肖詩凡

（上海能源建設工程設計研究有限公司，上海 200135）

1 概述

隨著能源消費結構不斷調整，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。城市燃氣消費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，嚴重威脅人民群眾的生命財產安全^[2]。在傳統(tǒng)的城鎮(zhèn)燃氣地上管道建設過程中，通常采用紙質文件的交付方式，往往出現(xiàn)竣工圖紙數據采集不全、不準的現(xiàn)象。這種情況往往導致燃氣運維管理過程中出現(xiàn)燃氣氣源找不到、燃氣管道路由不清晰、燃氣設施設備不清楚等現(xiàn)象。因此，需要一種燃氣地上管道數據的交付方法，以解決這一問題。

2 技術原理

城鎮(zhèn)燃氣地上管道VR數字化交付（簡稱VR數字化交付）的技術原理為：首先，通過VR硬件設備采集燃氣管道的幾何尺寸、空間坐標、周邊環(huán)境（建筑空間）等數據，生成點云模型。其次，通過VR云端三維引擎對點云模型進行網格簡化、LOD（細節(jié)層次分級）處理，構建高精度三維空間模型。再次，對高精度三維空間模型進行輕量化處理和優(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據融合、實時交互、虛擬協(xié)同等關鍵技術，實現(xiàn)全流程的數字化交付。

3 關鍵技術

3.1 硬件設備

VR掃描設備是VR數字化交付的基礎之一，目前主要采用實景掃描儀和激光掃描儀，見圖1、2。掃描設備探頭具備雷達功能，可以探測到埋深較淺的金屬管道。掃描設備基于即時定位與地圖構建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）算法，將虛擬模型與真實地理空間坐標系對齊，實現(xiàn)虛擬場景的精準匹配，再通過WGS84全球地理坐標與本地工程坐標系的轉換，確保模型與實際位置一致。掃描過程中，采用機內SLAM算法，可不斷自動計算優(yōu)化設備的位置和姿態(tài)，實時計算出設備的位置信息，同步構建出周圍環(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數字化交付主要用到2個平臺，其中算子調度平臺用于基礎點云數據處理，空間AI算法平臺用于三維模型數據篩選、對燃氣系統(tǒng)相關數據持續(xù)學習，自動識別燃氣系統(tǒng)管道材質、口徑、閥門等。VR掃描設備將采集的原始素材上傳后，通過算子調度平臺，對點云模型進行點云去噪、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。結合多廣角鏡頭采集到的高質量圖像，使用全局色彩一致性勻色算法，賦予點云數據像素級的色彩表達，獲得全局一致的彩色點云數據。

空間AI算法平臺將點云數據進行三維模型重建，通過圖像識別技術，實現(xiàn)對燃氣系統(tǒng)的識別。主要包括4個步驟：①獲取信息。②信息預處理。對圖像進行去噪、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。通過對圖像特征進行提取、分離，過濾掉非燃氣系統(tǒng)的信息，選擇所需要的信息。④分類決策。通過分類器的設計定制規(guī)則進行對信息的規(guī)則訓練，只保留燃氣系統(tǒng)的相關信息，其余信息自動過濾掉，以提高掃描效率和精度?；谝?guī)則進行最終特征的確認，提取所需信息，最終得到燃氣系統(tǒng)的高精度三維空間模型。

