基于Web的工藝三維實時仿真實現方法

云 震 溫錦彬

（1.中海石油（中國）有限公司海南分公司工程建設中心，海口 570100；2.中海油能源發展裝備技術有限公司南海工程分公司，湛江 524057）

由于海上油氣田的位置、空間大小的特殊性質，相關設施的生產工藝流程比較復雜。高效且逼真的工藝流程三維實時仿真模擬，對于設計、生產、運維等不同應用人員可以起到很大的幫助。以往二維方式的展示無法實現工藝流程深入了解、癥結分析以及經驗總結等方面的直觀效果，可通過研究圖數據庫的相關技術并實現應用來提升工藝三維實時仿真的展示效果[1]。

1 研究背景

三維仿真研究是現今技術領域的一個熱點，如產品展示、虛擬模擬以及軟件開發等，可以極大地提高應用效果[2]。如何選擇圖數據庫技術，顯得尤為重要。Neo4j技術對圖形處理器（Graphics Processing Unit，GPU）渲染的支持不太到位，因此可以考慮采用圖形語言傳輸格式（graphics language Transmission Format，glTF）技術作為替換方案。glTF這種跨平臺格式已成為Web上的3D對象標準格式，是由OpenGL和Vulkan背后的3D圖形標準組織Khronos所定義的，基本上已成為3D模型的JPG格式——Web導出的通用標準[3]。glTF能為3D內容工具和服務定義一種可擴展的通用發布格式，簡化了創作工作流程，并可以在整個行業中互操作使用內容[4-5]。

基于三維可視化引擎，結合組態工藝實時監測數據、工藝流程數據，形成一套完整的工藝流程三維實時可視化仿真模塊，以動態形式展示物流在整個工藝系統中的流向信息和基礎信息，并用不同的顏色區分物流介質。通過3D可視化動畫和虛擬現實（Virtual Reality，VR）模擬還原技術，將生產工藝流程三維可視化還原，搭配動態效果，獲取更清晰直觀的信息的同時，享受視覺體驗。借助工藝流程三維實時可視化仿真技術進行工藝驗證，可優化化工生產質量，為企業節能降耗。工藝三維實時可視化仿真技術路線包括工藝仿真數據模型研究、工藝仿真數據存儲技術研究、瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）高性能仿真渲染技術研究以及工藝仿真處理工具研究等。

2 仿真數據模型研究

工藝流程三維實時仿真數據除了包括3D模型數據外，還疊加了時間維度和業務維度（生產工藝）數據。如何將這些數據融合形成統一的數據模型，是實時仿真空間和可視化表達的關鍵技術之一。本研究旨在定義一種新的仿真數據模型，承載實時仿真所需的5D數據要素，且支持流式數據傳輸，滿足B/S模式下高效加載和渲染的需求。圖1從左向右分別代表了數據模型從原始3D數據模型向5D數據模型的演化。模型融合如圖2所示。

2.1 工程布置模型

圖2中位于最左側的圖形是在工程設計階段工藝設計后，通過工程布置設計形成工程模型，是物體精確的空間數學表達。它的數據要素包括唯一編碼、幾何尺寸、位置、旋轉、縮放及顏色，與工藝系統并無直接聯系。

2.2 輕量化三維模型

圖2中位于中間的圖形是數字三維引擎所采用的輕量化模型源自工程模型，用于可視化表達的近似三角網格。它的數據要素為編碼、頂點、邊、三角網格、法向量、紋理坐標以及材質等。

2.3 融合模型

圖2中位于右側的圖形表示了工藝仿真數據源的融合。5D仿真數據模型以三維數據為核心，將時序數據（實時監測）和工藝信息與頂點、法向量、紋理等空間要素融合綁定，形成5D數據模型。

建立仿真數據模型的前提是從語義描述、空間位置、幾何形態、演化過程、復雜關系以及屬性特征來定義多模態場景數據實體，進而構建由時序圖、場景圖以及空間圖組成的仿真數據模型。

3 工藝仿真數據存儲技術研究

仿真數據基于圖構建，包括時序圖、場景圖和空間圖。基于圖的特性，存儲主要由實體和邊（關系）構成。其中，實體存儲的內容在多模態場景數據實體中已經定義，即依據不同的圖的特性，采用不同的數據存儲來滿足持久化需求。

當前，最流行的在線圖數據存儲庫為Neo4j，可以支持數以百億計的節點和邊的存儲、檢索，完全能夠滿足在構時序圖和場景圖的存儲和構建。但是，對于空間圖而言，單個圖的頂點和邊少則千萬，多則數百億。在GPU渲染過程中，一次性存取數千萬實體和邊要求達到毫秒級，Neo4j無法滿足要求。因此，空間圖的存儲需要更加貼近渲染端。本技術研究采用對GPU更加友好的glTF格式作為存儲載體。

3.1 基于圖數據庫的存儲

通過Neo4j存儲時序圖和場景圖，涉及語義描述、演化過程、復雜關系以及屬性特征4方面的數據。圖3為Neo4j的存儲邏輯。其中：Node為數據實體；Label可定義標簽，用于語義描述；edge用于表述復雜關系；Node和edge都支持屬性特征的描述。

基于以上存儲邏輯，定義工藝仿真中若干實體的數據存儲。圖4為簡單的示例，表示管道、儀表、分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）對象以及報警對象等典型數據實體和關系的存儲。

3.2 基于glTF的3D數據存儲

通過glTF存儲空間圖，涉及空間位置、幾何形態和圖形關系。glTF允許在不同的層級自定義擴展，而不會影響格式本身的圖形渲染性能。通過擴展，可以實現空間圖向時序圖、場景圖的映射。同時，Neo4j中只需要存儲資產對象級別的引用，其實體圖形存儲在glTF中。

如圖5所示，橢圓節點是glTF數據模型中的規范節點。通過將時序數據、流向數據與頂點數據綁定，并使用glTF擴展規范將工藝對象身份標識號（Identity Document，ID）（設備、儀表、管線）、壓力、流速以及介質等業務數據映射到mesh、material，確保工藝對象ID與Neo4j中的ID一致，形成互為引用的指針，完成Neo4j與glTF兩種數據存儲模式的融合。

4 B/S高性能仿真渲染技術研究

針對智能油田所采用的典型B/S架構下的渲染場景，研究基于Web瀏覽器端高性能實時渲染技術，與智能油田生產管理模塊、設備管理模塊以及虛擬巡檢模塊相結合，全面實施生產智能仿真和優化，挖掘數據價值，為生產提供服務。WebGL在主流瀏覽器被廣泛支持，通過頂點著色器（Vetex Shader）和片元著色器（Fragment Shader）編程，將時間和業務視圖數據轉換為實時三維可視化表達。

通過在渲染管線頂點著色器和片元著色器階段的Shader編程實現工藝仿真模擬，以下采用偽代碼描述其基本實現原理，具體方法如下：

（1）需要先定義uniform和varying，用于控制時序變化和顏色特征；

（2）在頂點著色器中獲取與頂點綁定的時序數據并進行線性插值，為片元著色器渲染做準備；

（3）在片元著色器中，比較uniform u_time與仿真模型中的realtime數值，設置材質透明度，模擬介質流動。

5 結語

通過5D仿真數據的時空索引算法，為大型工藝系統建立多維度圖結構——時間子圖、空間子圖和場景數據子圖，為前端5D仿真渲染按需提供流式圖數據，提升前端渲染和性能。利用Web端中立開放的模型格式glTF對Web和GPU友好，被大多數主流三維引擎采用，兼顧性能，且具有很強的數據擴展能力。