客户的故事。子午线和创世纪能源
如何为数字双胞胎优化3D扫描数据
领先的能源公司为数字双胞胎应用优化其三维数字扫描
亚诺什-伊万尼
子午线能源有限公司
背景介绍
十多年来，许多资产所有者一直在采集三维扫描数据，以协助AEC BIM或数字孪生应用的设计、施工、维护或运营的具体案例。然而，在达到最初目的后，数据通常会丢失或无法访问，存储成本很高。本使用案例讲述了Meridian Energy和Genesis Energy如何独立使用Cintoo的同一云平台来存储他们的3D扫描数据，他们必须克服的技术和组织挑战，以及对该技术在数字孪生和AEC BIM中的未来的一些想法。
介绍了数据采集的各种选择和挑战。这包括地面激光扫描、全景摄影和三维摄影测量。
介绍了三维扫描数据如何在原始捕获后长期使用的实际例子。
- 为数字双胞胎的资产和设备提供更好的背景和数据连接
- 通过最大限度地洞察和了解资产状况来支持更好的决策
- 改善项目参与、规划和沟通
- 节省项目成本，同时降低风险
举例说明了将不同类型的数据整合到同一平台的情况。讨论了长期管理这些数据的考虑因素，包括保持数据更新的成本效益方案。两家资产所有者都只是刚刚开始了解可能的情况。本文最后讨论了该平台和该技术的未来发展方向，并为其他希望走同样道路的资产所有者提供了一些指导。
现代资产信息管理解决方案可包括工程文档管理系统（EDMS）、技术图纸、资产登记册、三维点云管理、数字孪生、三维模型管理和建筑信息模型（BIM）等的组合。资产所有者必须从无数的产品、供应商、顾问、行话和框架中筛选出清晰的信息，然后才能确定在其运营限制条件下什么能够满足其业务需求。
本文介绍了Genesis Energy和Meridian Energy利用现代资产数据源进行数字孪生的经验，特别是三维点云数据，如下图所示。这些数据通常通过三维激光扫描仪或摄影测量来获取，本文将对此进行解释。
形势
为新西兰电力行业的资产收集3D点云数据已经有十多年了。以前的一些使用案例包括。
- 水电站变压器周围的防火墙设计
- 亨特利车站的石棉鉴定
- 创世纪水电站的消防合规性审查
- 评估所有与Meridian相连的开关站的220千伏净空。
用三维点云数据增强的技术图纸实例
使用的工作流程
激光扫描仪。地面、手持式和无人机
Cintoo云
点云软件。Faro Webshare
建模软件。Autodesk ReCap
这些数据是通过顾问操作的地面激光扫描仪收集的。最终成果为技术图纸，并附有点云数据快照。
在某些情况下，点云数据通过Autodesk ReCap®等桌面软件进行存储和查看。由于大型企业的许可证有限、文件大小以及网络驱动器的相关存储成本，这种方法的成功率有限。一种常见的变通方法是将数据存储在移动硬盘和USB拇指驱动器上，这使得共享变得不切实际，而且从数据安全的角度来看也不是最好的结果。
在其他情况下，通过基于云的浏览器向资产所有者展示数据，但成功率有限。这通常是由于使用了专有文件类型，限制了数据的共享、导出和操作。在某些情况下，资产所有者从未要求提供数据，而是将数据留给设计顾问或扫描分包商。
方法学解决方案
Genesis能源公司和Meridian能源公司独立调查了捕获3D扫描数据、存储数据、管理数据和分享数据的解决方案和方法。
现实捕捉选项
有多种现实扫描解决方案可供选择，这取决于所需的准确和详细程度、扫描的规模和可用的时间。
- 360全景图像： 可使用相对便宜的商用解决方案进行拍摄。通常由地面激光扫描仪自动拍摄。快速数据采集。某些平台提供低精度测量。在大多数平台中可与激光扫描结合使用。单独使用时，如果考虑到现场考察，其性价比不如激光扫描。
- 激光扫描
陆地激光扫描仪 -合理的高精度，适用于大型和小型工作。2-3毫米精度，每次扫描5-10分钟。
便携式移动测绘 -可提供多种解决方案，包括安装在头盔/背包上的版本，可对大面积区域进行低质量的快速采集。
