肖詩凡

（上海能源建設(shè)工程設(shè)計研究有限公司，上海 200135）

1 概述

隨著能源消費結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，天然氣作為清潔低碳的能源消費占比不斷攀升。2023年，我國天然氣消費量為3 945×10⁸ m³，天然氣在一次能源消費總量中占比為8.5%，較上年提高0.1個百分點。城市燃?xì)庀M量在天然氣消費量中占比33%^[1]。然而近年來，時常有天然氣安全事故發(fā)生，嚴(yán)重威脅人民群眾的生命財產(chǎn)安全^[2]。在傳統(tǒng)的城鎮(zhèn)燃?xì)獾厣瞎艿澜ㄔO(shè)過程中，通常采用紙質(zhì)文件的交付方式，往往出現(xiàn)竣工圖紙數(shù)據(jù)采集不全、不準(zhǔn)的現(xiàn)象。這種情況往往導(dǎo)致燃?xì)膺\維管理過程中出現(xiàn)燃?xì)鈿庠凑也坏?、燃?xì)夤艿缆酚刹磺逦⑷細(xì)庠O(shè)施設(shè)備不清楚等現(xiàn)象。因此，需要一種燃?xì)獾厣瞎艿罃?shù)據(jù)的交付方法，以解決這一問題。

2 技術(shù)原理

城鎮(zhèn)燃?xì)獾厣瞎艿?/span>VR數(shù)字化交付（簡稱VR數(shù)字化交付）的技術(shù)原理為：首先，通過VR硬件設(shè)備采集燃?xì)夤艿赖膸缀纬叽?、空間坐標(biāo)、周邊環(huán)境（建筑空間）等數(shù)據(jù)，生成點云模型。其次，通過VR云端三維引擎對點云模型進(jìn)行網(wǎng)格簡化、LOD（細(xì)節(jié)層次分級）處理，構(gòu)建高精度三維空間模型。再次，對高精度三維空間模型進(jìn)行輕量化處理和優(yōu)化，確保VR場景流暢運行。最后，在處理后的輕量化模型上通過數(shù)據(jù)融合、實時交互、虛擬協(xié)同等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)全流程的數(shù)字化交付。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 硬件設(shè)備

VR掃描設(shè)備是VR數(shù)字化交付的基礎(chǔ)之一，目前主要采用實景掃描儀和激光掃描儀，見圖1、2。掃描設(shè)備探頭具備雷達(dá)功能，可以探測到埋深較淺的金屬管道。掃描設(shè)備基于即時定位與地圖構(gòu)建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）算法，將虛擬模型與真實地理空間坐標(biāo)系對齊，實現(xiàn)虛擬場景的精準(zhǔn)匹配，再通過WGS84全球地理坐標(biāo)與本地工程坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，確保模型與實際位置一致。掃描過程中，采用機(jī)內(nèi)SLAM算法，可不斷自動計算優(yōu)化設(shè)備的位置和姿態(tài)，實時計算出設(shè)備的位置信息，同步構(gòu)建出周圍環(huán)境的三維地圖，生成實時點云模型。

圖1    實景掃描儀

圖2    激光掃描儀

3.2 軟件平臺

VR數(shù)字化交付主要用到2個平臺，其中算子調(diào)度平臺用于基礎(chǔ)點云數(shù)據(jù)處理，空間AI算法平臺用于三維模型數(shù)據(jù)篩選、對燃?xì)庀到y(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)持續(xù)學(xué)習(xí)，自動識別燃?xì)庀到y(tǒng)管道材質(zhì)、口徑、閥門等。VR掃描設(shè)備將采集的原始素材上傳后，通過算子調(diào)度平臺，對點云模型進(jìn)行點云去噪、圖像識別與分割、全局動態(tài)物體去除等，全流程自動化生成高精度點云。結(jié)合多廣角鏡頭采集到的高質(zhì)量圖像，使用全局色彩一致性勻色算法，賦予點云數(shù)據(jù)像素級的色彩表達(dá)，獲得全局一致的彩色點云數(shù)據(jù)。

