jiān)控和管理。隨著信息化發(fā)展，生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)字化程度逐漸提高，生產(chǎn)和監(jiān)控方式都在向智能化轉(zhuǎn)變。數(shù)字孿生為監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路[3]。

通過OPC、MODBUS、S7NET等協(xié)議與生產(chǎn)控制系統(tǒng)對接，采用毫秒級數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)反饋實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通道，實時采集設(shè)備的運行狀態(tài)(開停信號、保護信號、頻率、位移、開度、液位、倉位、流量、密度等)與綜保信號(電流、電壓、過載、平衡等)。通過專用協(xié)議，實現(xiàn)與設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測，與故障診斷系統(tǒng)對接，實現(xiàn)重要設(shè)備的電機、減速機、劣質(zhì)品、泵等部件傳感器數(shù)據(jù)通道，實時采集設(shè)備的溫度、振動數(shù)據(jù)。將孿生數(shù)據(jù)進行持久化處理，實現(xiàn)運行狀態(tài)重現(xiàn)功能。如果生產(chǎn)過程發(fā)生意外，孿生數(shù)據(jù)是進行數(shù)據(jù)溯源、鎖定錯誤的依據(jù)。

2 設(shè)備全生命周期管理數(shù)據(jù)

為了實現(xiàn)三維可視化設(shè)備信息展示與巡檢，后臺集成設(shè)備全生命周期管理信息。主要包含設(shè)備靜態(tài)參數(shù)、設(shè)備履歷信息、設(shè)備保養(yǎng)、檢修、大修、更換、報廢、設(shè)備缺陷管理、設(shè)備巡檢以及設(shè)備成本信息。設(shè)備成本信息主要包括能耗、材料配件消耗、檢修維護人工時等。將上述信息與三維可視化設(shè)備相關(guān)聯(lián)，在漫游三維可視化車間的時候，可以明確了解當前設(shè)備的所有狀態(tài)信息。通過集成設(shè)備全生命周期管理信息，佩戴VR眼鏡在三維可視化系統(tǒng)中移動猶如在車間行走一樣，能夠?qū)υO(shè)備的運行狀態(tài)以及相關(guān)信息有明確的了解。

3 報警事件中心集成

隨著選煤廠智能化建設(shè)的開展，選煤廠投入使用的生產(chǎn)控制系統(tǒng)、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、運維保障系統(tǒng)、業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)等子系統(tǒng)越來越多，不同子系統(tǒng)產(chǎn)生的報警、事件、消息等信息越來越復(fù)雜，不同崗位的生產(chǎn)人員、管理人員無法及時、有效地收到自己關(guān)心領(lǐng)域的報警事件，大大降低了子系統(tǒng)的應(yīng)用效果，也可能造成質(zhì)量偏差、設(shè)備損壞、安全事故等更嚴重的后果[4]。

因此，需要建立報警事件中心，對所有子系統(tǒng)產(chǎn)生的報警、事件、消息進行統(tǒng)一管理。

圖1 報警中心流程

報警中心主要實現(xiàn)子系統(tǒng)管理、事件聯(lián)動管理、報警事件看板等功能。對應(yīng)用子系統(tǒng)進行管理，登記各個應(yīng)用系統(tǒng)以及系統(tǒng)所包含的報警、事件、消息的來源、分類、報警等級、區(qū)域、影響范圍等基礎(chǔ)信息；對聯(lián)動事件進行管理，配置聯(lián)動功能可以執(zhí)行的操作，如消息推送、大屏報警、區(qū)域IP廣播語音報警、攝像聯(lián)動、控制系統(tǒng)指令等各種標準操作。標準操作一般與外部系統(tǒng)的接口關(guān)聯(lián)，如消息推送使用APP后臺系統(tǒng)的WEB API進行推送。為不同來源、分類、等級等各種過濾條件下產(chǎn)生的報警事件定義聯(lián)動策略，如設(shè)備振動嚴重超標時，進行現(xiàn)場語音、大屏報警、消息推送等，提醒不同崗位和管理人員，及時發(fā)現(xiàn)和處理事件，降低事件造成的影響。報警事件產(chǎn)生后，根據(jù)事件的配置，重要的報警事件需要人工確認，以關(guān)閉報警。最終針對報警信息進行統(tǒng)計分析，建立可配置的報警事件看板，授權(quán)用戶可以根據(jù)自己的需要，選擇查看不同的子系統(tǒng)、等級、來源的報警事件。對報警事件歷史形成可視化統(tǒng)計，幫助管理人員改善生產(chǎn)過程、避免生產(chǎn)事故。

