劉 屹,張 理,秦飛宇

(中國恩菲工程技術有限公司,北京 100038)

0 前言

隨著近年來國家對于工業(yè)互聯(lián)網、中國制造2025、工業(yè)4.0 等概念的相繼提出[1-2],制造業(yè)將面臨的數(shù)字轉型勢不可擋。其中人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網等先進技術的飛速創(chuàng)新與換代,使其在制造業(yè)呈現(xiàn)出越來越緊密的聯(lián)系[3]。通過對工廠的BIM設計、管理與運行系統(tǒng)的有效集成,突破數(shù)字化過程中面臨的信息孤島和數(shù)據(jù)隔離等問題,通過提高工廠信息共享率和運營管理上的自動化智能化水平,助力我國制造業(yè)的轉型升級[4]。

目前,國內企業(yè)有著智能化、數(shù)字化轉型需求,同時面臨人力資源成本增加和不足的壓力。根據(jù)調研國內多家企業(yè)的在產情況,發(fā)現(xiàn)多數(shù)在產企業(yè)目前的生產、過程控制、質量管理、質檢等已投入使用的模塊各個功能都較為完善,但各個模塊之間并沒有實現(xiàn)數(shù)據(jù)與信息的共享,缺乏統(tǒng)一協(xié)調;現(xiàn)場多源數(shù)據(jù)流的獲取到數(shù)據(jù)輸出流程需要進一步完善,尚需人工的大量參與和控制,工作負荷大,信息流轉效率低,物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)互通存在壁壘,信息流在業(yè)務流程中的運行存在滯后性,企業(yè)無法根據(jù)實時的運行情況及時做出調整規(guī)劃,制約了企業(yè)信息化與數(shù)字化的進一步提升;并且部分企業(yè)存在多項關鍵管理系統(tǒng)的缺失,例如廠區(qū)安全管理系統(tǒng)、倉庫管理系統(tǒng)、質計數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)等,對于企業(yè)全方面的信息管理和監(jiān)控還有較大的升級空間。

1 三維可視化應用現(xiàn)狀

目前,企業(yè)在工廠建設和設計環(huán)節(jié)己實現(xiàn)初步三維協(xié)同設計,使用軟件涵蓋英國劍維軟件公司的PDMS、美國奔特力系統(tǒng)軟件公司的Bentley 等。在三維可視化技術的工業(yè)方向上,國內外的科研學者已經進行了大量研究,比如Bracht 等[5]提出的高頻焊接車間虛擬原型系統(tǒng),實現(xiàn)焊接設施及操作的運動過程的可視化。三一重工公司基于OSG 平臺開發(fā)了可以直觀顯示三維模型的VR Layout 的工廠布局工具[6],有效提高管理效率。馮德剛[7]為了地下管網進行有效管理,將地下埋管的設計信息、建設信息與三維模型結合。當下,三維可視化的研究應用多數(shù)著重于C/S 端架構;對于B/S 端的工業(yè)領域三維可視化系統(tǒng)的研究需要探尋摸索。

基于三維竣工模型,集成工業(yè)互聯(lián)網、大數(shù)據(jù)分析、數(shù)字孿生等技術,定制開發(fā)生產管理、設備管理、安全管理、環(huán)保管家等功能模塊,實現(xiàn)工廠運行信息全要素集中展示、全過程自動感知、突發(fā)事故快速定位、實時分析和自適應優(yōu)化決策,集中整合工廠三維模型與實時數(shù)據(jù),有效提高企業(yè)運行效率;實現(xiàn)從設計、建設、運維的全生命周期管控能力,為企業(yè)提供數(shù)字化創(chuàng)新的數(shù)據(jù)一體化展示平臺。

2 三維全信息可視化系統(tǒng)開發(fā)

中國恩菲三維可視化平臺是基于傳統(tǒng)的三維BIM 模型及設計信息,提出的全信息三維可視化解決方案,針對三維可視化的難點進行多項背景技術開發(fā),結合項目應用的實際需求,突出三維模型的立體展示效果,開發(fā)系統(tǒng)的功能模塊。

