基于BIM和VR技術的卷煙工廠設計系統研究與應用

黃啟錄 魏斌 陶智麟 毛永煒 陶鐵托 王琳

摘? 要： 為解決卷煙工廠設計時各專業協同作業能力不足，修改工作量大，無法通過仿真優化方案等問題，研究BIM和VR技術在卷煙工廠三維設計中的應用，集成應用C++、Unity、SQLite等工具和技術，開發基于BIM和VR技術的卷煙工廠三維設計系統。設計系統具備工廠建模、碰撞檢測、作業過程仿真、3D漫游等功能。在某卷煙廠的總體設計和運行維護中，提高了設計效率和質量，構建了工廠數字信息模型，提供了“虛擬在線工廠”。設計系統為卷煙工廠設計提供了新的工具，為工廠全壽命周期設計與管理打下了基礎，同時為煙草行業的智能制造建設提供了支持。

關鍵詞： BIM技術;VR技術;設計系統;虛擬工廠

中圖分類號： TP391.9? ? 文獻標識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.029

本文著錄格式：黃啟錄，魏斌，陶智麟，等. 基于BIM和VR技術的卷煙工廠設計系統研究與應用[J]. 軟件，2020，41（09）：105107+132

【Abstract】： In order to solve the problems such as the lack of cooperation ability of each specialty， the heavy workload of modification， and unable to optimize the scheme through simulation during the design of cigarette factory， the application of BIM and VR technology in the three-dimensional design of cigarette factory is studied. The tools and technologies such as C++， unity and SQLite are integrated to develop the three-dimensional design system of cigarette factory based on BIM and VR technology. The design system has the functions of factory modeling， collision detection， operation process simulation， 3D roaming， etc. In the overall design and operation maintenance of a cigarette factory， the design efficiency and quality are improved， the factory digital information model is constructed， the “virtual online factory” is provided. The design system provides a new tool for cigarette factory design， lays a foundation for the whole life cycle design and management of the factory， and provides support for the intelligent manufacturing construction of the tobacco industry.

【Key words】： BIM technology; VR technology; Design system; Virtual factory

0? 引言

傳統的卷煙工廠設計通常只進行二維平面設計，各專業只負責本專業設計，沒有共用的設計平臺，各專業信息互通效率差。設計過程中修改工作量大，一處修改后相關專業需同時修改。方案設計中的相關計算只能單獨完成，無法與繪圖工作結合。傳統設計方法無法對生產線進行仿真和優化，如生產過程仿真、供能計劃仿真、物流系統優化等，同時難以實現設計、施工、運維一體化。

隨著煙草工程設計內容的增加，項目更加復雜，需要多專業協同設計，傳統的設計方法已無法滿足設計的新要求。近年來，建筑信息模型和虛擬現實等新技術的發展與應用，為工廠設計系統的研究提供了技術支撐。為了提高設計效率，實現全壽命周期設計與管理，本文研究并開發基于建筑信息模型和虛擬現實技術的卷煙工廠三維設計系統。

1? BIM和VR技術研究及應用

建筑信息模型（BIM）技術為建筑構建信息模型，并及時獲取并管理建筑信息，實現建筑設計、施工、運行直至壽命結束的信息集成[1]。作為建筑領域的新興技術，近年來，BIM理論研究不斷豐富，定義不斷擴展[2]，在多專業協同設計、建造管理與質量控制等方面的應用研究取得了一定的成果[3-4]。

虛擬現實（VR）是一門利用計算機技術生成與真實環境近似的數字化環境的綜合性技術[5-6]。近年來，虛擬現實技術在理論研究與應用開展等方面取得了很大的進展，很多基于虛擬現實技術的軟件系統被開發，并取得了不錯的應用效果[7-8]。

隨著技術的不斷發展，BIM和VR同時應用到工程設計及施工中的研究也相繼開展。何志紅等[9]設計了基于BIM和VR技術的裝配式建筑遠程協同平臺，蔣昊良等[10]將BIM和VR技術應用在CCS電站廠房的設計中，唐維等[11]研究了BIM和VR技術在地鐵施工過程中的應用，蘆志強等[12]將VR、仿真與BIM技術在水運工程設計中進行融合應用。

