【連 載】CSTが提案するプラントライフサイクルデータマネジメント
第２回 PLDMにおけるレーザースキャン技術の展開 ～３Dモデルの活用～
| 千代田システムテクノロジーズ株式会社 岡林 健 2015.9.25 |
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第２回の本稿では、ＣＳＴが提案するＰＬＤＭにおける３Ｄモデルの活用方法を紹介する。昨今のレーザースキャン技術の進化により、海外では建設現場や既設プラントから３次元情報を取得し、活用することは一般的となっている。少子高齢化が進む日本では、プラントの安全操業と、技術伝承への対応がせまられているが、３次元情報から得られる３Ｄモデルの活用を通して、いかにＰＬＤＭではこの課題に取り組むかを説明する。
以前は手描きされた設計図面の青焼きや紙図面が、設計図書として当たり前のように使われ、現場や事務所で目にする事ができた。そんな中で1960年代に登場したＣＡＤは、当初、一企業で使用するにはあまりにもシステム自体が巨大であり高価なものであった。しかしながら、その高い価値や将来性から、多くの企業が多額の資金を費やし改良開発が続けられた。
その結果、1980年代には各分野に特化したＣＡＤが開発され多くの企業においても使われるようになった。1990年代後半には３Ｄ ＣＡＤが登場し、３次元での設計が始まる。３Ｄ
ＣＡＤといっても、登場時は専用の高価なハードを必要とし、独特のインタフェースを用いるため、ＣＡＤに関する専門スキルが求められた。その後、ハードウェア技術の進化と低価格化も相まって、急速にＣＡＤが普及することになる。納品図書として電子化が指定された時代背景から、積極的なＣＡＤ図面のＴＩＦＦ化やＰＤＦ化がすすめられ、ＣＤなどへメディア化された。
しかしその反面、必要な時に必要な場面で利用できる状態にはない電子図面は、利用されにくく、実際のプラント施設の状態と乖離していく。たとえコストをかけてＣＡＤデータを最新に更新維持出来ていたとしても、実際に使用する時は紙に印刷して使用される事が主流である。ＣＡＤデータは、あくまで図面としての利用であり、その多くは当然のように未だ２Ｄの紙図面である。
一方、３Ｄ ＣＡＤは、紙での共有は難しい。そもそも紙の図面と異なり３Ｄ ＣＡＤで描かれた３Ｄモデルは現場へ持ち出すことが不可能であった。加えて、３Ｄ
ＣＡＤは高価であり操作方法が難しい上に、３Ｄデータの受け渡しになると、企業間は言うに及ばず、同一企業の部門間でも、ＣＡＤソフトの違いやバージョンの違いなどの壁があり、その利用には困難を極めた。
３Ｄ ＣＡＤの操作には高度なスキルが必要であり、エンジニアが直感的に操作するには複雑すぎるインタフェースも、いまだ使用上の壁となっている。国内の優秀な熟練技術者にとっては、２Ｄ
ＣＡＤで実現できることをコストのかかる３Ｄ ＣＡＤで行う必要もない。２Ｄ ＣＡＤと比較して３Ｄ ＣＡＤのメリットや使用目的が不明確であればなおさらである。
昨今、国内のプラント設計でも３Ｄ設計がなされるケースが増えてきた。２Ｄ設計と比べて３Ｄ設計により得られるメリットは大きい。現実に存在する鋼材や部品を使ってプラントを建てるのであるから、それらの部品を電子カタログデータとして保持し、３Ｄ
ＣＡＤで空間配置していく。いわゆる３Ｄモデリングによる３次元設計である。
２Ｄ ＣＡＤを用いて３次元を想像しながら設計するのではなく、そのまま直感的な３Ｄ ＣＡＤを用いて設計業務が進められる。施工用図面や官庁申請図面を含め、必要な各種２Ｄ図
面も３Ｄ ＣＡＤから自動生成される。課題であったＣＡＤを含むデータの互換に関しては、ＩＳＯ15926にみられるように標準化も進んでおり、多くのＣＡＤで互いにデータのやりとりができるように改良されてきている。
近年のクラウド技術やタブレットの進化は、難しかった３Ｄ ＣＡＤモデルの現場への持ち出しを可能とした。紙での受け渡しと異なり、ＰＬＤＭで統合化されたＣＡＤデータであれば、部門を越えて必要時に参照し活用可能となる。
３Ｄモデルの大きなメリットは、なにより視覚的に分かりやすいことである。２Ｄ図面は空間構造を想像する必要があり、図面を読む高い能力を必要とする。さらに想像された空間構造は、その人の経験によって想像される形状やサイズが異なり、図面を介してのコミュニケーション上でのエラーとなる。それに対し、実態そのものである３Ｄモデルは誰が見ても一目瞭然で理解しやすい。
| 図１. ＣＡＤデータの電子統合化 |
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３Ｄモデルは画面内で対象物を回転させ、あらゆる方向から状態を確認できる。コミュニケーションにおいて正確に意図を伝えられることは必須である。現場での作業検討の際に、あらかじめ状況が想定できているか否かの重要性は言うまでもない。
| 図２. 対象部品の検索・視覚化 |