高精度手持式测量仪 -适用于高精度的详细测量需求。03-0.05毫米精度。仅在室内使用，表面清洁，需要大量目标贴纸，如下图所示。
无人机/机器人 -适用于大型场地或特殊应用
- 摄影测量： 从高分辨率中提取三维数据 精确度取决于测量的控制点/测量点。可通过无人机或便携式相机完成。可结合点云数据改进结果
Meridian和Genesis选择结合使用地面激光扫描，并在可行或有效的情况下使用360全景图像来收集更精细的数据。
高精度的手持式扫描
数据处理的重要性
创建可数字化导航的三维点云最重要且经常被低估的部分是注册。配准是将单个扫描数据与相关数据（如全景图像和深度图）在同一坐标系下通过专用软件连接在一起，生成所谓的结构化扫描的过程。
根据现实捕捉方法的不同，可以在现场花费的时间和处理时间之间进行权衡。在现场放置参考目标所花费的时间越多，回到办公室后的处理速度就越快，反之亦然，快速的采集方法可能会导致冗长的场外处理过程。两家资产所有者都根据各自在现场花费的时间和后期处理花费的时间成本来选择方法。
为了节省时间和成本，在满足特定项目目的后，可以通过存储非结构化扫描数据来避免处理过程。然而，这是一种错误的经济做法，因为扫描数据的结构可能会丢失，并且无法在未来的平台中上传和浏览。强烈建议对所有三维扫描数据进行注册，以创建结构化扫描数据，为将来存储、处理和使用扫描数据留出最大的可能性。
3D扫描的注册过程
数据平台是必不可少的
为Digital Twins和AEC BIM应用存储三维点云数据的正确平台是一个关键因素，它决定了数据是为资产所有者增值还是在使用一次后就被忽视。
平台需要考虑的重要因素包括
专有与开放：确保您不会被锁定在一个单一的系统中，并且数据将来可以自由移动到另一个平台。
云存储：对于TB量级的大文件来说是必不可少的 - Genesis和Meridian都认为，从成本、安全性或用户体验的投资回报率来看，内部存储对于三维数据来说是不可行的。
成本结构：按用户、按扫描的平台和解决方案限制了平台的扩展和使用。无限制用户的许可被认为对平台的吸收和随后产生的价值至关重要。
共享与协作：为确保使用率和采用率以及安全性，共享和权限管理以及多用户远程访问势在必行。
IT和数据安全：集成IT安全的单点登录是必须的。
数据导出：一些用户能够导出数据以协助设计是至关重要的。
与其他工具和平台的集成：通常需要与图纸管理系统和BIM平台等固有或通过API集成。
用户体验：直观的平台和详尽的用户文档对于减少培训需求和确保非技术用户和技术用户的参与都很重要。
功能性：接受所有文件类型，包括360图像，以及资产标签是至关重要的。
在对多个方案进行独立评估后，两家资产所有者一致选择Cintoo Cloud®作为最佳平台。Cintoo云®的按次扫描授权和良好的用户体验满足了所有要求，并提供了一些附加功能。
Cintoo云计算仪表板
实施和使用案例
对于Meridian和Genesis来说，Cintoo平台的实施是由当地的Cintoo经销商和三维扫描服务提供商完成的、 Revisia有限公司.在此过程中遇到的一些有趣的挑战包括
- 坐标系统：决定是使用相对坐标系还是使用带测量控制的地理坐标系。总的来说，这个决定弊大于利，因为任何新的模型、照片或人工制品都必须预先配置坐标，否则默认原点（0,0,0）会扩展扫描的边界并导致系统崩溃。未来的三维扫描将使用相对坐标添加到一个固定的参考点，没有测量控制。
- 处理和上传历史扫描数据： Cintoo平台的成功让资产所有者争先恐后地寻找顾问和承包商硬盘和文件服务器上的旧点云数据。虽然大部分数据都能以适当的格式上传到Cintoo平台，但仍有部分数据未被注册或处理。由于人员变动和数据迁移，设计顾问丢失了一些过去的数据。这就凸显了事先明确界定服务提供商预期交付成果的重要性。因此，Meridian制定了三维扫描规范，以帮助明确未来的要求。