圖1 平臺架構示意圖

2.1 三維模型來源及編碼規(guī)則

(1)針對工廠占地面積較大,主廠房與其他車間的間距較長等情況,使用無人機航測傾斜攝影進行廠房周邊區(qū)域的三維地形拍攝,拍攝內容經過后期處理可獲得包含廠區(qū)、地形、市政、道路、自然環(huán)境等三維模型;

(2)搭建精細化三維模型,方便后期三維模型的深度應用,搭建包括土建、結構、裝備、管道、閥門、儀表等項目竣工模型。需要保證三維模型和P&ID模型的數(shù)據(jù)一致,同時包含設計階段需要的地形道路、設備、管道、管件、電纜、儀表和土建屬性數(shù)據(jù);

(3)BIM 模型的命名和編碼規(guī)則應統(tǒng)一制定,編碼應包含項目界區(qū)、分類等基本信息;編碼和設備、管道、儀表、電纜等一一對應;編碼在項目生命周期內不應更改。端子、設備基礎、土建構件也應統(tǒng)一編碼;

(4)三維模型要體現(xiàn)項目主工藝線路,工廠的地形條件、廠房配置情況、各車間之間的連接關系。車間內部要體現(xiàn)工藝配置的空間關系,管道與各設備之間的工藝連接關系,建筑結構的空間設計思想。

圖2 模型輕量化

2.2 三維模型輕量化及場景渲染

基于項目竣工模型、傾斜攝影和三維激光掃描等方式獲取原始的三維模型,其包含了模型數(shù)據(jù)、地理信息及設計信息等,存在數(shù)據(jù)量大、工程對象多、模型面缺失、坐標位置混亂等情況,直接使用模型面數(shù)量較多,后續(xù)渲染工作量巨大,部分功能難以實現(xiàn),平臺的操作流暢性和使用便捷性、實用性較差。因此需要對三維模型做圖形和數(shù)據(jù)輕量化處理,優(yōu)化對象和數(shù)據(jù),降低模型面的數(shù)量,提升曲面的精細度,從而確保系統(tǒng)可靠運行。針對工廠的管理和功能需求,深化三維模型,建立核心設備的內部結構模型,滿足設備拆分、組裝,儀表數(shù)據(jù)與模型鏈接顯示等功能需求。

三維模型需要經過一定程度的表面貼圖、材質渲染、燈光烘培等處理工作,使得場景更為真實,進一步提升三維模型的展示效果。優(yōu)化腳本插件及自動化工具相關參數(shù),完成本項目大規(guī)模模型和場景優(yōu)化工作,場景畫面的加載流暢,滿足平臺在B/S架構或移動終端的運行要求。

2.3 工廠實時數(shù)據(jù)的獲取

圖3 三維可視化平臺

依托于工業(yè)互聯(lián)網的平臺,通過其對已采集數(shù)據(jù)進行的清洗篩選,對可視化平臺所需要的數(shù)據(jù)進行整合歸類,通過API 提供給可視化平臺,并由Unity 自有UnityWebRequest 類提供的POST 或GET 方法獲取動態(tài)數(shù)據(jù);并在可視化系統(tǒng)內按需設定數(shù)據(jù)閾值,當數(shù)據(jù)超出設定范圍時彈出全局提醒。可展示的數(shù)據(jù)包括:在線儀表、重點設備等實時數(shù)據(jù),原料、備件等非實時數(shù)據(jù),企業(yè)管理數(shù)據(jù)等。

2.4 三維全信息可視化系統(tǒng)基礎模塊

(1)數(shù)據(jù)采集

通過對設備的通信層改造及應用傳感器、物聯(lián)網技術,對接遠程數(shù)據(jù)庫和各類監(jiān)控數(shù)據(jù)接口,動態(tài)獲取實時監(jiān)控數(shù)據(jù)。同時,將相關算法融入系統(tǒng),可根據(jù)數(shù)據(jù)進行分析,形成數(shù)據(jù)圖表和處理建議。并實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的合規(guī)性判斷,對采集的大量數(shù)據(jù)進行整理和清洗,綜合各種資源狀態(tài),滿足企業(yè)管理需求。

