可視化設備管理系統研究與應用

劉 兵 王 非 楊 勇 張 慧 張林波

1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041；2.北京中油瑞飛信息技術有限責任公司，北京 100007

0 前言

設備管理是指以設備為研究對象，追求設備綜合效率與壽命周期費用的經濟性，應用一系列理論、方法，通過一系列技術、經濟措施，對設備的物質運動和價值運動進行全過程的科學管理［1］。設備管理的歷史經歷了三個階段：事后維修階段，工業化初期，在設備發生故障或損壞后才進行修理工作；預防性維修階段，20世紀20年代，通過日常檢查和定期檢查，了解設備實際狀況，以設備狀況為依據進行修理工作，避免突發事故；設備系統管理階段，20世紀60年代，提出了設備管理后勤學的觀點，設備管理從傳統的維修管理轉為重視先天設計和制造及設備生產運行狀況的系統管理［2］。

目前我國油氣田領域設備管理基本進入到了第三個階段，但面臨三個挑戰：企業地域分布廣、自然環境較差、交通運輸不便、人工巡檢成本高、遠程專家資源利用率低；設備復雜，雖有圖形介紹，但設備裝配圖動輒幾十個零件，即使是專業人員在第一次查看時也需大量時間了解辨識；越來越多的企業采用資產管理信息系統進行設備管理（如MAXIMO、Q4、MP2等），但這些管理系統都缺少圖形化支撐，設備的展示不直觀，無法為設備改造、維修等方案的論證提供支持。

可視化設備管理系統通過二三維一體化平臺與傳統的設備管理系統相結合，實現了設備信息的可視化、集成化和維修作業協同化。

1 技術路線

為了實現設備管理的可視化，需要對設備所在的空間位置及具體的內部結構等進行圖形化的表示，因此需要將三維GIS技術與設備管理系統進行有機融合。系統的關鍵技術包括：三維GIS技術、虛擬現實技術、工作流引擎技術、設備設施管理信息化技術等。

1.1 三維GIS技術

三維GIS技術提供的三維視覺認知及空間分析能力，使原來只有抽象概念而難以直接感知的空間現象現實化和直觀化，獲得各種超越現實的空間感知經驗［3］。隨著三維GIS技術的成熟和網絡化應用，三維GIS技術對空間信息的處理能力變得更豐富和強大。三維GIS技術獨特的管理復雜空間對象能力及空間分析能力，使再現設備存在場景、表達設備內部結構等應用成為可能，對于現場的復雜工藝，能將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化，加深對設備內部構造、工作原理、工藝流程的理解。三維GIS技術通過二維平面圖形的應用構建整個系統的框架，采取高精度的地理坐標構建整個主體，對各個設備進行信息采集和數據庫處理，使得整個信息具有真實的坐標和豐富的屬性信息。

1.2 虛擬現實技術

虛擬現實技術是以三維圖形技術為基礎，結合多媒體、主體視覺、傳感等技術創造出一個讓人身臨其境的虛擬世界。特征如下：

a）沉浸感：用戶與計算機的交互方式是自然的，能完全沉浸在通過計算機所創建的虛擬環境中。

b）交互性：在虛擬現實系統中，用戶不再是被動的信息接受者和旁觀者，而能使用交互輸入設備（如鼠標）來操控虛擬物體，使虛擬世界發生改變。

c）構想：用戶在定性和定量綜合集成的虛擬三維環境中得到感性和理性的認識，從而深化概念、觸發靈感、萌發新意。在信息數據的展示上，海量數據只有通過可視化圖象，才能激發人的形象思維。

對復雜的設備，僅憑外觀不能完全展現設備的特點。而虛擬現實技術的應用能全方位地觀察設備，真實地模擬出組裝和拆卸過程及設備的運行情況。用戶可以在虛擬現實世界，通過控制瀏覽器從各個角度對一個設備進行全方位觀察，了解每個細節及詳細資料。

