三维数字化工厂含义及特点

三维数字化，就是运用三维工具(软件或仪器)来实现模型的虚拟创建、修改、完善、分析等一系列的数字化操作，从而达到需求目的。

三维数字化工厂，是把“实体空间”和“虚拟呈现”融合在一起，通过传感器采集“实体空间”生产制造过程中的所有实时数据，在“虚拟呈现”环境中用三维实现集成展示及更多的分析、模拟、演练、培训和监控功能，使虚拟环境中的生产仿真与现实中的生产无缝融合，利用虚拟工厂的灵活优势，促进现实生产。

三维数字化工厂概念很广，不同行业有不同的内涵和外延。就炼油化工行业而言 ，三维数字化工厂的具体内容是建立一个以三维数字化平台为管理基础的数字化工厂，应用数字化模型、大数据分析、物联网等技术，集成工程设计、生产运营、静动设备、安全环保、产品质量、视频监控等各种静、动态数据和各专业信息管理系统的结果数据，为规划、设计、施工、运营等部门提供准确数据支持的管理环境，实现监控、指导、优化生产的目的。

三维数字化工厂提供一个全方位的数据集成应用。其特点包括：

1. 直观：最自然、全景式、实体化、融合的三维虚拟现实工作环境，如实地描述和反映设备的实体关系及属性，可满足不同用户需求。

2. 同步：真实工厂的生产运行数据、技术参数、生产环境等都会通过虚拟工厂反映出来，实现同步运行。

3. 精确：精确的实体、位置和层级描述，提供准确的全景展示。

4. 协同：为各种训练和演练提供统一的虚拟现实手段，通过远程访问实现协同工作。

5. 智能：跨各类管理专业集成，设备模型物理属性和生产工艺流程充分融合，集成资产的内部和外部各种属性，实体信息与经营管理和生产流程数据的结合，达到信息的充分共享。

国内外三维数字化研究

三维数字化技术

三维数字化技术主要有三大类：

一是基于GIS(Geographic Information System，地理信息系统)技术。优势在于空间数据、超大场景的可视化表达、分析,空间数据的实时、快速、有效的采集与更新;缺点是关注点局限于“空间数据”，在生产类企业级应用中的存在很大局限性。

二是基于VR(Virtual Reality，虚拟现实)技术。优势在于能满足丰富的企业级虚拟三维工厂交互应用，支持高仿真度的业务场景。缺点是满足企业级业务应用仍需不断开发增强平台扩展能力。

三是基于三维设计软件技术。优势在于指导设计、施工以及建设期数据的资产管理方面;缺点产品定位相对狭窄，目前产品难以满足企业级各类业务应用的要求。

三维数字化应用情况

三维数字化工厂建设已成为研究热点，综合对国内外三维数字化工厂案例分析，对于炼油化工行业来说，还没有企业没有真正意义上实现了与“实体空间”一致的三维数字化工厂。在国外主要建立了基于设计的工程信息管理平台，注重于工程设计资料和设备资料的生命周期管理，便于项目建设、改造查找有关信息，局部领域如检维修系统实现了在三维平台下的可视化分析、结果显示，正在深化应用的探索中;在国内部分企业以一套装置为试点建设了三维数字化平台，主要是在这个平台上侧重于进行生产、设备、安全等管理和人员操作培训、事故演练，并对其效果进行评价分析，个别企业已开展了单一装置深化应用试点工作。

三维数字化工厂建设难点

就炼油化工行业来说，由于数据量大、装置密及模型精度、真实度、交互性高等要求，对三维平台的需求与技术适应性要求非常高。所以，三维数字化工厂建设，主要面临以下实际问题：

1.投资大。每套装置三维模型建设及深化应用需要几百万资金，每一个石油炼化企业有几十套装置，建成三维数字化工厂资金需近亿元。

2.平台模型兼容性问题。目前国内外三维设计软件众多，国内工程设计院在设计时会根据各种因素选用合适的三维软件进行设计，势必在数字化移交过程中出现多种格式的三维模型。对于多则几十套装置的炼化企业来说，实现全厂的三维数字化工厂，平台必须解决装置模型兼容性问题。

3.系统运行速度问题。所有装置模型、相关属性及深化应用数据集成一个平台，海量的数据将可能导致系统速度瘫痪，必须从技术上、设计上解决运行“速度”问题。

4.深化应用问题。三维模型建成后，其核心是要与生产结合，以业务需求推动深化应用，不断拓展深化应用领域。

三维数字化工厂实践案例

九江石化在推进智能工厂试点的建设中，三维数字化工厂作为智能工厂建设的基础平台及重要组成部分，已先行先试，初步建成了全厂三维数字化工厂平台及深化应用的最佳实践，本文并以此案例进行介绍。

三维数字化工厂设计

九江石化三维数字平台核心技术是根据企业的实际情况结合当前虚拟技术开发而成，达到了对企业级应用的最优化。其特点是真正的三维实时渲染平台，支持目前所有流行的三维效果;完全支持虚拟现实所需要的各种计算技术和优化;以“业务”为核心的“层进式”场景优化;完备的可扩展性、具备集成企业内其他业务系统的完全能力。

