城镇燃气地上管道VR数字化交付的应用

肖诗凡

（上海能源建设工程设计研究有限公司，上海 200135）

1 概述

随着能源消费结构不断调整，天然气作为清洁低碳的能源消费占比不断攀升。2023年，我国天然气消费量为3 945×10⁸ m³，天然气在一次能源消费总量中占比为8.5%，较上年提高0.1个百分点。城市燃气消费量在天然气消费量中占比33%^[1]。然而近年来，时常有天然气安全事故发生，严重威胁人民群众的生命财产安全^[2]。在传统的城镇燃气地上管道建设过程中，通常采用纸质文件的交付方式，往往出现竣工图纸数据采集不全、不准的现象。这种情况往往导致燃气运维管理过程中出现燃气气源找不到、燃气管道路由不清晰、燃气设施设备不清楚等现象。因此，需要一种燃气地上管道数据的交付方法，以解决这一问题。

2 技术原理

城镇燃气地上管道VR数字化交付（简称VR数字化交付）的技术原理为：首先，通过VR硬件设备采集燃气管道的几何尺寸、空间坐标、周边环境（建筑空间）等数据，生成点云模型。其次，通过VR云端三维引擎对点云模型进行网格简化、LOD（细节层次分级）处理，构建高精度三维空间模型。再次，对高精度三维空间模型进行轻量化处理和优化，确保VR场景流畅运行。最后，在处理后的轻量化模型上通过数据融合、实时交互、虚拟协同等关键技术，实现全流程的数字化交付。

3 关键技术

3.1 硬件设备

VR扫描设备是VR数字化交付的基础之一，目前主要采用实景扫描仪和激光扫描仪，见图1、2。扫描设备探头具备雷达功能，可以探测到埋深较浅的金属管道。扫描设备基于即时定位与地图构建（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）算法，将虚拟模型与真实地理空间坐标系对齐，实现虚拟场景的精准匹配，再通过WGS84全球地理坐标与本地工程坐标系的转换，确保模型与实际位置一致。扫描过程中，采用机内SLAM算法，可不断自动计算优化设备的位置和姿态，实时计算出设备的位置信息，同步构建出周围环境的三维地图，生成实时点云模型。

图1    实景扫描仪

图2    激光扫描仪

3.2 软件平台

VR数字化交付主要用到2个平台，其中算子调度平台用于基础点云数据处理，空间AI算法平台用于三维模型数据筛选、对燃气系统相关数据持续学习，自动识别燃气系统管道材质、口径、阀门等。VR扫描设备将采集的原始素材上传后，通过算子调度平台，对点云模型进行点云去噪、图像识别与分割、全局动态物体去除等，全流程自动化生成高精度点云。结合多广角镜头采集到的高质量图像，使用全局色彩一致性匀色算法，赋予点云数据像素级的色彩表达，获得全局一致的彩色点云数据。

空间AI算法平台将点云数据进行三维模型重建，通过图像识别技术，实现对燃气系统的识别。主要包括4个步骤：①获取信息。②信息预处理。对图像进行去噪、变换和平滑处理，以改善图像的清晰度、亮度。③特征提取和选择。通过对图像特征进行提取、分离，过滤掉非燃气系统的信息，选择所需要的信息。④分类决策。通过分类器的设计定制规则进行对信息的规则训练，只保留燃气系统的相关信息，其余信息自动过滤掉，以提高扫描效率和精度。基于规则进行最终特征的确认，提取所需信息，最终得到燃气系统的高精度三维空间模型。

4 数据采集方法

① 根据项目体量及项目参数，选择VR扫描设备，体量大的项目采用实景扫描仪，体量小的采用激光扫描仪。对设备进行初始化设置，完成精确度、扫描颗粒度及坐标的设置。

② 根据项目情况选择扫描点位进行全景扫描，其中应对燃气管道每隔3 m设置1个点位，也应在阀门、弯头、用气设备、燃气表等关键位置设置点位。

③ 数据采集完毕后，通过算子调度平台对点位进行自动拼接，形成完整的点云模型。

④ 点云模型创建完成后，通过空间AI算法平台进行模型的优化和处理，生成高精度三维空间模型。

5 成果文件

① 直接成果

基于VR扫描设备的成果包括了jpg格式特写照片、ply格式点云模型、IFC格式高精度三维空间模型、dxf格式矢量文件等直接成果。

② 间接成果

VR数字化交付的产物包括轻量化的三维模型（包含燃气管道、燃气表、阀门、用气设备和相关建筑空间信息），以及CAD燃气平面图、CAD燃气系统图、燃气三维模型、VR全景空间模型、空间智能巡检路径规划图、VR全景空间模型与物联设备联动、燃气管道及设备属性查询等间接成果。