4 實時視頻監(jiān)控

將選煤廠的生產(chǎn)監(jiān)控視頻系統(tǒng)流媒體接入三維可視化信息系統(tǒng)，將攝像機畫面與系統(tǒng)中設(shè)備旁邊的攝像機相關(guān)聯(lián)，在三維可視化場景中行走或檢索設(shè)備時，可打開視頻，顯示攝像機實時視頻監(jiān)控預(yù)覽；在場景中移動時，如有報警事件發(fā)生，三維場景能夠自動切換至設(shè)備位置，顯示當前實時視頻監(jiān)控畫面預(yù)覽。通過對視頻數(shù)據(jù)的整合，將實時視頻流接入三維可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效整合利用。

5 三維可視化建設(shè)與應(yīng)用

為實現(xiàn)王坡選煤廠的三維可視化建設(shè)，首先需要根據(jù)廠區(qū)實際情況建立模型，通過廠區(qū)無人機拍攝，廠房內(nèi)部激光掃描確定實體模型。通過模型的構(gòu)建，實現(xiàn)廠區(qū)漫游、車間內(nèi)漫游及巡檢、數(shù)據(jù)展示、設(shè)備控制(僅顯示控制狀態(tài))在內(nèi)的一整套三維可視化解決方案。

通過建立選煤廠3D可視化系統(tǒng)，實現(xiàn)在3D環(huán)境下展示整個選煤廠生產(chǎn)狀態(tài)。對車間、樓層、設(shè)備等實體進行三維建模，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合選煤廠的結(jié)構(gòu)、設(shè)備布局以及監(jiān)測與控制的任務(wù)要求進行二次開發(fā)，達到三維動畫效果，用戶操作過程中有身臨其境的感受[5]。系統(tǒng)通過獲取存儲到數(shù)據(jù)服務(wù)器上的數(shù)據(jù)，使用統(tǒng)一數(shù)據(jù)接口服務(wù)，將生產(chǎn)信息在3D模型環(huán)境上顯示生產(chǎn)狀態(tài)，如設(shè)備資料、設(shè)備開停狀態(tài)、設(shè)備動態(tài)數(shù)據(jù)、工業(yè)攝像頭實時畫面等信息，觀測被測控點(部位)的狀態(tài)或參數(shù)，并結(jié)合需求，以曲線或表格的形式進行實時顯示；系統(tǒng)可以通過搜索的方式快速定位設(shè)備或區(qū)域。