目前BIM和VR技術在卷煙工廠設計中的應用還處于初級階段。煙草行業產品種類單一，制造工藝和設備相近，易于建立卷煙工廠模型庫，為工廠建模和虛擬環境的構建提供了良好的條件。應用BIM和VR技術，研究開發卷煙工廠三維設計系統，可使設計人員和用戶身臨設計的虛擬場景，指導設計、施工和工廠維護。

2? 卷煙工廠設計系統開發目標

2.1? 開發目標

研究開發基于BIM和VR技術的卷煙工廠三維設計系統，在卷煙工廠的設計階段，各專業利用該系統協同設計，建立工廠的數字化模型;在工廠模型的基礎上，設置設備參數，對工廠生產過程進行仿真，模擬工廠運行過程，從而對生產線的規劃布局、設備配置等進行評價和優化;仿真視覺效果逼真，設計者和使用者可直觀的看到所設計的工廠環境及運行過程，并具有一定的交互設計功能;設計完成后，系統輸出工廠數字信息模型，指導工廠建設施工，運行投產后，工廠數字信息模型為后期運行維護服務，并實時更新工廠建筑和設備信息。

2.2? 功能需求

（1）建立煙草行業建筑、設備、貨架、管道等3D模型庫，可在設計系統中快速建模和修改。

（2）提供計算校核、數據分析及擬合等工具，計劃排產、路徑優化等算法，可自動或輔助完成數據分析或方案優化。

（3）仿真系統的設計需兼有離散系統仿真和連續系統仿真。在設計階段，可對工廠生產和作業計劃等進行仿真，在運行階段，可對生產效率和供能計劃等進行仿真。

（4）設計平臺需具有擴展功能和接口，兼容性好，可與MES系統等實現數據交換。

3? 設計系統研究與開發

3.1? 系統架構

三維設計系統由主控窗口程序、3D虛擬工廠窗口及數據庫模塊三個部分組成。其中主控窗口程序在Microsoft Visual Studio中開發，3D虛擬工廠窗口在Unity 2017中開發，以內嵌進程方式運行在主控窗口程序中;數據庫模塊使用SQLite 3數據庫引擎，獨立運行。

設計系統在構建可視的工廠三維模型時，同步對模型數字信息進行收集、執行、分析，建立數字信息模型后供仿真模擬。系統總體架構如圖1所示。

3.2? 主要功能模塊

3.2.1? 模型管理

模型是仿真的基礎。所有的模型具備雙重屬性：視覺模型和數值模型。視覺模型又包括3D模型、貼圖和動作。視覺模型由美術人員在繪圖軟件和美術軟件中制作。模型管理功能將3D模型導入系統，為其設置數值屬性和管理屬性，以用于后來的布局管理和仿真管理。

該模塊用于建立模型庫信息并維護。美術人員做好3D模型后，在該模塊中添加模型說明，設置參數，關聯模型文件。使用者可以預覽模型的外形，查閱、修改模型參數。

3.2.2? 模型布局

在模型庫的基礎上，平臺提供一個可視化的工廠布局界面。使用者可以在界面上布置廠房、設備、管道等，并設置模型的位置、型號、外形等參數。工廠布局界面如圖2所示。

模型布局的功能主要有：

（1）廠房各專業系統的三維綜合信息模型建成后，進行管線空間硬碰撞檢查，包括直接接觸或交叉，軟碰撞檢查，凈空間距是否符合要求等。

（2）檢驗管線和設備是否干涉，管線和供能設備、用能設備是否有效連接。檢驗物流設備布局是否合理、運輸通道是否流暢、三維空間運輸是否存在沖突等。

（3）檢驗工廠各生產要素是否齊備，包括原料、加工設備、運輸設備、倉儲設備、供能設備、動力管線等。

（4）檢驗供能設備、工藝設備、物流設備能力是否匹配，檢測倉庫庫容是否滿足要求等。

3.2.3? 計劃管理

作業計劃包含制梗絲線、制葉絲線和卷接包線作業計劃。其中制梗絲線和制葉絲線作業計劃帶有流體生產的特點，而卷接包線作業計劃兼有連續和離散的特點。作業計劃包括多個工段/生產線的計劃，為了建立計劃的數值模型，需要對計劃與實體設備進行統一管理。