- 文化变革：公司内部对投资使用点云文件的益处持怀疑态度。随着人们在接电话、发送电子邮件或安排实地考察之前通过三维数据来回答问题，这种情况正在开始改变。数据现在被视为一种资产，能够持续增加价值。
在现场拍摄的照片和扫描到的背景信息的例子
范围界定、概念设计和招标用例
在实施后的一年里，Meridian利用3D扫描数据完成了少量的概念设计和设备供应或施工服务的招标，而没有让设计顾问或制造商进行现场考察。
- 开关厂220千伏CT更换--概念设计、清理评估和投标都在远程进行
- 当地服务变压器的更换 - 概念设计、方案评估、现场工程和招标均以远程方式完成。
- 在前往现场之前，涉及脚手架、电缆和管道的数量估算的各种工作
更快的数字双胞胎设计迭代用例
在设计过程中，远程设计团队经常发现自己需要在现场检查冲突、配合和背景信息。典型的例子包括这个地板的穿透力有多大，或者这个面板是否合适？
进行正交测量以检查是否合适，并提供现场安装的设备示例
这些技术问题会导致延误，增加现场团队的调查需求或额外的现场访问来解决。我们发现，由于设计师可以自行检查和测量，三维扫描数据大大减少了解决技术设计问题所需的时间、成本、资源和碳排放。
这些数据还能够降低设计风险。如下图所示，发电站的机组在理论上是相同的，但在实践中并不总是相同的，这导致在最后一刻对设计进行意想不到的更改。3D扫描曾多次帮助工程师识别设备之间的差异，防止错误发生。
Manapouri水电站的一个重要自动化升级项目对现场进行了全面的三维扫描，包括位于地下200米的基础设施。在一年的时间里，通过更快地解决技术问题、减少现场访问、降低设计冲突风险，数据投资为原始投资带来了积极回报。这一过程也为随后的一些项目带来了类似的收益，包括消防工程、应急照明升级和变压器更换。
在同一地点以不同方式安装的相同设备所显示的差异
COVID环境下的项目进展用例
Meridian实施了Cintoo平台，并在Covid-19封锁之前上传了所有新的和历史的扫描数据。在发电站之间旅行受限的环境下，数据和平台变得更有价值。处于概念和设计阶段的项目被赋予了生命线，因为尽管现场访问受到限制，它们仍可继续推进。
在2019年底Covid-19封锁期间，Genesis能够推进Tuai电站的一个项目。在项目设计、协调和施工过程中，承包商和设计顾问被限制访问现场以验证测量结果。三维扫描数据的使用帮助设计顾问了解了感兴趣的区域，并避免了解决冲突，同时验证了创世能源工作人员的现场边界限制。这使得设计顾问在没有到现场考察的情况下成功绘制了施工图纸。
用三维扫描数据和现场工程创建的施工图
危险识别用例
Genesis公司首次大规模使用三维点云数据之一是创建Huntly电站已知/疑似石棉危险的虚拟登记册。由于Faro webshare®平台固有的许可限制、缺乏稳定性以及对专有文件类型的要求，这项工作最初的成功受到了该数据托管平台的限制。而新的Cintoo平台则没有这些限制，任何人都可以使用注释和 "资产 "功能等功能对扫描中的组件进行结构化标注，从而看到石棉危险。
健康与安全事故或工艺安全事件发生后的事件分析通常涉及多个方面，有些方面可能对现场并不熟悉。在团队讨论过程中，三维扫描可为每个人提供事故或事件发生地点及周边区域的背景信息。有了Cintoo云，所有用户都可以从现实数据捕捉的各种过往版本的协作中获益。此外，所有参与方的工作笔记和历史记录都有协作证据，以充分支持他们的努力和工作笔记。
使用Cintoo Cloud为资产植入数字双胞胎ID
未来的机遇和挑战
三维模型数据的机会
Genesis计划在Cintoo平台上存储三维模型。这样，模型就可以叠加在扫描数据上，并与资产的其他部分一起查看。下图是该功能的一个示例，一个高架工作平台的模型是通过在现场停放时采集的点云数据创建的。然后可将该模型置于扫描中并进行移动。