1.3 工作流引擎技術

工作流（Workflow）是指業務領域的流程，它描述了業務過程中的各要素及各要素間的關系，通過工作流引擎進行管理。

可視化設備管理的工作流引擎技術分三個階段：工作流建模階段、工作流模型實例化階段和工作流執行階段。工作流建模階段主要通過工作流建模工具完成業務流程的模型建立，將實際的業務操作流程轉為計算機可模擬處理的工作流模型；工作流模型實例化階段主要通過工作流引擎完成具體業務流程的實例化，為具體業務流程辦理流轉提供工作流相關控制數據，為業務流程的辦理提供所需資源（如人力、物料、工具和服務資源等）；工作流執行階段主要執行業務流程，重點是完成人機交互和系統內部應用或外部應用程序的調用。對于設備管理系統，需要利用工作流引擎技術來管理工單等業務流程，通過預定義的流程來推進維修任務的流轉。

1.4 設備設施管理信息化技術

對現代資產密集型企業而言，有效利用有形資產是企業提升核心競爭力的一項重要工作內容。設備維修與生產之間的協調十分密切，企業設備管理不善，業務流程不暢或資料、維修記錄缺失，將導致設備維護和運行成本增加，資產利用率降低，甚至引發安全事故。同時，現代資產密集型企業設備數量多、結構復雜的特點要求設備維修響應快速、記錄完整和查詢便捷，紙本的記錄與整理已不能滿足企業發展的需求［4］，因此，提高設備管理技術水平日趨重要。通過引入設備設施管理信息化技術，結合計算機應用，形成專業的設備管理系統，實現企業資產的全生命周期管理，并對涉及設備維修、維護、移動等應用過程進行全面的流程控制，對工作的執行及結果信息跟蹤管理，提高維修效率，規范維修流程，最大化資產使用率，減少企業運營成本。

2 集成應用方式

采用IBM的MAXIMO軟件與二三維一體化平臺進行集成，通過三維GIS技術構建設備設施虛擬的空間場景，利用MAXIMO軟件的先進設備管理理念進行維修工單等管理。具體的集成應用方式有兩種：一是以二三維一體化平臺為主操作界面，直觀地進行設備的索引和定位，再以設備為核心，進行相應的管理操作；二是以傳統的設備管理軟件為主操作界面，以設備工單為核心，進行流程控制和管理。

可視化設備管理系統結合數據庫技術，在設備管理的基礎上實現設備信息的“所見即所得”。鼠標在三維場景中點擊某一設備，即可直觀地展示設備外型、內部結構、運行參數、與其他設備的邏輯結構和地理位置，見圖1。

可視化設備管理系統特點如下：

a）實現設備的精細化管理（可以細化到某一個閥門、某一個變送器）。

b）與SCADA系統集成，在相應的三維模型上顯示各類實時監測信息。

c）與視頻系統集成，實現視頻監控畫面和三維場景的聯動。

d）直接在三維場景中進行設備改造、維修等方案的論證。

e）事故發生時，可快速、直觀地提供可視化解決方案，見圖2。

圖1 查看設備三維信息并實時監測信息

f）在三維場景的基礎上，制定各種事故預案、工藝流程展示、設備周邊場景展示等，為安全培訓和應急事故預案，提供信息支撐，增強員工在設備維修方面的技能水平、風險意識及應急防護能力，并為企業的工藝改造、規范訓練提供實時的場景化應用工具。

圖2 設備拆裝演示

3 可視化設備管理系統的優勢

可視化設備管理系統在維修、安全、知識等管理方面具有較強優勢。

3.1 直觀的虛擬場景輔助設備維修管理

實踐證明，設備發生故障與事故30%以上是由工作人員失誤造成。操作使用的不規范、維護保養計劃有效執行困難、檢維修工作缺少指導性都能造成設備故障與事故。可視化設備管理系統通過制定規范的作業計劃，建立標準的設備維護保養制度來指導日常檢維修工作，利用三維虛擬場景強大的空間分析能力，直觀展示設備當前運行狀態、內部構造和拆組裝步驟，幫助檢修人員正確執行操作，提高維修效率，保證維修質量，減少設備故障發生率，間接增加企業利潤。

