城鎮燃氣地上管道VR數字化交付的應用

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(wei) 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(wei) 3 945×10⁸ m³，天然氣在一次能源消費總量中占比為(wei) 8.5%，較上年提高0.1個(ge) 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生，嚴(yan) 重威脅人民群眾(zhong) 的生命財產(chan) 安全^[2]。在傳(chuan) 統的城鎮燃氣地上管道建設過程中，通常采用紙質文件的交付方式，往往出現竣工圖紙數據采集不全、不準的現象。這種情況往往導致燃氣運維管理過程中出現燃氣氣源找不到、燃氣管道路由不清晰、燃氣設施設備不清楚等現象。因此，需要一種燃氣地上管道數據的交付方法，以解決(jue) 這一問題。

2 技術原理

城鎮燃氣地上管道VR數字化交付（簡稱VR數字化交付）的技術原理為(wei) ：首先，通過VR硬件設備采集燃氣管道的幾何尺寸、空間坐標、周邊環境（建築空間）等數據，生成點雲(yun) 模型。其次，通過VR雲(yun) 端三維引擎對點雲(yun) 模型進行網格簡化、LOD（細節層次分級）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(you) 化，確保VR場景流暢運行。最後，在處理後的輕量化模型上通過數據融合、實時交互、虛擬協同等關(guan) 鍵技術，實現全流程的數字化交付。

3 關(guan) 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(yi) 和激光掃描儀(yi) ，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。掃描設備基於(yu) 即時定位與(yu) 地圖構建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）算法，將虛擬模型與(yu) 真實地理空間坐標係對齊，實現虛擬場景的精準匹配，再通過WGS84全球地理坐標與(yu) 本地工程坐標係的轉換，確保模型與(yu) 實際位置一致。掃描過程中，采用機內(nei) SLAM算法，可不斷自動計算優(you) 化設備的位置和姿態，實時計算出設備的位置信息，同步構建出周圍環境的三維地圖，生成實時點雲(yun) 模型。

圖1    實景掃描儀(yi)

圖2    激光掃描儀(yi)

3.2 軟件平台

VR數字化交付主要用到2個(ge) 平台，其中算子調度平台用於(yu) 基礎點雲(yun) 數據處理，空間AI算法平台用於(yu) 三維模型數據篩選、對燃氣係統相關(guan) 數據持續學習(xi) ，自動識別燃氣係統管道材質、口徑、閥門等。VR掃描設備將采集的原始素材上傳(chuan) 後，通過算子調度平台，對點雲(yun) 模型進行點雲(yun) 去噪、圖像識別與(yu) 分割、全局動態物體(ti) 去除等，全流程自動化生成高精度點雲(yun) 。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，賦予點雲(yun) 數據像素級的色彩表達，獲得全局一致的彩色點雲(yun) 數據。

空間AI算法平台將點雲(yun) 數據進行三維模型重建，通過圖像識別技術，實現對燃氣係統的識別。主要包括4個(ge) 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，過濾掉非燃氣係統的信息，選擇所需要的信息。④分類決(jue) 策。通過分類器的設計定製規則進行對信息的規則訓練，隻保留燃氣係統的相關(guan) 信息，其餘(yu) 信息自動過濾掉，以提高掃描效率和精度。基於(yu) 規則進行最終特征的確認，提取所需信息，最終得到燃氣係統的高精度三維空間模型。

4 數據采集方法

① 根據項目體(ti) 量及項目參數，選擇VR掃描設備，體(ti) 量大的項目采用實景掃描儀(yi) ，體(ti) 量小的采用激光掃描儀(yi) 。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(ge) 點位，也應在閥門、彎頭、用氣設備、燃氣表等關(guan) 鍵位置設置點位。

③ 數據采集完畢後，通過算子調度平台對點位進行自動拚接，形成完整的點雲(yun) 模型。

④ 點雲(yun) 模型創建完成後，通過空間AI算法平台進行模型的優(you) 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

