劉科均(陜西延長(zhǎng)石油天然氣股份有限公司，陜西 延安 716000)

0 引言

目前，隨著物聯(lián)網(wǎng)、自主機(jī)器人、網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)、服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)的興起，工業(yè)格局正在經(jīng)歷第四次革命。這種轉(zhuǎn)型也被稱為工業(yè)4.0，是物聯(lián)網(wǎng)與物理系統(tǒng)互聯(lián)的新領(lǐng)域。它混合了軟件、傳感器、處理器和通信技術(shù)。因此，它在使物體能夠?qū)⑿畔⑤斎刖W(wǎng)絡(luò)并最終增加制造過程的價(jià)值方面發(fā)揮了巨大的作用。工業(yè)4.0 的最終目標(biāo)是一系列技術(shù)，為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息應(yīng)用構(gòu)建一個(gè)開放的智能制造平臺(tái)，旨在將虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界融合在一起。隨著這場(chǎng)革命而出現(xiàn)的一種新的工業(yè)機(jī)器人編程方法就是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)[1]?！霸鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)”是一種將數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為圖像或視頻的可視化方式。

天然氣液化工藝將原料天然氣，經(jīng)過預(yù)處理，凈化(脫除影響液化以及貯運(yùn)安全的雜質(zhì)) 后，通過低溫的方法(混合冷劑SMRC 制冷工藝) 使其液化成LNG。LNG 產(chǎn)品在LNG 儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存，便于用戶的儲(chǔ)存和運(yùn)輸。然而，由于其生產(chǎn)過程中具有高溫、高壓、易燃、易爆等特點(diǎn)，如發(fā)生事故，對(duì)企業(yè)、人們和社會(huì)帶來巨大的危害。如果能將AR 技術(shù)應(yīng)用在液化天然氣行業(yè)中，提供基于數(shù)據(jù)獲取和遠(yuǎn)程通訊的性能改進(jìn)的機(jī)會(huì)，既能保證安全生產(chǎn)、減少污染，又能助力生產(chǎn)。

1 AR 技術(shù)簡(jiǎn)介

AR 技術(shù)是一種將虛擬信息與真實(shí)世界巧妙融合的技術(shù)，廣泛運(yùn)用了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段，將計(jì)算機(jī)生成的文字、圖像、三維模型、音樂、視頻等虛擬信息模擬仿真后，應(yīng)用到真實(shí)世界中，兩種信息互為補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界的“增強(qiáng)”。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一種交互式體驗(yàn)，可將數(shù)字對(duì)象集成到現(xiàn)實(shí)世界的用戶環(huán)境中。用戶可以使用帶有攝像頭(智能手機(jī)或平板電腦)，網(wǎng)絡(luò)攝像頭或?qū)ｉT設(shè)計(jì)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡的移動(dòng)設(shè)備查看內(nèi)容。疊加的信息會(huì)粘貼到現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)象上，并且無論攝像機(jī)如何移動(dòng)，它們都會(huì)保留在原位。用戶不需要將該信息存儲(chǔ)在內(nèi)存中，并且可以輕松地用相機(jī)將圖形疊加在對(duì)象上。AR 通過嵌入在各種設(shè)備中的軟件來增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，AR 設(shè)備補(bǔ)充了現(xiàn)實(shí)，使用戶能夠在沒有實(shí)際工作中存在的障礙的情況下操縱、移動(dòng)和執(zhí)行操作過程。這些解決方案通過利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)來改善和增強(qiáng)化工各個(gè)方面，例如：維護(hù)、維修、制造、現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)、客戶支持或培訓(xùn)。

2 AR 技術(shù)在天然氣液化行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景探討

2.1 工藝操作過程優(yōu)化

目前液化工藝過程中，主要的操作還是利用老式的工作說明和紙質(zhì)手冊(cè)。而AR 可為工人提供分步指南，這些清晰的操作說明可以驗(yàn)證他們正在以正確的順序執(zhí)行正確的步驟，有助于消除錯(cuò)誤并提高產(chǎn)品產(chǎn)量及質(zhì)量，確保操作在第一時(shí)間就正確完成。AR 技術(shù)可以實(shí)時(shí)將 3D 模型強(qiáng)加到一臺(tái)設(shè)備上，從而更快、更高效地解決一定范圍的問題。配備 AR 移動(dòng)設(shè)備或智能眼鏡的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員可以立即訪問操作文檔，并查看目前現(xiàn)實(shí)中操作的工藝參數(shù)及步驟，如當(dāng)前壓力、溫度、流量等，防止誤操作，還可以為接下來操作所帶來的后果進(jìn)行提前分析及提醒。