6 项目案例

位于上海市的某沿街商铺餐厅，燃气来自市政中压管道，用气范围为厨房用气。其中厨房面积36.8 m²，用餐区面积86 m²，中-低压调压箱位于室外，燃气表位于厨房。项目始建于2015年，由于年代久远，历史图档资料缺失。为了更好地开展燃气运维管理工作，本项目在采用VR技术开展地上管道数字化交付的同时，结合业务运维人员的需求交付了一套用于辅助日常巡检的工具。本项目具体实施和操作如下：首先采用激光扫描仪对燃气设施进行扫描，包含燃气立管、调压箱、沿路管道、燃气表、燃气紧急切断阀、球阀、放散管及燃具等。其次，形成点云模型，对燃气数据进行高精度三维空间模型重建，经过处理生成轻量化模型。最后，对轻量化模型进行自动标注并高亮显示，生成VR全景空间模型。该项目VR数字化交付的燃气平面图见图3，VR全景空间模型见图4。

图3    燃气平面图（软件截图）

图4    VR全景空间模型（软件截图）

7 VR技术在燃气地上管道的其他应用

7.1 VR竣工验收

传统燃气竣工验收，一般验收人员手持施工蓝图和卷尺等进行现场验收，无法精确地判断现场与施工蓝图是否一致，无法判断隐蔽工程是否符合标准。而VR竣工验收，通过对项目进行VR全景扫描，可以实现扫描模型与现场实物的叠加，工作人员通过手持移动端进行验收，提高验收效率。

7.2 VR智能巡检

传统的巡检通常由工作人员手动巡检燃气设施，记录运行状态和故障情况。这种方式需要耗费大量的人力和时间，而且容易出现漏检或误检的情况。VR智能巡检界面见图5，工作人员通过手持移动端，通过对模型与现场叠加的管道及设备进行可见式的巡检，实现智能巡检。

图5    VR智能巡检界面（软件截图）

7.3 VR安全培训

通过VR技术可以实现燃气安全培训，通过数据对接，将计算机模拟的安全及生产的重要信息接入到VR技术上，通过人工演示的形式，可以达到现实与培训的动态合一。基于VR实景用于安全培训，模拟常见安全问题与危机情境，员工可身临其境体验。

7.4 VR资产管理

通过在实景VR内容上运行OCR服务，对VR成果内燃气管道、燃气表、燃具、阀门等进行自动识别并生成标签，可以借助标签检索能力，快速定位，及时响应运维需求。可以将资产标签和已经建立好的资产台账系统集成，在VR内批量更新资产信息，满足可视化资产管理的需求。

7.5 VR工程量统计

通过AI智能识别对燃气管道、燃气表、燃具、阀门、调压箱等进行自动识别，识别完成后进一步实现工程量的统计。在项目竣工验收阶段，可以作为项目的工程量参考依据；在项目运维阶段，可以作为项目的定期资产盘查依据。

7.6 VR智能报警与应急响应

VR数字化交付与内部监控系统和工单管理系统进行联动，能实时接收到监控报警，并在空间内迅速定位到问题所在的点，加速工单处理流程。待工作人员接收到报警信息迅速进行处置，系统自动生成导航路线，快速定位问题所在的目标点，实现应急响应。还可通过模拟燃气泄漏扩散路径，结合流体力学算法预测事故影响范围。

8 VR数字化交付技术优点

① 交付成果可视化，能够帮助管理人员高效理清燃气气源、燃气管道路由、各类燃气设备的关键信息。

② 交付成果数字化，为管理人员提供专业化的功能，包括工程属性查询（材质、口径）、调压器压力查询、燃气表流量查询等。

③ 交付成果的信息化，为管理人员提供运维管理的功能，可以实现智能巡检、模型浏览、问题工单反馈、VR场景批注、二维及三维施工助手、多人协同等。

④ 采用数字化档案技术，防范地上燃气管道设施档案缺失的风险。

9 结束语

目前，VR全景数字化交付在城镇燃气地上管道交付过程中得到应用，能够提供多种功能，提高燃气运营的数字化、信息化程度，且应用效果良好。未来随着VR技术不断发展和完善，相信VR技术可以为城镇燃气行业的数字化交付带来更多的创新和突破。

参考文献：

[1] 国家能源局石油天然气司，国务院发展研究中心资源与环境政策研究所，自然资源部油气资源战略研究中心. 中国天然气发展报告（2024）［M］.  北京：石油工业出版社，2024：5.

[2] 郝美杰.  城市燃气地下管道安全管理存在的问题与对策浅析[J].  科技创新导报，2020（1）：175-176.