Cintoo提供的附加功能可加快三维模型的创建和集成。点云数据的一部分可以导出为已售出的网格，使其能够直接在三维建模软件包中打开。
将3D模型生成的物体叠加到扫描中
保持数据更新的挑战
关于数据的一个经常被问到的问题是 "如何保持数据的更新？"在实施后的短时间内，有一些计划中的选项，按照从最低成本到最昂贵的顺序列举如下。
- 注释：可在3D扫描平台中对工厂的变更进行注释，注释方式与技术图纸上的红线标记类似。
- 360 摄影：只需极少的额外费用，即可在扫描件上叠加最新的全景照片。
- 三维模型： 植物变化的三维模型可叠加在扫描图像上
- 更新扫描：如果数据继续增值，则可能有必要进行例行新扫描，如下图所示。
更换变压器前后的三维扫描图像比较
建筑信息模型（BIM）和数字双胞胎
本文所描述的工作只是利用最新资产信息建模范例和框架的综合路线图上的一小步。许多其他资产所有者已经通过实施建筑信息模型（BIM）流程、软件、标准和管理等战略举措解决了这一问题。现在，多个供应商提供数字孪生平台，提供单一的 "玻璃窗 "来查看和实施从实时资产数据到图纸、预测分析、文档、维护记录、三维模型和扫描数据的所有内容。
本文介绍的方法由Genesis和Meridian独立采用，因为它满足了他们的需求和业务限制。该方法只需极少的内部资源即可实施，而且从启动到获得可验证的投资回报时间很短。最重要的是，它不会阻止或阻碍未来BIM或数字孪生路径的路线图，因为数据可以在需要时集成、链接或迁移。
结论
新的解决方案，如Cintoo Cloud，已经启动了一个范式的转变，即三维扫描数据被视为一种资产，在其最初的目的达到后，还能继续增加价值。所提出的解决方案可能适合其他资产所有者，他们正在寻找一种介于以前 "用完就忘 "的方法和绿色领域开发中更为普遍的建筑信息模型（BIM）的 "黄金标准 "之间的经济甜点。
大型的多学科基本建设工程是一些直接的受益者和3D场地数据的收集者。项目通常在开始时完成现有场地的竣工三维扫描。在偏远的地点，下面确定的节省比更容易到达的地点更多。这项技术并没有消除现场考察，而是使考察更有针对性，更有信息，从而减少成本和时间。此外，用户发现，扫描是对现场摄影的补充，它提供了背景，减少了为设计工作提供信息所需的照片数量。
根据Meridian和Genesis Energy的独立经验，提出了一个管理三维扫描数据的简单方法。它涉及到将以前存储在一系列不良位置的新的和旧的三维点云数据，迁移到一个名为Cintoo Cloud®的单一云平台。这为数百名从事电力资产工作的人释放了3D数字双胞胎和AEC BIM数据的潜在价值，而这些数据在为特定项目服务的最初目的之后，还将长期存在。
两家公司都经历了将三维点云数据用于一系列的使用案例，从而减少了项目的时间框架、成本和风险，同时加强了合作。成果的迹象是显而易见的，随着内部和外部更多地使用数据来解决问题，已经观察到了一种文化的变化。
这项工作的成功开启了许多未来的机会和挑战，包括转变为整合3D模型，提供资产参观，并保持数据的更新，以便继续增加价值。一些已实现的好处的例子包括通过Covid-19锁定设计工作的连续性，通过减少现场旅行来减少碳排放，以及基于物理环境的各方之间更明智的沟通。
会上介绍了3D扫描数据如何在原始捕获后长期使用的实际例子。
- 为资产和设备提供更好的数字双胞胎背景和数据连接
- 通过最大限度地洞察和了解资产状况来支持更好的决策
- 改善项目参与、规划和沟通
- 节省项目成本，同时降低风险
项目和媒体链接
更多关于Meridian Energy的信息，请访问其网站： https://www.meridianenergy.co.nz
欲了解更多有关Genesis Energy的信息，请访问其网站： https://www.genesisenergy.co.nz
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