2.2 遠(yuǎn)程協(xié)助維護(hù)和操作

AR 遠(yuǎn)程協(xié)助軟件使工作人員能夠有效協(xié)作。它創(chuàng)建了一個(gè)交互式環(huán)境，將數(shù)字信息疊加在物理世界的實(shí)時(shí)視頻流上，診斷問題并針對(duì)需要解決的問題或需要完成的任務(wù)提供遠(yuǎn)程指導(dǎo)。例如一名工作人員攜帶著一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備，該設(shè)備可以記錄他所看到的實(shí)時(shí)視頻流以及其他數(shù)據(jù)，如傳感器信息。將視頻發(fā)送給專家，它可以提供精確的解決方案和額外的實(shí)時(shí)信息，不需要搬到現(xiàn)場(chǎng)解決問題，這樣能快速簡(jiǎn)便地排除故障，減少停機(jī)時(shí)間，同時(shí)節(jié)省設(shè)備廠家指導(dǎo)、出差費(fèi)用的時(shí)間和成本。與通過聽覺通信相比，AR 遠(yuǎn)程協(xié)助應(yīng)用程序使用戶能夠更快、更有效地感知信息。用戶或員工可以使用智能手機(jī)或頭戴式設(shè)備遠(yuǎn)程解決問題，查看分步說明并從任何地方獲取交互式的現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。AR 遠(yuǎn)程協(xié)助使用范圍包括很多方面，例如：

(1)預(yù)防性的維護(hù)：檢修項(xiàng)目、技改技措等提前性計(jì)劃維護(hù)，以保證最大程度上減少可預(yù)見性錯(cuò)誤；

(2)操作、組裝說明功能參與：告別師傅帶徒、書面、個(gè)人經(jīng)驗(yàn)等客觀困難，可以讓操作和或者組裝員工獨(dú)立完成該項(xiàng)工作；

(3)隨時(shí)查看服務(wù)檢查說明：通過視覺掃描直接查詢到設(shè)備及工藝專項(xiàng)服務(wù)說明書，隨時(shí)隨地查看，而不用提前準(zhǔn)備或者耗時(shí)耗費(fèi)去查看；

(4)及時(shí)了解和查看不熟悉程序的詳細(xì)說明：操作或者維修過程中遇到不熟悉的項(xiàng)目或者程度，可以及時(shí)查詢到詳細(xì)說明，不浪費(fèi)時(shí)間咨詢專家或者找尋說明步驟；

(5) 充當(dāng)合規(guī)檢查表功能：操作前第一時(shí)間能咨詢到合規(guī)步驟的順序檢查，不犯錯(cuò)，替代紙質(zhì)合規(guī)檢查表；

(6) 修復(fù)性維修建議：AR 的現(xiàn)實(shí)與虛擬的結(jié)合，可以直接通過視覺觀察到設(shè)備損傷的界面和維修建議，包括該設(shè)備的材質(zhì)、壓力等維修相關(guān)信息，直接提出整改建議；

(7)性能面板展示功能：當(dāng)操作人員的視覺方向掃描到想要維護(hù)或者操作的設(shè)備設(shè)施時(shí)，直接可以在該設(shè)備的視覺畫面上展示當(dāng)前設(shè)備性能、參數(shù)、工藝介質(zhì)等詳細(xì)信息，給予操作人員一個(gè)提示、查詢、甚至安全提醒的全面信息；

(8)隨時(shí)提供實(shí)時(shí)訪問數(shù)據(jù)：監(jiān)控、控制行動(dòng)、中斷、分析等相關(guān)信息，進(jìn)一步降低誤操，省時(shí)省力并且高質(zhì)量高安全地操作或者維護(hù)[2]。