空間AI算法平臺將點云數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型重建，通過圖像識別技術(shù)，實現(xiàn)對燃?xì)庀到y(tǒng)的識別。主要包括4個步驟：①獲取信息。②信息預(yù)處理。對圖像進(jìn)行去噪、變換和平滑處理，以改善圖像的清晰度、亮度。③特征提取和選擇。通過對圖像特征進(jìn)行提取、分離，過濾掉非燃?xì)庀到y(tǒng)的信息，選擇所需要的信息。④分類決策。通過分類器的設(shè)計定制規(guī)則進(jìn)行對信息的規(guī)則訓(xùn)練，只保留燃?xì)庀到y(tǒng)的相關(guān)信息，其余信息自動過濾掉，以提高掃描效率和精度?；谝?guī)則進(jìn)行最終特征的確認(rèn)，提取所需信息，最終得到燃?xì)庀到y(tǒng)的高精度三維空間模型。

4 數(shù)據(jù)采集方法

① 根據(jù)項目體量及項目參數(shù)，選擇VR掃描設(shè)備，體量大的項目采用實景掃描儀，體量小的采用激光掃描儀。對設(shè)備進(jìn)行初始化設(shè)置，完成精確度、掃描顆粒度及坐標(biāo)的設(shè)置。

② 根據(jù)項目情況選擇掃描點位進(jìn)行全景掃描，其中應(yīng)對燃?xì)夤艿烂扛?/span>3 m設(shè)置1個點位，也應(yīng)在閥門、彎頭、用氣設(shè)備、燃?xì)獗淼汝P(guān)鍵位置設(shè)置點位。

③ 數(shù)據(jù)采集完畢后，通過算子調(diào)度平臺對點位進(jìn)行自動拼接，形成完整的點云模型。

④ 點云模型創(chuàng)建完成后，通過空間AI算法平臺進(jìn)行模型的優(yōu)化和處理，生成高精度三維空間模型。

5 成果文件

① 直接成果

基于VR掃描設(shè)備的成果包括了jpg格式特寫照片、ply格式點云模型、IFC格式高精度三維空間模型、dxf格式矢量文件等直接成果。

② 間接成果

VR數(shù)字化交付的產(chǎn)物包括輕量化的三維模型（包含燃?xì)夤艿馈⑷細(xì)獗?、閥門、用氣設(shè)備和相關(guān)建筑空間信息），以及CAD燃?xì)馄矫鎴D、CAD燃?xì)庀到y(tǒng)圖、燃?xì)馊S模型、VR全景空間模型、空間智能巡檢路徑規(guī)劃圖、VR全景空間模型與物聯(lián)設(shè)備聯(lián)動、燃?xì)夤艿兰霸O(shè)備屬性查詢等間接成果。

6 項目案例

位于上海市的某沿街商鋪餐廳，燃?xì)鈦碜允姓袎汗艿溃脷夥秶鸀閺N房用氣。其中廚房面積36.8 m²，用餐區(qū)面積86 m²，中-低壓調(diào)壓箱位于室外，燃?xì)獗砦挥趶N房。項目始建于2015年，由于年代久遠(yuǎn)，歷史圖檔資料缺失。為了更好地開展燃?xì)膺\維管理工作，本項目在采用VR技術(shù)開展地上管道數(shù)字化交付的同時，結(jié)合業(yè)務(wù)運維人員的需求交付了一套用于輔助日常巡檢的工具。本項目具體實施和操作如下：首先采用激光掃描儀對燃?xì)庠O(shè)施進(jìn)行掃描，包含燃?xì)饬⒐?、調(diào)壓箱、沿路管道、燃?xì)獗怼⑷細(xì)饩o急切斷閥、球閥、放散管及燃具等。其次，形成點云模型，對燃?xì)鈹?shù)據(jù)進(jìn)行高精度三維空間模型重建，經(jīng)過處理生成輕量化模型。最后，對輕量化模型進(jìn)行自動標(biāo)注并高亮顯示，生成VR全景空間模型。該項目VR數(shù)字化交付的燃?xì)馄矫鎴D見圖3，VR全景空間模型見圖4。

圖3    燃?xì)馄矫鎴D（軟件截圖）

圖4    VR全景空間模型（軟件截圖）

7 VR技術(shù)在燃?xì)獾厣瞎艿赖钠渌麘?yīng)用

7.1 VR竣工驗收

傳統(tǒng)燃?xì)饪⒐を炇?，一般驗收人員手持施工藍(lán)圖和卷尺等進(jìn)行現(xiàn)場驗收，無法精確地判斷現(xiàn)場與施工藍(lán)圖是否一致，無法判斷隱蔽工程是否符合標(biāo)準(zhǔn)。而VR竣工驗收，通過對項目進(jìn)行VR全景掃描，可以實現(xiàn)掃描模型與現(xiàn)場實物的疊加，工作人員通過手持移動端進(jìn)行驗收，提高驗收效率。