計劃管理功能通過分析各生產線計劃的特點，形成數值模型，并通過錄入界面將計劃數據錄入數據庫，進行增、刪、改和查詢操作。

3.2.4? 生產仿真

仿真執行分為圖形仿真和數值仿真。圖形仿真展示生產過程中物料流的變化、主機的外部運動、主機的內部運動、倉庫的變化、物流設備的運動等;數值仿真模擬離散系統的數值變化。圖形仿真的時候后臺數據實時更新。生產仿真既能仿真某條生產線的作業過程，又能仿真全廠作業計劃。仿真模塊架構如圖3所示。

如圖3所示，利用已建立的工廠模型和產品模型，設置時間比例尺等仿真基礎數據，以及批次信息等生產線初始信息，并制定設備能力、參數范圍等約束規則，按照設置的流程進行仿真。基于多線程的執行引擎是模塊的核心，根據仿真計劃，引擎在運行一個仿真過程時，實時根據仿真數據更新仿真約束條件，并相應調整仿真計劃，在輸出仿真結果的同時將仿真數據保存到仿真歷史數據庫中，利用系統提供工具可對歷史數據進行統計和分析。

3.2.5? 漫游

漫游功能分為3D漫游和VR漫游。

（1）3D漫游以第一人稱視角觀察虛擬工廠。通過鼠標和鍵盤的操作來移動視角、轉動視角。通過對所有模型進行碰撞體設置，避免漫游過程中出現穿插、穿墻等不合理的操作。

（2）VR漫游需要更高精度模型支持，以及更高的顯示幀率（FPS）支撐。通過將3D場景渲染成左右眼視角兩幅畫面，在VR眼鏡中給用戶帶來沉浸式視覺體驗。在VR漫游過程中，用戶可通過頭部運動、身體轉動以及視線轉移，進行一些虛擬操控;當然，用戶也可以通過操作器或手柄來進行直接操作。VR渲染的效果如圖4所示。

4? 應用案例

在某卷煙廠建設項目總體設計和運行維護中，應用本文研究的基于BIM和VR技術的卷煙工廠三維設計系統，使用效果主要體現在以下幾個方面。

（1）實現多專業共用平臺協同設計，減少了工作量和設計錯誤，特別是專業間溝通不暢造成的設計錯誤。利用設計系統更加方便修改，并減少修改錯誤。

（2）構建了涵蓋卷煙工廠建筑、設備、動力管線及相應參數的數字信息模型，為運行仿真、方案優化、施工和運維打下了基礎。卷煙聯合工房三維模型如圖5所示。

（3）在工廠數字信息模型的基礎上，設計階段模擬工廠生產運行，根據生產仿真結果優化設計方案，避免了設計返工和資源浪費，提升了設計質量，提高了設計效率。

（4）為施工階段提供更多信息，提高施工效率，避免返工造成的浪費，方便設計與施工人員的溝通。為運行維護階段提供數字信息模型，實際運行階段，可采集工廠運行數據，實現“虛擬在線工廠”，按照生產計劃提前模擬生產，指導生產和工廠維護等。虛擬工廠的效果如圖6所示。

5? 結語

本文對BIM和VR技術在卷煙工廠三維設計中的應用進行了研究，開發了基于BIM和VR技術的卷煙工廠三維設計系統。設計系統具備工廠三維建模、可視化設計、碰撞檢測、作業計劃仿真、3D和VR漫游等功能，為工廠建設施工和運行維護提供數字信息模型，在卷煙廠項目總體設計和運行維護應用中，取得了很好的應用效果。卷煙工廠三維設計系統，擴展了設計的內涵，將工廠的設計、建設、運維結合在一起，為工廠全壽命周期設計與管理打下了基礎，同時為煙草行業的智能制造建設提供了支持。

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