此外，AR 可以幫助液化站將一般技能應(yīng)用到擁有的各種機(jī)器上，而不是派工人到場(chǎng)外培訓(xùn)。它可以指導(dǎo)員工完成特定的修復(fù)或預(yù)防性維護(hù)任務(wù)，如此大部分員工都可以完成任務(wù)，而不是要求某個(gè)人修理特定機(jī)器。因此，機(jī)器設(shè)備可以更快地恢復(fù)運(yùn)行，從而減少計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間并有效提高生產(chǎn)力。以現(xiàn)在化工單位存在的普遍現(xiàn)象為例，如果單位設(shè)施設(shè)備發(fā)生故障，傳統(tǒng)上專家或者設(shè)備設(shè)施維護(hù)單位會(huì)在他們方便的時(shí)間訪問單位并解決問題。此時(shí)現(xiàn)場(chǎng)工作人員會(huì)與他們進(jìn)行聯(lián)系溝通，但是溝通過程中存在機(jī)器的相關(guān)問題以及解決措施等信息無法進(jìn)行方便存儲(chǔ)的現(xiàn)象。在傳統(tǒng)的設(shè)備維修或保養(yǎng)方法中，如果再次出現(xiàn)相同的問題，則無法參考以前的解決方案，現(xiàn)場(chǎng)工作人員不知道如何解決這個(gè)問題。因?yàn)樗麄儗?duì)專家或者設(shè)備設(shè)施維護(hù)單位的依賴度很高，且他們?nèi)狈ο嚓P(guān)知識(shí)，加之專家或者設(shè)備設(shè)施維護(hù)單位需要花費(fèi)大量時(shí)間到達(dá)單位，此時(shí)單位不得不遭受長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)，使員工的效率大大降低。而AR 系統(tǒng)的解決方案是遠(yuǎn)程協(xié)助應(yīng)用程序具有內(nèi)置基礎(chǔ)，用于存儲(chǔ)與以前的維護(hù)和維修會(huì)話相關(guān)的必要信息。專家或者設(shè)備設(shè)施維護(hù)單位可以將有用的數(shù)據(jù)以PDF、音頻文件等不同格式保存在檔案中，單位工作人員可以在問題發(fā)生時(shí)無縫訪問數(shù)據(jù)，訪問與以前問題相關(guān)的所有數(shù)據(jù)，并且可以使用可用數(shù)據(jù)輕松解決相同的問題。借助此功能，無需就同一問題與專家或者設(shè)備設(shè)施維護(hù)單位交流。雙向?qū)崟r(shí)協(xié)作可以通過快速解決問題而顯著增加機(jī)器正常運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)定制的遠(yuǎn)程協(xié)助應(yīng)用程序可以使雙向協(xié)作高效。

2.3 員工崗位及現(xiàn)場(chǎng)技能培訓(xùn)

通過實(shí)施AR 顯著改進(jìn)和加快培訓(xùn)流程，單位可以直接在站點(diǎn)完成培訓(xùn)，而不是讓員工在下班的課堂環(huán)境中完成課程。AR 可以幫助新員工加快速度，而不是簡(jiǎn)單地跟蹤和觀察另一名員工，AR 引導(dǎo)他們完成程序并在某些事情完成時(shí)給予提示。隨著機(jī)器變得越來越復(fù)雜，員工難以及時(shí)了解每臺(tái)機(jī)器的所有最新維護(hù)要求。因此，使用 AR 可以幫助員工完成棘手的維護(hù)程序或計(jì)算，專業(yè)的員工可以虛擬地引導(dǎo)新員工完成整個(gè)流程。這項(xiàng)技術(shù)填補(bǔ)了技能差距，可以使新員工與現(xiàn)有員工一起工作，即使他們不具備所需的技能。

2.4 知識(shí)共享

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)解決方案的一個(gè)整體優(yōu)勢(shì)是，在現(xiàn)實(shí)世界中疊加一定的虛擬世界。這為單位提供了很多機(jī)會(huì)，且可以在遠(yuǎn)程站點(diǎn)或上下級(jí)維護(hù)和共享知識(shí)。同時(shí)可以快速地進(jìn)行員工入職的培訓(xùn)及大規(guī)模繼續(xù)教育工作，不需要各站點(diǎn)及機(jī)關(guān)各單位集中一起，零差旅費(fèi)用支出，保護(hù)保留員工的經(jīng)驗(yàn)并防止他們退休或離開單位時(shí)知識(shí)的流失。再加之新型的智能AR 系統(tǒng)可以吸引新青年員工，用于知識(shí)傳遞的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序可提供3D 體驗(yàn)，有助于加快對(duì)現(xiàn)有員工和新員工的在職培訓(xùn)。與智能眼鏡一起，該技術(shù)使員工沉浸在安全，交互式環(huán)境中的模擬和培訓(xùn)場(chǎng)景中。