3.2 提升設備安全管理水平

設備安全管理的基礎是消除生產現場和環境中的各類危險源。危險源的消除可使用虛擬現實設備管理系統對現場環境的分析，找出不合理的環境要素，采取重新布局、環境改造、再設計、改建、加裝防護設施、現場定置化管理等措施解決；運行危險源可通過對設備設計加裝防護、報警裝置，強化員工安全防護、勞動保護和培訓，或對設備工藝的再設計和改進來根本解決；人為操作危險源可通過對操作規范訓練和嚴格管理，糾錯、防錯程序設計，可視化的作業提示來減少和避免［5］。可視化設備管理系統可根據企業特點，制定各種事故預案、工藝流程展示、設備周邊場景展示等，為安全培訓和應急事故預案提供信息支撐，增強員工的風險意識及應急防護能力。

在設備維修、維護方面，可視化設備管理系統基于三維虛擬場景，按照現場實際情況，包括作業背景、作業場景及作業人員等，模擬出設備維修保養的演練環境，為維修人員提供可視化培訓，加強受訓者臨場感覺，提高作業培訓質量，增強員工維修設備的技能，為企業的工藝改造、規范訓練提供實時的場景化應用工具，提高企業管理水平和質量，最大化地減少企業風險。

可視化設備管理系統還可以進行現實中無法開展的危險演練，使受訓者能在視覺上得到體驗，進而在事故發生時能做到臨危不亂、合理調度、科學指揮、快速修復。

3.3 全息手段提升知識管理的應用能力

知識管理的對象是資料、資訊、知識和智慧的集合。資料、資訊、知識是指處理固定狀況的依據，智慧是指能自動判斷，并采取適當的應對措施。知識管理不僅是管理知識，更重要的是促進員工在整個企業流程中最大程度地發揮其所具有的知識。可視化設備管理系統在三維場景中，直觀展示設備模型、內部結構、周邊環境、圖紙手冊、工藝流程和維修步驟等歷史經驗數據，組織具有針對性的培訓，提升員工在設備管理方面的智慧，整體上提高企業管理水平，為企業創造額外價值。

4 結論

可視化設備管理系統基于三維GIS技術和虛擬現實技術，直觀展示設備的基礎信息，包括設備構造、總體布局、周圍場景情況，并動態展示工藝流程；同時為指導企業動態演練提供支撐，實現可視化應急演練培訓和動態檢維修指導，從整體上提高設備管理技術水平，增強企業競爭力，引領設備管理從單一的數據化走向形象化和直觀化，使管理更加科學化和精細化，推動設備管理的長足發展。

［1］蘇 欣，潘亞東，章 磊，等.油氣管道完整性管理［J］.天然氣與石油，2008， 26（3）：10-14.Su Xin，Pan Yadong，Zhang Lei， et al．Oil and Gas Pipeline Integrity Management［J］.Natural Gasand Oil，2008，26（3）：10-14.

［2］馮 恒.談設備管理發展趨勢［J］.設備管理與維修，2011，（z1）：32-33.Feng Heng．The Development Trend of Equipment Management［J］.Equipment Management and Maintenance，2011， （z1）：32-33.

［3］李 明，王 非，康 智，等.三維配管設計軟件AutoPLANT在西氣東輸站場工程的開發應用［J］.天然氣與石油，2005，23（5）：17-25.LiM ing，W ang Fei，Kang Zhi，etal．The Developmentand Application ofAutoPLANT Piping inW est-EastGasStation Project［J］.NaturalGasand Oil， 2005， 23（5）：17-25.

［4］馬 晟，李 瀾.淺談電力設備狀態檢測可視化技術平臺應用［J］.城市建設理論研究，2011，（27）：2-3.Ma Sheng，Li Lan． Applications of Visual Power Equipment State Inspection Technology Platform ［J］. Theory Research of Urban Construction， 2011，（27）：2-3.

［5］王廣生，雷少成.煉油廠存在的安全問題及應對措施［J］.天然氣與石油，2012，30（3）：2-3.Wang Guangsheng，Lei Shaocheng. Security Problems Existing in Oil Refineries and their Solutions ［J］. Natural Gas and Oil，2012， 30（3）：2-3.