吴惠芬
武汉燃气热力学校 武汉 430062
摘要：加气站三维仿真系统具有三维立体、信息交互、特性提取等特点，是智能输配管网技术发展的必然趋势。本文基于目前较为流行的激光扫描建模技术，对其建模原理与流程进行研究分析，根据实际情况规范化加气站三维建模方法，研究总结基于激光扫描技术的加气站标准化三维建模方法，采用标准化思想设计系统，使得加气站三维仿真系统具有良好规范性、适用性和扩展性。
关键词：加气站；三维建模；激光扫描；仿真
1.引言
随着城市燃气技术的深入开展，传统二维图文信息以难以满足城市燃气建设需求，建立更加直观、精细的三维全景模型成为建设坚强燃气输配的趋势。目前，面向加气站三维仿真技术开发的需求不断增加，主要应用于加气站全景再现、设备虚拟仿真培训、应急预案的模拟预演、虚拟设备组装和拆卸、故障模拟等。
加气站三维仿真系统包含大量专业设备模型、试验仪器及实景模型，以真实加气站为原型，辅助加气站设备运维管理及安全管理等相关内容，其中，加气站信息采集、三维模型建模及输配领域业务模型建立等工作耗费大量人力、物力，因此，建立加气站三维建模规范化标准，缩短加气站建模周期，实现加气站设备模型与专业领域数据剥离、物理模型与业务模型复用，具有重要意义。
2.三维建模方法
近年，三维激光扫描技术不断发展并日渐成熟，三维扫描设备也逐渐商业化加气站三维激光扫描建模技术的巨大优势就在于可以快速扫描被测设备，获取被测设备的点云数据，进而获得更加精细的现场全景，建模周期短，适用于大量加气站实景场景的重构。
加气站三维模型是以三维设备数据库为基础,按照一定组合对现实世界中加气站复杂结构或其中某几个间隔的三维、抽象的组合或综合,其形象性、功能性远强于二维的图文信息。结合当前发展迅速的数据处理技术、3D引擎技术及丰富的加气站设备设施资源储备,就形成了简单易复用的三维仿真的全景加气站。
2.1点云数据获取
由于加气站内面积大，设备众多，交错复杂，三维扫描时如何将全站合理的进行区域的划分，保证扫描数据的完整性，也直接影响到扫描结束后数据处理的效率。根据实施经验，在保证采集加气站设备数据完整的情况下，充分利用加气站现场巡视路线作为参考来规划三维扫描路径，路径与加气站设备应不超过激光扫描仪测距的1/2且满足设备不停气安全距离，在此基础上优化路径，选取较短路径设置站点并在测点可视范围内布置标靶，每个区域最少需分布三个标靶，每相邻的两个区域需要有重叠的公共区域，且公共区域中至少各有两个标靶重叠，利用重叠的标靶来进行相邻区域点云数据的配准拼接。完成规划后，根据被扫描设备离站点的距离和设备本身的材质情况，设置合适点云的分辨率、点云质量、扫描模式、扫描角度等参数，完成点云数据采集。
2.2点云数据处理
对于一个加气站整体空间来说，现场采集的各站原始点云数据是基于多个不同坐标系下的分块数据集合，因此，需要对原始数据进行消噪光顺，按区域配准拼接。
由于加气站内设备多是不规则曲面，在设备曲面造型中，数据中的失真点对曲线的光顺性影响较大，这些失真点通常是由于扫描设备的标定参数发生改变或被测站点周围环境突然变化造成的。
参照加气站内各设备布局，将加气站消噪配准后的完整数据分割为天然气长输管道、进气系统、脱硫装置、压缩机组、脱水装置、加气柱及储气瓶组等区域，分割时与设备无关的点要全部删除干净，存储提取各区域内设备的点云数据，形成模型资源库，以便模型制作后对模型进行检测时，模型和点云全方位的位置匹配。
2.3加气站内设备建模
加气站内需建模的设备主要包括建筑物、地面输气设备、架构及导线，根据需建模设备的特点选取合适的建模手段。对于建筑物建模，因建筑物多为规则几何体，一般采用基于点云数据的几何建模方法，即建立不同类型三维几何体，依据点云数据对几何体的尺寸和空间位置进行调整，使各类几何体与点云数据中的几何体拟合，从而实现建筑物三维建模；地面输气设备多为不规则结构，应采用基于点云数据的轮廓建模方法或三角网建模方法，前者使用线段、多线段、曲线、圆等特征量拟合点云数据中的各设备轮廓线，通过旋转、扫略等方式实现设备三维建模。后者则三角化算法将点云数据转化为无数个共边三角形实现三维建模；架构及导线建模多采用基于点云数据的三角网建模，架构及导线的建模宜采用三角化建模方法。
3.加气站仿真系统业务模型设计
根据加气站三维仿真需求，在完成加气站物理模型建模后，需进行业务逻辑模型的设计。加气站业务模型主要是用来描述站内设备与设备之间联系的方式，来演示站内各业务流程的一种逻辑表达或映射。
4.加气站三维仿真系统标准化研究的实际应用
培训仿真系统包括数据采集处理模块、数学仿真模块、三维场景渲染模块和辅助控制模块等，其具有方便的操作界面，集控制、显示及多媒体平台于一体，具有以下功能：1.培训能力，包括所有设备的试验、检测方法；2.控制能力，控制整个系统的仿真进行。对系统进行运行、冻结、重演等操作，利用故障设置、评分等多种手段来加强培训效果；3.监控能力，包括参数监控、操作监控等对人员的操作进行监督评价。
5.结语
加气站三维仿真系统标准化研究是在已有技术手段的基础上，整理研究加气站三维建模方法和模型数据结构，规范化建模技
术手段及实现流程，旨在构建一个高规范、
易复用、强扩展的加气站三维模型，实现一模多用，满足城市燃气建设对加气站模型信息的需求，为加气站虚拟三维实景模型后续高级应用的研究奠定基础。
参考文献：
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[4]李必军,方志祥,任娟. 从激光扫描数据中进行建筑物特征提取研究[J]. 武汉大学学报(信息科学版),2003,(01):65-70.
作者简介：
姓名:吴惠芬
性别:女
年龄:34
职称:助理讲师
学位:工学学士
研究方向:天然气汽车加气站，燃气输配
教学经历：从事中职一线教学8年，期间
作为副主编编写了教材《压缩天然气场站工》，并有国防科技大学出版社出版。多次参加武汉市教科院和武汉市职成学会论文评比，分别获得一、二、三等奖。2019年