3 AR 在能源行業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 AR 在能源行業(yè)的應(yīng)用案例

中國石化集團(tuán)東北石油局有限公司(以下簡(jiǎn)稱東北石油局) 集成AR 技術(shù)打造存量系統(tǒng)融合新技術(shù)范本。對(duì)于很多工業(yè)企業(yè)來說，在“工業(yè)4.0”轉(zhuǎn)型升級(jí)過程中，雖然智能化得到了升級(jí)，但伴隨著系統(tǒng)越來越多，出現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的新問題，反而加劇了工作負(fù)荷。而東北石油局既能利用AR 新技術(shù)來降本增效，又能不增加多系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。東北石油局在2021 年打造了融合范本，實(shí)現(xiàn)了存量系統(tǒng)和AR 新技術(shù)之間的斷層彌合。同時(shí)在已有GIS 平臺(tái)基礎(chǔ)上，打造了“AR可視化協(xié)作管理平臺(tái)”。該平臺(tái)主要應(yīng)用于故障診斷和應(yīng)急維修兩個(gè)場(chǎng)景，可讓后端專家與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員進(jìn)行第一視角的可視化溝通(如圖1 所示)?，F(xiàn)場(chǎng)工人點(diǎn)擊地圖標(biāo)簽即可呼叫遠(yuǎn)程支持，且系統(tǒng)支持GPS定位回傳。

很多時(shí)候，現(xiàn)場(chǎng)的問題只是一些小問題，但由于現(xiàn)場(chǎng)人員缺乏特定技能，難以在現(xiàn)場(chǎng)解決，故而浪費(fèi)了大量的專家資源。另外，有時(shí)專家到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，診斷出問題，但因現(xiàn)場(chǎng)缺少維修配件，專家只好先回去，等配件到了，再第二次奔波到現(xiàn)場(chǎng)解決。

圖1 AR 實(shí)時(shí)音視頻協(xié)作效果圖示

寶貴的專家資源被大量浪費(fèi)在路上，實(shí)屬可惜。有了這套系統(tǒng)以后，300 多千米外的松原油田工人只要佩戴AR 眼鏡，就能馬上得到長(zhǎng)春石油局技術(shù)專家“如臨現(xiàn)場(chǎng)”般的支持。借助這套系統(tǒng)，東北石油局有效釋放了專家資源，極大降低差旅成本，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)石油行業(yè)降本增效。

能源行業(yè)—正泰集團(tuán)作業(yè)指導(dǎo)AR 可視化。熟練的“老師傅”寶貴又稀缺，面對(duì)復(fù)雜的電力設(shè)備、厚厚的作業(yè)指導(dǎo)書，新手員工往往無從下手。針對(duì)這一難題，2021 年，正泰集團(tuán)打造了一套“AR 配電運(yùn)維系統(tǒng)”?！癆R 配電運(yùn)維系統(tǒng)”以可視化方式將作業(yè)指導(dǎo)書內(nèi)容配置導(dǎo)入，新手員工佩戴AR 眼鏡，掃描設(shè)備二維碼就能看到該設(shè)備的作業(yè)指導(dǎo)內(nèi)容，按照提示便可一步步進(jìn)行規(guī)范操作(如圖2 所示)。除了設(shè)備的圖片、文字、PDF 文件等，設(shè)備上還有一個(gè)小按鈕也能顯示出對(duì)應(yīng)的文字說明，極大提高了人員現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)規(guī)范水平和工作效率。新手員工再也不用手忙腳亂地在現(xiàn)場(chǎng)翻閱厚厚的作業(yè)指導(dǎo)書，便捷高效地完成運(yùn)維工作不再是難事。

圖2 巡檢人員佩戴AR 眼鏡完成智能自檢

此外，“AR 配電運(yùn)維系統(tǒng)”還可通過喚醒AR 遠(yuǎn)程通訊，與協(xié)作平臺(tái)開啟多方遠(yuǎn)程會(huì)診。后臺(tái)專家可以在AR 眼鏡傳回的第一視角畫面上使用“3D 標(biāo)注”功能，可視化指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員完成相關(guān)操作或處理故障。

3.2 提高操作、維修的安全性

安全是任何化工單位的重中之重。AR 通過在操作或條件不安全時(shí)，提供視覺提示來改進(jìn)安全措施。如果操作執(zhí)行不正確，可能會(huì)導(dǎo)致危險(xiǎn)反應(yīng)，AR 可以提供警告，有助于提高操作安全性。使用AR 設(shè)備，員工能夠?qū)Σ僮鞴に嚰霸O(shè)備進(jìn)行現(xiàn)實(shí)投射，以預(yù)測(cè)任何潛在問題?，F(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員在執(zhí)行工作時(shí)佩戴連接的AR 眼鏡，可以識(shí)別和處理損壞設(shè)備的危險(xiǎn)。通過使用AR 技術(shù)，可以在地面實(shí)時(shí)監(jiān)控可視化安全協(xié)議的實(shí)施，從而提高生產(chǎn)力和工作安全性，例如：它可以在員工進(jìn)入過熱區(qū)域或觸發(fā)導(dǎo)致不安全壓力變化的事情之前提醒；在操作過程中使用AR 可以幫助警告員工不安全條件或潛在問題，以幫助減少或消除工業(yè)事故。通過實(shí)施AR 技術(shù)，單位可以檢測(cè)系統(tǒng)錯(cuò)誤，從而降低錯(cuò)誤概率，同時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期和更有效的監(jiān)控，有助于提高工作場(chǎng)所的安全性。