系統(tǒng)主要分2個場景，1個顯示選煤廠工業(yè)場地，另1個顯示選煤廠主要生產(chǎn)車間內(nèi)部。

選煤廠工業(yè)場地場景中，可以以第一人稱角色漫游選煤廠工業(yè)場地，查看選煤廠現(xiàn)有建構(gòu)筑物及廠區(qū)場景。

圖2 設(shè)備詳細信息

選煤廠主要生產(chǎn)車間內(nèi)部場景中，也可以以第一人稱角色自主巡檢各生產(chǎn)車間，沿固定路線進行設(shè)備漫游。在車間巡檢過程中，可以查看關(guān)鍵設(shè)備的設(shè)備信息(圖2)。，灰分儀、皮帶秤、密度計等儀表的實時數(shù)據(jù)；可實時顯示選煤廠設(shè)備的工作狀態(tài)；通過檢索，可以快速定位至關(guān)鍵設(shè)備、攝像頭及生產(chǎn)車間；通過獲取現(xiàn)場攝像頭的數(shù)據(jù)，可以在場景中顯示攝像頭的監(jiān)控畫面；根據(jù)現(xiàn)場的報警信息，快速切換到故障位置并顯示報警信息；系統(tǒng)與現(xiàn)場控制系統(tǒng)通訊，可通過該系統(tǒng)，實現(xiàn)權(quán)限范圍內(nèi)設(shè)備的遠程控制。車間內(nèi)場景界面右上角為系統(tǒng)功能按鈕和退出按鈕，右下角為信息提示按鈕。單擊功能按鈕，可彈出功能菜單，單擊功能菜單的命令按鈕，即可執(zhí)行對應(yīng)的功能，如圖3所示。功能菜單完全展開后，可通過滾動鼠標中間健，顯示隱藏的按鈕。

圖3 功能菜單

通過菜單可以實現(xiàn)退出系統(tǒng)，切換車間漫游，車間巡檢和報警聯(lián)動等操作，其中車間巡檢在車間漫游場景，可控制第一人稱角色在車間內(nèi)行走；可查看設(shè)備、儀表、設(shè)備工作狀態(tài)等信息(須連接選煤廠信息系統(tǒng))；可見煤流設(shè)備，會根據(jù)設(shè)備的工作狀態(tài)顯示煤流。報警聯(lián)動界面會顯示設(shè)備異常的報警信息，界面如圖4所示。

圖4 報警聯(lián)動場景

在報警聯(lián)動場景中，可顯示現(xiàn)場的報警信息，快速切換到故障位置(有自動和手動2種工作模式)；實現(xiàn)檢索功能，通過檢索，可以快速定位至關(guān)鍵設(shè)備、攝像頭及生產(chǎn)車間；與現(xiàn)場攝像頭相連，可以在場景中顯示攝像頭的監(jiān)控畫面。

廠區(qū)場景顯示了工業(yè)場地建構(gòu)筑物，并用標簽顯示了主要生產(chǎn)車間的名稱。在界面的右上部，有“返回”和“退出”按鈕，分別實現(xiàn)返回車間場景和退出系統(tǒng)。VR系統(tǒng)主要提供車間漫游、巡檢、設(shè)備詳細信息查看、設(shè)備實時工作狀態(tài)查看等功能；可在準備車間、主廠房、生產(chǎn)車間進行漫游和巡檢，查看設(shè)備詳細信息及設(shè)備實時工作狀態(tài)，顯示運轉(zhuǎn)設(shè)備的可見煤流。

6 結(jié) 語

數(shù)字孿生與三維可視化在王坡選煤廠的應(yīng)用實踐，將視頻畫面、報警聯(lián)動、設(shè)備檔案、設(shè)備參數(shù)等數(shù)據(jù)與之配合使用，實現(xiàn)在三維可視化設(shè)備旁即可實時查看全廠的視頻以及報警信息，在三維可視化平臺中漫步猶如在現(xiàn)場行走一樣。三維可視化平臺，通過多種數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式，展現(xiàn)多維度數(shù)據(jù)態(tài)勢，把“實體空間”和“虛擬呈現(xiàn)”融合在一起。在“虛擬呈現(xiàn)”環(huán)境中用三維實現(xiàn)集成展示及更多的分析、模擬、推演、預(yù)警和監(jiān)控功能，對接各種生產(chǎn)應(yīng)用系統(tǒng)平臺，綜合一體化數(shù)據(jù)集成，全維度整合數(shù)據(jù)，使現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)三維可視化呈現(xiàn)，實現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)可視化、人員狀態(tài)可視化、信息事件可視化，把管理者從繁雜的日常普通管理工作中解放出來，將更多的精力放到更重要的決策性工作中去，極大提高了生產(chǎn)管理效率，幫助選煤廠在行業(yè)競爭中取得優(yōu)勢地位。