4 數據采集方法

① 根據項目體量及項目參數，選擇VR掃描設備，體量大的項目采用實景掃描儀，體量小的采用激光掃描儀。對設備進行初始化設置，完成精確度、掃描顆粒度及坐標的設置。

② 根據項目情況選擇掃描點位進行全景掃描，其中應對燃氣管道每隔3 m設置1個點位，也應在閥門、彎頭、用氣設備、燃氣表等關鍵位置設置點位。

③ 數據采集完畢后，通過算子調度平臺對點位進行自動拼接，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數字化交付的產物包括輕量化的三維模型（包含燃氣管道、燃氣表、閥門、用氣設備和相關建筑空間信息），以及CAD燃氣平面圖、CAD燃氣系統(tǒng)圖、燃氣三維模型、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)設備聯(lián)動、燃氣管道及設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，燃氣來自市政中壓管道，用氣范圍為廚房用氣。其中廚房面積36.8 m²，用餐區(qū)面積86 m²，中-低壓調壓箱位于室外，燃氣表位于廚房。項目始建于2015年，由于年代久遠，歷史圖檔資料缺失。為了更好地開展燃氣運維管理工作，本項目在采用VR技術開展地上管道數字化交付的同時，結合業(yè)務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氣設施進行掃描，包含燃氣立管、調壓箱、沿路管道、燃氣表、燃氣緊急切斷閥、球閥、放散管及燃具等。其次，形成點云模型，對燃氣數據進行高精度三維空間模型重建，經過處理生成輕量化模型。最后，對輕量化模型進行自動標注并高亮顯示，生成VR全景空間模型。該項目VR數字化交付的燃氣平面圖見圖3，VR全景空間模型見圖4。

圖3    燃氣平面圖（軟件截圖）

圖4    VR全景空間模型（軟件截圖）

7 VR技術在燃氣地上管道的其他應用

7.1 VR竣工驗收

傳統(tǒng)燃氣竣工驗收，一般驗收人員手持施工藍圖和卷尺等進行現(xiàn)場驗收，無法精確地判斷現(xiàn)場與施工藍圖是否一致，無法判斷隱蔽工程是否符合標準。而VR竣工驗收，通過對項目進行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氣設施，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)場疊加的管道及設備進行可見式的巡檢，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

通過VR技術可以實現(xiàn)燃氣安全培訓，通過數據對接，將計算機模擬的安全及生產的重要信息接入到VR技術上，通過人工演示的形式，可以達到現(xiàn)實與培訓的動態(tài)合一。基于VR實景用于安全培訓，模擬常見安全問題與危機情境，員工可身臨其境體驗。

7.4 VR資產管理

通過在實景VR內容上運行OCR服務，對VR成果內燃氣管道、燃氣表、燃具、閥門等進行自動識別并生成標簽，可以借助標簽檢索能力，快速定位，及時響應運維需求?？梢詫①Y產標簽和已經建立好的資產臺賬系統(tǒng)集成，在VR內批量更新資產信息，滿足可視化資產管理的需求。

7.5 VR工程量統(tǒng)計

通過AI智能識別對燃氣管道、燃氣表、燃具、閥門、調壓箱等進行自動識別，識別完成后進一步實現(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；在項目運維階段，可以作為項目的定期資產盤查依據。

7.6 VR智能報警與應急響應

VR數字化交付與內部監(jiān)控系統(tǒng)和工單管理系統(tǒng)進行聯(lián)動，能實時接收到監(jiān)控報警，并在空間內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行處置，系統(tǒng)自動生成導航路線，快速定位問題所在的目標點，實現(xiàn)應急響應。還可通過模擬燃氣泄漏擴散路徑，結合流體力學算法預測事故影響范圍。

8 VR數字化交付技術優(yōu)點

① 交付成果可視化，能夠幫助管理人員高效理清燃氣氣源、燃氣管道路由、各類燃氣設備的關鍵信息。

② 交付成果數字化，為管理人員提供專業(yè)化的功能，包括工程屬性查詢（材質、口徑）、調壓器壓力查詢、燃氣表流量查詢等。

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 采用數字化檔案技術，防范地上燃氣管道設施檔案缺失的風險。

9 結束語

目前，VR全景數字化交付在城鎮(zhèn)燃氣地上管道交付過程中得到應用，能夠提供多種功能，提高燃氣運營的數字化、信息化程度，且應用效果良好。未來隨著VR技術不斷發(fā)展和完善，相信VR技術可以為城鎮(zhèn)燃氣行業(yè)的數字化交付帶來更多的創(chuàng)新和突破。

參考文獻：

[1] 國家能源局石油天然氣司，國務院發(fā)展研究中心資源與環(huán)境政策研究所，自然資源部油氣資源戰(zhàn)略研究中心. 中國天然氣發(fā)展報告（2024）［M］.  北京：石油工業(yè)出版社，2024：5.

[2] 郝美杰.  城市燃氣地下管道安全管理存在的問題與對策淺析[J].  科技創(chuàng)新導報，2020（1）：175-176.