3.3 減少維護(hù)或者維修時(shí)間

單位可以聘請(qǐng)經(jīng)驗(yàn)豐富的專業(yè)人員并使用AR解決方案對(duì)員工進(jìn)行培訓(xùn)。此外，使用AR 解決方案，單位可以避免經(jīng)歷復(fù)雜的設(shè)備故障診斷過程，專注于修復(fù)AR 識(shí)別的問題。AR 可以顯著節(jié)省成本的另一個(gè)方面就是可以使勞動(dòng)力有效減少，降低差旅費(fèi)用并縮短完成任務(wù)所需的時(shí)間[3]。同時(shí)，AR 解決方案減少了完成現(xiàn)場(chǎng)工作所需的時(shí)間，因?yàn)閱T工可以輕松訪問所需的信息和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，大幅降低單位停機(jī)損失，增加收益。

3.4 降低的培訓(xùn)費(fèi)用和縮短培訓(xùn)周期

AR 培訓(xùn)員工的方法比傳統(tǒng)培訓(xùn)模式更便宜、更實(shí)用，因?yàn)樘摂M培訓(xùn)不需要昂貴的設(shè)備。AR 培訓(xùn)比傳統(tǒng)培訓(xùn)課程耗時(shí)更少，學(xué)員可以按照自己的節(jié)奏瀏覽培訓(xùn)材料，提高學(xué)習(xí)效率。此外，借助 AR 技術(shù)單位可以提供由來自各地的領(lǐng)先教授或者工人及技術(shù)單位的遠(yuǎn)程課程。AR 的好處是在技術(shù)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)之前就開始了。它用作培訓(xùn)工具，使操作員可以快速學(xué)習(xí)維護(hù)技術(shù)，同時(shí)遵循適當(dāng)?shù)慕】岛桶踩绦颉Ｊ褂迷摷夹g(shù)，將紙質(zhì)和平板電腦技術(shù)手冊(cè)交換為3D 可視化，受訓(xùn)人員可以在觀看設(shè)備設(shè)施時(shí)在AR 視覺畫面中觀看或者操作。這可以有效縮短相關(guān)培訓(xùn)的時(shí)間，同時(shí)單位和遠(yuǎn)程培訓(xùn)師可通過可視化效果隨時(shí)查看和評(píng)論受培訓(xùn)者對(duì)知識(shí)的掌握情況。

3.5 縮小技能差距

隨著維護(hù)程序變得越來越復(fù)雜，特別是對(duì)大型的固定資產(chǎn)，因此對(duì)AR 驅(qū)動(dòng)的維護(hù)變得越來越有用，維修步驟需要更多的技術(shù)知識(shí)儲(chǔ)備[4]。過去，這意味著要么派遣高級(jí)技術(shù)人員，要么使用繁瑣且基于電話的指導(dǎo)，從而減慢了維護(hù)并增加了成本。借助AR，高級(jí)技術(shù)人員可以使用虛擬指針以視覺方式遠(yuǎn)程指導(dǎo)同事完成復(fù)雜的維護(hù)程序。這不僅減少了平均維護(hù)呼叫時(shí)間，而且還使公司可以更好地調(diào)度分配高級(jí)技術(shù)人員的服務(wù)。

4 結(jié)語

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR) 可以更容易、更快、更方便地完成復(fù)雜的任務(wù)，可以應(yīng)用在液化天然氣行業(yè)的工藝操作過程、遠(yuǎn)程協(xié)助維護(hù)和操作、員工崗位及現(xiàn)場(chǎng)技能培訓(xùn)及知識(shí)共享等環(huán)節(jié)中，具有操作安全性更高、維修更便捷、員工培訓(xùn)更經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)。相信就像工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)會(huì)有大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器一樣，AR也將在液化天然氣行業(yè)得到顯著應(yīng)用，如果正確部署，單位能夠節(jié)省人力、物力、財(cái)力，并提高生產(chǎn)力和效率。