三维数字化平台总体架构见图1。

系统集成采取两种方式：数据集成和页面集成。系统应用集成见图2。

1.数据集成。

三维数字化平台集成了通过ODS(Operational data store，操作数据存储)集成的操作管理、全流程优化、HSE(Health-Safety-Environment，健康、安全、环境)、EM(Equipment Management System，设备管理系统)、LIMS(Laboratory Information Management System，实验室信息管理系统)等系统的低频数据，集成了实时报警监控的高频数据。HSE系统包含废水烟气环境监测数据及作业备案信息;EM系统包含设备基本信息、技术参数、故障信息、维修信息、配件及库存信息;LIMS系统包含采样点、产品质量化验数据信息。实时报警的数据包括接警监控的可燃气体、有毒有害气体报警仪信息;大机组监测系统机组振动、温度、压力实时检测信息;工艺参数及监测报警信息。

2.页面集成。

在三维数字化平台上集成了大数据、视频监控等系统信息。

三维数字化平台开发的兼容性应满足当前市场上用于三维建模的设计软件，包括AVEVA(PDMS)、Intergraph(PDS、S3D、CadWorx)、AutoDesk(Plant 3D、AutoCAD、3DMax)、BentleyMicrostation系列)、天正(天正CAD)、中科辅龙(PDsoft)等产品，其输出的格式有不同的要求，见表1。

三维建模

三维建模方法主要有3种：三维设计软件建模法、三维激光扫描法、全景影像建模法。

三维设计软件建模法：通过专用三维制作软件构建出具有接近真实空间的三维数据的模型。

三维激光扫描法：三维激光扫描法又被称为实景复制法，通过高速激光扫描测量，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据的方法。此方法多用于稀疏目标点的高精度测量，在图纸不完整的情况，可进行快速逆向建模。建模成本高于设计软件建模。

全景影像建模法：把相机环360 度拍摄的一组或多组照片拼接成一个全景图像，经过一系列的数学计算可以得到其球形全景的的矩形投影图，或者立方体图，然后通过计算机技术实现全方位互动式观看的真实场景还原展示。该方法方便快捷，但模型精细程度不高，适用于GIS系统。

为了获得高精度的三维模型，九江石化在建模过程中以三维设计软件建模法为主，兼用三维激光扫描法。

对于三维数字化工厂而言，建模内容包括：新建装置正向建模、老装置逆向建模、设备结构建模、地下管网建模、总平面建模、管架建模。

装置三维建模内容包括但不限于工程中基座、结构(框架、平台、楼梯、扶手栏杆、基脚)、管道、静设备(塔类、容器、反应器、换热器、物料罐、工业炉)、机械设备(泵、压缩机、风机)、阀门类(含法兰、垫片、弯头)、消防设备、电气、仪表、采样仪器、报警仪(可燃气体、有毒有害气体)和监控设备等。

模型优化

装置三维模型建成后，需要对模型进行优化预处理，内容包括：

1.现场影像整理：为保证场景模型及环境渲染效果与现场基本上保持一致，需对现场情况进行影像数据收集整理，为缺失模型和场景效果进行补充建模提供参考。

2.模型效果处理：对无UV(指u,v纹理贴图坐标的简称)信息的模型(正逆向模型)附加UV信息，根据相应情况进行各种贴图(法线、高光、漫反射等等)满足视觉效果;为满足大场景的使用要求，对模型按照视觉要求进行等级优化处理。

3.模型结构优化：为满足大场景及业务的需要对提供的三维模型结构进行拆分和优化，模型分级和控制模型顶点数达到应用效果。

4.精细模型导出：按照视觉效果、业务需求将模型分层、分堆进行导出，满足三维引擎调度需要。

深化应用

三维数字化工厂实现了在工艺管理、设备管理、HSE管理、操作培训、三维漫游、视频监控等六方面进行深化应用，应用领域结构见图3。

三维数字化工厂建设策略

三维数字化工厂建设，对于石油化工行业来说，具有投资大、建设周期长、技术要求高等特点。按照常规信息系统建设的方式肯定行不通，九江石化在建设中打破常规、创新了方法，以最少的投资，探索了一条适合石油化工企业三维数字化工厂建设之路：

一是统一规划、分步实施。制定了三维数字化工厂“三步走”路线图：首先，选定正向三维建模的装置实施数字化平台建设及深化应用试点;其次，在试点取得成功经验的基础上，建成全厂三维数字化炼厂，选取具备条件的重要设备开展三维拆解试点;最后，持续完善全厂三维数字化模型，完成全部重点设备的三维拆解及地下管网三维数字化工作。

二是新建装置设计阶段，在与设计院签订的合同中明确移交装置数字化内容，三维数字化移交与新建装置建设同步完成。

三是针对老装置逆向建模，发挥企业专业技术人员熟悉现场工艺流程、设备结构的优点，组建了三维逆向建模实施团队，并开展建模劳动竞赛，完成老装置逆向建模任务，既锻炼了队伍，又大大降低了投资。

四是对建成的三维模型进行模型效果、模型结构等优化预处理，提高各装置在统一平台下系统的运行速度。

五是紧贴生产实际，业务驱动，以用为主。

结论

三维数字化工厂的实践，探索出老装置逆向三维建模的方法，并建立新建装置数字化移交规范，为装置的三维正向建模提供支撑，从而确保企业可以全面实现数字化，为基于实体工厂的三维智能应用提供数字化支撑，为未来智能工厂建设探索了一条与工程建设同步建成智能工厂合作的新模式，工程公司、IT专业公司、炼化企业，可以形成“总流程设计—IT整体解决方案—数字化移交—智能工厂—深度应用”的合作模式，以促进未来“数字化工厂”和“智能工厂”的建设和应用。

三维数字化工厂不仅带来了技术上的改变，而且还将带来众多管理和观念上的改变，为企业发展提供了新的途径。

【参考文献】

〔1〕李海涛 刘小平，三维数字化工厂技术在中石油炼化企业应用研究.中国信息界，2012年第09期.