(2)全場景漫游

實現(xiàn)多終端全廠多場景漫游,可在PC 端、移動端&VR 設備中,利用虛擬現(xiàn)實技術,把設計方案中的廠房建筑等區(qū)域按照1∶1模擬成立體實景,可實現(xiàn)按設定好的路線實現(xiàn)重點區(qū)域的游歷,同時也可以第三人稱視角實現(xiàn)自主游覽。

(3)設備管理

對自動化設備的數(shù)據(jù)采集,實現(xiàn)生產設備的可視化管理,交互式查詢廠區(qū)設備相關信息。結合生產工藝的變化,完成設備信息查詢與定位、設備臺賬、設備故障報警與維護預警、設備操作培訓、設備狀態(tài)診斷、設備運行時間記錄,檢維修計劃提醒等,保證在生產過程中設備運行的能效性等方面達到最佳狀態(tài)。此外,設備列表也可以鏈接到Web 端讀取數(shù)據(jù)列表,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的單次錄入和跨平臺復用。

(4)生產管理

遠程讀取實際生產數(shù)據(jù)、生產計劃、施工進度等管理數(shù)據(jù),并根據(jù)實際與計劃的數(shù)據(jù)對比形成圖表。實現(xiàn)對生產運行信息、生產運行周期的統(tǒng)計和展示,輔助生產人員及時調整生產計劃,保證生產過程安全有序進行。

(5)安全環(huán)保

實現(xiàn)生產廠區(qū)的可視化管理,如人員的實時定位,火災或極端天氣的應急疏散模擬、應急資源分布、風險管控告知、風險區(qū)域等級、車間隱患顯示以及生產區(qū)域重要位置的視頻監(jiān)控等,能夠較好地助力安全生產。同時也可以匯總規(guī)律性的安全檢查,并將檢查結果統(tǒng)計、匯總成各類圖表,用于輔助決策。實現(xiàn)整個生產區(qū)域的環(huán)保動態(tài)的監(jiān)測管理,同時能夠發(fā)揮較好的迎檢功能。

(6)倉儲管理

實現(xiàn)生產物料進廠審檢管理、物料追溯、物料和備品備件實時庫存顯示,關鍵物料與備件庫存提醒,及時開展物資采購。簡化物料登記流程,全過程物料流轉可視化,降低倉儲工作人員的工作負荷,提升物資使用效率。

(7)工藝流程展示

針對全廠的主要工藝流程進行模擬展示,通過動畫和粒子特效的處理,生動形象的展示工藝流程中的物料流轉、能量轉換過程,最終結合實際控制數(shù)據(jù),形成完整的工藝流程動畫用于可視化仿真。

(8)智能看板

對生產全廠、各車間、生產線、市縣在線動態(tài)顯示及仿真,基于全廠的信息采集及反饋,通過自定義數(shù)據(jù)模型進行計算,得出關鍵生產數(shù)據(jù),包括全廠產量、物料消耗、產品質量、單位能耗、單位成本等,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,最終達成全廠數(shù)字化、圖形化管理方式。

(9)全信息三維可視化系統(tǒng)交付物

PC 端、移動端運行的全生命周期數(shù)字化平臺,通過演示動畫、互動動畫、模型交互、信息展板等方式,集成了工廠生產管理、設備管道、安全環(huán)保等多項功能模塊。實現(xiàn)全廠重點信息流轉,數(shù)據(jù)展示,滿足工廠運行管理全流程數(shù)字化、全信息可視化、全生命周期數(shù)字孿生的需求。

3 結論

本文研究提出了三維可視化管控系統(tǒng)的一體化解決方案,基于Unity3D 開發(fā)對應的系統(tǒng),通過對工廠三維模型與運行數(shù)據(jù)整合,實現(xiàn)了對設計模型在運維階段的有效利用,優(yōu)化了對生產過程中對于三維空間的一些痛點;本文解決方案已在多晶硅、生活垃圾焚燒發(fā)電等多家企業(yè)的項目開發(fā)與應用,可廣泛應用于多個行業(yè)生產、設備管理及虛擬培訓。