數字孿生與三維可視化在天地王坡選煤廠的應用實踐

申迎松，榮 東

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

從計算機學科出發，三維可視化技術已經滲透到各個學科，而且為這些學科的科學研究提供了極大的幫助。三維可視化技術在各個領域的應用發展已經初見菱角。以選煤廠為例，選煤廠的智能化發展日新月異，我國的選煤廠大多具備各類監控室、安防系統、應急管理系統等數字化設施[1]，傳統的管理模式已經難以適應大量數字設備的監督和維護任務，因此迫切需要更新有效的系統來應對這種情況，該系統是一種已經在許多學科中出現的三維可視化技術[2]。王坡選煤廠三維可視化信息管理系統主要是通過物聯網、數據通信與傳感網絡、三維可視化與虛擬仿真、智能分析與多維聯動、三維空間信息等最新技術的聯合應用，依托于三維可視化綜合管理平臺，集成各種感知識別設備、現有業務系統和各類數據，完成了選煤廠內多方位、跨平臺管理，豐富王坡選煤廠信息管理的內涵，提升選煤廠管理信息化水平。

1 實時生產信息數字孿生

為了增強對生產流程管理和整個生產過程的實時控制，需要對生產過程實行監控。有效的監控應該一方面能全面監控數據，將眾多數據進行整合監控；另一方面應該直觀清晰，將監控內容以三維化效果進行展示，提高監控的透明度，對生產過程進行全面監控和管理。隨著信息化發展，生產現場的數字化程度逐漸提高，生產和監控方式都在向智能化轉變。數字孿生為監控技術的發展提供了新的思路[3]。

通過OPC、MODBUS、S7NET等協議與生產控制系統對接，采用毫秒級數據采集與數據反饋實現高速數據通道，實時采集設備的運行狀態(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)。通過專用協議，實現與設備狀態在線監測，與故障診斷系統對接，實現重要設備的電機、減速機、劣質品、泵等部件傳感器數據通道，實時采集設備的溫度、振動數據。將孿生數據進行持久化處理，實現運行狀態重現功能。如果生產過程發生意外，孿生數據是進行數據溯源、鎖定錯誤的依據。

2 設備全生命周期管理數據

為了實現三維可視化設備信息展示與巡檢，后臺集成設備全生命周期管理信息。主要包含設備靜態參數、設備履歷信息、設備保養、檢修、大修、更換、報廢、設備缺陷管理、設備巡檢以及設備成本信息。設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備相關聯，在漫游三維可視化車間的時候，可以明確了解當前設備的所有狀態信息。通過集成設備全生命周期管理信息，佩戴VR眼鏡在三維可視化系統中移動猶如在車間行走一樣，能夠對設備的運行狀態以及相關信息有明確的了解。

3 報警事件中心集成

隨著選煤廠智能化建設的開展，選煤廠投入使用的生產控制系統、狀態監測系統、運維保障系統、業務管理系統等子系統越來越多，不同子系統產生的報警、事件、消息等信息越來越復雜，不同崗位的生產人員、管理人員無法及時、有效地收到自己關心領域的報警事件，大大降低了子系統的應用效果，也可能造成質量偏差、設備損壞、安全事故等更嚴重的后果[4]。

因此，需要建立報警事件中心，對所有子系統產生的報警、事件、消息進行統一管理。

圖1 報警中心流程

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

4 實時視頻監控

將選煤廠的生產監控視頻系統流媒體接入三維可視化信息系統，將攝像機畫面與系統中設備旁邊的攝像機相關聯，在三維可視化場景中行走或檢索設備時，可打開視頻，顯示攝像機實時視頻監控預覽；在場景中移動時，如有報警事件發生，三維場景能夠自動切換至設備位置，顯示當前實時視頻監控畫面預覽。通過對視頻數據的整合，將實時視頻流接入三維可視化系統，實現數據的高效整合利用。

5 三維可視化建設與應用

為實現王坡選煤廠的三維可視化建設，首先需要根據廠區實際情況建立模型，通過廠區無人機拍攝，廠房內部激光掃描確定實體模型。通過模型的構建，實現廠區漫游、車間內漫游及巡檢、數據展示、設備控制(僅顯示控制狀態)在內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，實現在3D環境下展示整個選煤廠生產狀態。對車間、樓層、設備等實體進行三維建模，利用虛擬現實技術，結合選煤廠的結構、設備布局以及監測與控制的任務要求進行二次開發，達到三維動畫效果，用戶操作過程中有身臨其境的感受[5]。系統通過獲取存儲到數據服務器上的數據，使用統一數據接口服務，將生產信息在3D模型環境上顯示生產狀態，如設備資料、設備開停狀態、設備動態數據、工業攝像頭實時畫面等信息，觀測被測控點(部位)的狀態或參數，并結合需求，以曲線或表格的形式進行實時顯示；系統可以通過搜索的方式快速定位設備或區域。

系統主要分2個場景，1個顯示選煤廠工業場地，另1個顯示選煤廠主要生產車間內部。

選煤廠工業場地場景中，可以以第一人稱角色漫游選煤廠工業場地，查看選煤廠現有建構筑物及廠區場景。

圖2 設備詳細信息

選煤廠主要生產車間內部場景中，也可以以第一人稱角色自主巡檢各生產車間，沿固定路線進行設備漫游。在車間巡檢過程中，可以查看關鍵設備的設備信息(圖2)。，灰分儀、皮帶秤、密度計等儀表的實時數據；可實時顯示選煤廠設備的工作狀態；通過檢索，可以快速定位至關鍵設備、攝像頭及生產車間；通過獲取現場攝像頭的數據，可以在場景中顯示攝像頭的監控畫面；根據現場的報警信息，快速切換到故障位置并顯示報警信息；系統與現場控制系統通訊，可通過該系統，實現權限范圍內設備的遠程控制。車間內場景界面右上角為系統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，即可執行對應的功能，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

通過菜單可以實現退出系統，切換車間漫游，車間巡檢和報警聯動等操作，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行走；可查看設備、儀表、設備工作狀態等信息(須連接選煤廠信息系統)；可見煤流設備，會根據設備的工作狀態顯示煤流。報警聯動界面會顯示設備異常的報警信息，界面如圖4所示。

圖4 報警聯動場景

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

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

6 結 語

數字孿生與三維可視化在王坡選煤廠的應用實踐，將視頻畫面、報警聯動、設備檔案、設備參數等數據與之配合使用，實現在三維可視化設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場行走一樣。三維可視化平臺，通過多種數據呈現形式，展現多維度數據態勢，把“實體空間”和“虛擬呈現”融合在一起。在“虛擬呈現”環境中用三維實現集成展示及更多的分析、模擬、推演、預警和監控功能，對接各種生產應用系統平臺，綜合一體化數據集成，全維度整合數據，使現場實時數據三維可視化呈現，實現了設備狀態可視化、人員狀態可視化、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，極大提高了生產管理效率，幫助選煤廠在行業競爭中取得優勢地位。