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３Ｄモデルがあれば、装置交換や操作時に安全な作業スペースが確保できるか、新設装置が隣接する部品とぶつからないか、機材の搬入経路上に障害物がないかといった干渉チェックが計画段階で事前に可能となる。さらに３Ｄモデルからは長さや、体積・表面積・質量・重心等の
情報が得られるため、解析用データ
としての利用もできる。
また属性データの付加された３Ｄモデルからは、使用部品の集計や使用鋼材の強度解析などのデータを得ることもできる。あるがままの３Ｄモデルからは当然ながらＩＳＯ図や配管図の自動抽出ができる。さらに、必要配管のみを表示しての部品構成や接続情報の確認も可能となる。これは、プロットプランとの整合性確認やＰ＆ＩＤを最新化する際に有効活用できる。３Ｄモデルが最新に維持されていれば、必要な情報を何度も現場で確認したり、寸法を測定しなおしたりするのに比べて安全で低コストである。
さらに設備保全管理システム（CMMS）やプラント情報管理システム（PIMS）の情報と連携することで、設備の運転状況や、耐用年数、交換時期による色分けや、特定部品の検索など、視覚的に表示することが可能となる。３Ｄモデルを用いれば、直感的で分かりやすい指示書を作成することができるだけでなく、使用する部品や指定工具での作業性など、周辺空間の状況確認も可能になる。作業現場では、作業手順をタブレット上の3D
PDFなどで確認することも考えられる。
ここまで述べてきた３Ｄモデルであるが、それを手にするためには、３Ｄデータが必要である。そもそも２Ｄで設計されたプラントでは３Ｄモデルが存在しないこともある。３Ｄデータが存在していても実際の状態と合っていない場合もあろう。そこで有効なのが３Ｄレーザースキャンである。
| 図３. アクセス性の確認 |
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近年格段に進歩したレーザースキャン技術により、実物プラントから３Ｄデータを取得し、利用することが実際に可能となった。精度よく短時間で対象物の３次元座標情報を、まるでカラー写真のように取得できる。その情報があれば、現実のプラントを正確にコンピュータ上に再現できる。まさにバーチャルプラント
の実現である。
レーザースキャンで得られた３Ｄデータには、図面には描かれないものも表現される。各種機器は実寸で表示され、電線や張り出し、足場や資材置き場、建機や車両など、スキャンされたもの全てが３Ｄデータ化される。
つまり現実のプラント設備があるがままに、３次元データ化されＰＬＤＭの３Ｄデータとして取り込まれるのである。その結果、ＰＣやタブレットを用いて、正確な作業指示の伝達やリアルな運転操作教育や操作シミュレーション、技術伝承のためのトレーニングなどが可能となる。
| 図４. 視覚的な作業指示伝達 |
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さらに耐震、耐久性評価や高経年化による傾きやたわみなどの変移解析もレーザースキャンで取得される３Ｄデータで可能となる。その結果、耐震補強の必要性や交換時期の算出ができ、予防保全や補修計画に経済的に役立てられる。
また、レーザースキャンでの計測は、計測対象から離れた場所から行えるため、対象物に触れる必要がない。そのため、レーザ光が届く範囲の高所や高温部、低温部、さらには光の届かない暗い部分も安全に計測可能である。
ＳＤＭの着工前後や改造工事の前後、さらには運転条件変更の前後にレーザースキャンを行うことで、装置状態を比較し解析することが可能となる。
高度成長期を支えてきたプラントと、その資産である安全操業のための設計や、運転上で受け継がれてきた優秀なベテラン社員の経験やノウハウは、埋もれさせてはならない。ますます少子高齢化が進む我が国において、技術伝承はまさに今必要なのである。その対応にＰＬＤＭは有効に活用され得るソリューションである。
ＰＬＤＭで提案する３Ｄモデルの活用を含む新しいＩＣＴ技術の導入は、日々の安全操業の手順を置き換えるものではない。電子化され統合されたデータは、シームレスにどこでも利用することを可能とし、関連部署のコミュニケーション連携をより確実にする手助けとなる。さらに、現場における勘や経験は安全操業において重要である。その勘や経験に頼らざるを得なかった部分を補完し、天候、時間、場所によらずいつでも何度でも使えるバーチャルプラントによって、可能な限りＩＣＴ技術を利用して視覚化することで、よりわかりやすく効率的な技術伝承を支援できる。
このようにＰＬＤＭソリューションの利用を通じて日々の情報を蓄積し視覚化することで活用価値を高めることが可能となる。安全で最適な運転と設備の維持強化を達成するため、ＰＬＤＭで高度に価値化されたデータの有効活用を提案する。
次回は、３Ｄモデルのみでは実現できない、プラントの状態を可視化し、プラントの運転支援や、安全管理を実現するＰＬＤＭのフロントエンドソリューションを紹介する。
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