基於(yu) VR掃描設備的成果包括了jpg格式特寫(xie) 照片、ply格式點雲(yun) 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(chan) 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(guan) 建築空間信息），以及CAD燃氣平麵圖、CAD燃氣係統圖、燃氣三維模型、VR全景空間模型、空間智能巡檢路徑規劃圖、VR全景空間模型與(yu) 物聯設備聯動、燃氣管道及設備屬性查詢等間接成果。

6 項目案例

位於(yu) 上海市的某沿街商鋪餐廳，燃氣來自市政中壓管道，用氣範圍為(wei) 廚房用氣。其中廚房麵積36.8 m²，用餐區麵積86 m²，中-低壓調壓箱位於(yu) 室外，燃氣表位於(yu) 廚房。項目始建於(yu) 2015年，由於(yu) 年代久遠，曆史圖檔資料缺失。為(wei) 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(ye) 務運維人員的需求交付了一套用於(yu) 輔助日常巡檢的工具。本項目具體(ti) 實施和操作如下：首先采用激光掃描儀(yi) 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，形成點雲(yun) 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。最後，對輕量化模型進行自動標注並高亮顯示，生成VR全景空間模型。該項目VR數字化交付的燃氣平麵圖見圖3，VR全景空間模型見圖4。

圖3    燃氣平麵圖（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(chuan) 統燃氣竣工驗收，一般驗收人員手持施工藍圖和卷尺等進行現場驗收，無法精確地判斷現場與(yu) 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，可以實現掃描模型與(yu) 現場實物的疊加，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(chuan) 統的巡檢通常由工作人員手動巡檢燃氣設施，記錄運行狀態和故障情況。這種方式需要耗費大量的人力和時間，而且容易出現漏檢或誤檢的情況。VR智能巡檢界麵見圖5，工作人員通過手持移動端，通過對模型與(yu) 現場疊加的管道及設備進行可見式的巡檢，實現智能巡檢。

圖5    VR智能巡檢界麵（軟件截圖）

7.3 VR安全培訓

通過VR技術可以實現燃氣安全培訓，通過數據對接，將計算機模擬的安全及生產(chan) 的重要信息接入到VR技術上，通過人工演示的形式，可以達到現實與(yu) 培訓的動態合一。基於(yu) VR實景用於(yu) 安全培訓，模擬常見安全問題與(yu) 危機情境，員工可身臨(lin) 其境體(ti) 驗。

7.4 VR資產(chan) 管理

通過在實景VR內(nei) 容上運行OCR服務，對VR成果內(nei) 燃氣管道、燃氣表、燃具、閥門等進行自動識別並生成標簽，可以借助標簽檢索能力，快速定位，及時響應運維需求。可以將資產(chan) 標簽和已經建立好的資產(chan) 台賬係統集成，在VR內(nei) 批量更新資產(chan) 信息，滿足可視化資產(chan) 管理的需求。

7.5 VR工程量統計

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，識別完成後進一步實現工程量的統計。在項目竣工驗收階段，可以作為(wei) 項目的工程量參考依據；在項目運維階段，可以作為(wei) 項目的定期資產(chan) 盤查依據。

7.6 VR智能報警與(yu) 應急響應

VR數字化交付與(yu) 內(nei) 部監控係統和工單管理係統進行聯動，能實時接收到監控報警，並在空間內(nei) 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，係統自動生成導航路線，快速定位問題所在的目標點，實現應急響應。還可通過模擬燃氣泄漏擴散路徑，結合流體(ti) 力學算法預測事故影響範圍。

8 VR數字化交付技術優(you) 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(guan) 鍵信息。

② 交付成果數字化，為(wei) 管理人員提供專(zhuan) 業(ye) 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(wei) 管理人員提供運維管理的功能，可以實現智能巡檢、模型瀏覽、問題工單反饋、VR場景批注、二維及三維施工助手、多人協同等。

④ 采用數字化檔案技術，防範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技術不斷發展和完善，相信VR技術可以為(wei) 城鎮燃氣行業(ye) 的數字化交付帶來更多的創新和突破。

參考文獻：

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

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