7.2 VR智能巡檢

傳統(tǒng)的巡檢通常由工作人員手動巡檢燃?xì)庠O(shè)施，記錄運行狀態(tài)和故障情況。這種方式需要耗費大量的人力和時間，而且容易出現(xiàn)漏檢或誤檢的情況。VR智能巡檢界面見圖5，工作人員通過手持移動端，通過對模型與現(xiàn)場疊加的管道及設(shè)備進(jìn)行可見式的巡檢，實現(xiàn)智能巡檢。

圖5    VR智能巡檢界面（軟件截圖）

7.3 VR安全培訓(xùn)

通過VR技術(shù)可以實現(xiàn)燃?xì)獍踩嘤?xùn)，通過數(shù)據(jù)對接，將計算機(jī)模擬的安全及生產(chǎn)的重要信息接入到VR技術(shù)上，通過人工演示的形式，可以達(dá)到現(xiàn)實與培訓(xùn)的動態(tài)合一。基于VR實景用于安全培訓(xùn)，模擬常見安全問題與危機(jī)情境，員工可身臨其境體驗。

7.4 VR資產(chǎn)管理

通過在實景VR內(nèi)容上運行OCR服務(wù)，對VR成果內(nèi)燃?xì)夤艿馈⑷細(xì)獗?、燃具、閥門等進(jìn)行自動識別并生成標(biāo)簽，可以借助標(biāo)簽檢索能力，快速定位，及時響應(yīng)運維需求?？梢詫①Y產(chǎn)標(biāo)簽和已經(jīng)建立好的資產(chǎn)臺賬系統(tǒng)集成，在VR內(nèi)批量更新資產(chǎn)信息，滿足可視化資產(chǎn)管理的需求。

7.5 VR工程量統(tǒng)計

通過AI智能識別對燃?xì)夤艿?、燃?xì)獗?、燃具、閥門、調(diào)壓箱等進(jìn)行自動識別，識別完成后進(jìn)一步實現(xiàn)工程量的統(tǒng)計。在項目竣工驗收階段，可以作為項目的工程量參考依據(jù)；在項目運維階段，可以作為項目的定期資產(chǎn)盤查依據(jù)。

7.6 VR智能報警與應(yīng)急響應(yīng)

VR數(shù)字化交付與內(nèi)部監(jiān)控系統(tǒng)和工單管理系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動，能實時接收到監(jiān)控報警，并在空間內(nèi)迅速定位到問題所在的點，加速工單處理流程。待工作人員接收到報警信息迅速進(jìn)行處置，系統(tǒng)自動生成導(dǎo)航路線，快速定位問題所在的目標(biāo)點，實現(xiàn)應(yīng)急響應(yīng)。還可通過模擬燃?xì)庑孤U(kuò)散路徑，結(jié)合流體力學(xué)算法預(yù)測事故影響范圍。

8 VR數(shù)字化交付技術(shù)優(yōu)點

① 交付成果可視化，能夠幫助管理人員高效理清燃?xì)鈿庠?、燃?xì)夤艿缆酚伞⒏黝惾細(xì)庠O(shè)備的關(guān)鍵信息。

② 交付成果數(shù)字化，為管理人員提供專業(yè)化的功能，包括工程屬性查詢（材質(zhì)、口徑）、調(diào)壓器壓力查詢、燃?xì)獗砹髁坎樵兊取?/span>

③ 交付成果的信息化，為管理人員提供運維管理的功能，可以實現(xiàn)智能巡檢、模型瀏覽、問題工單反饋、VR場景批注、二維及三維施工助手、多人協(xié)同等。

④ 采用數(shù)字化檔案技術(shù)，防范地上燃?xì)夤艿涝O(shè)施檔案缺失的風(fēng)險。

9 結(jié)束語

目前，VR全景數(shù)字化交付在城鎮(zhèn)燃?xì)獾厣瞎艿澜桓哆^程中得到應(yīng)用，能夠提供多種功能，提高燃?xì)膺\營的數(shù)字化、信息化程度，且應(yīng)用效果良好。未來隨著VR技術(shù)不斷發(fā)展和完善，相信VR技術(shù)可以為城鎮(zhèn)燃?xì)庑袠I(yè)的數(shù)字化交付帶來更多的創(chuàng)新和突破。

參考文獻(xiàn)：

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