基于三維GIS的數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

肖長偉 年立輝 曲國鵬 閆高原

（1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.建筑工業(yè)化與信息化應(yīng)用技術(shù)研究所，江蘇 徐州 221116）

隨著我國市場經(jīng)濟快速發(fā)展，企業(yè)在國際市場競爭中面臨越來越嚴峻的挑戰(zhàn)，需要不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，降低企業(yè)管理成本，提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。數(shù)字化工廠成為現(xiàn)代制造業(yè)領(lǐng)域新的研究方向。隨著測繪科學(xué)技術(shù)、地理信息技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，三維GIS技術(shù)已經(jīng)成為當下發(fā)展的熱點，數(shù)字化工廠與三維GIS相關(guān)技術(shù)的融合成為必然[1-2]。

目前，工廠的生產(chǎn)計劃信息系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、過程控制系統(tǒng)、人員管理系統(tǒng)、地上廠房和地下管網(wǎng)管理系統(tǒng)均已發(fā)展成熟，但各個系統(tǒng)相對獨立，負責(zé)單一特定的功能，缺乏聯(lián)系和協(xié)調(diào)，未進行很好的融合，嚴重制約現(xiàn)代工廠數(shù)字化、信息化效率的提升。因此，研究數(shù)字化工廠和三維地理信息系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的融合，實現(xiàn)工廠的三維管理、實時運營數(shù)據(jù)合理整合的解決方案，有利于實現(xiàn)工廠生產(chǎn)、經(jīng)營管理的數(shù)字化和智能化，對我國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級、智能制造2035的實現(xiàn)具有重要的推動作用[3-5]。

基于三維地理信息系統(tǒng)的數(shù)字化工廠將地理信息系統(tǒng)技術(shù)、測繪科學(xué)技術(shù)、三維可視化技術(shù)、通信技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)完美融合，其功能包括繪圖、數(shù)據(jù)編輯、圖形變換、圖層管理、空間查詢、三維管理、三維可視化和空間分析等。數(shù)據(jù)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，向系統(tǒng)提供所有底層數(shù)據(jù)，其中包括工廠基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)、生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)、地上空間數(shù)據(jù)和地下各類管網(wǎng)數(shù)據(jù)。其中，工廠基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)包括廠房及附屬設(shè)施屬性數(shù)據(jù)、道路及附屬設(shè)施屬性數(shù)據(jù)、人員信息相關(guān)數(shù)據(jù)、車輛信息相關(guān)數(shù)據(jù)等；生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)、生產(chǎn)資料數(shù)據(jù)、設(shè)備信息數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)等；地上空間數(shù)據(jù)主要包括場區(qū)內(nèi)所有建筑物、設(shè)備的三維模型；地下各類管網(wǎng)數(shù)據(jù)包括供水管線、排水管線、電力通信管線、暖氣管線以及各種工業(yè)管線數(shù)據(jù)等。傳統(tǒng)的方法不能對工廠大量的數(shù)據(jù)進行有效管理，三維地理信息系統(tǒng)具有非常強大的數(shù)據(jù)管理、網(wǎng)絡(luò)分析、空間分析、數(shù)字化、三維可視化等功能。因此，三維GIS技術(shù)在數(shù)字化工廠中的應(yīng)用成為趨勢[6]。

1 三維GIS數(shù)字化工廠系統(tǒng)設(shè)計

基于三維GIS的數(shù)字化工廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于三維GIS的數(shù)字化工廠系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于三維GIS數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)在數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，疊加三維GIS技術(shù)、通信技術(shù)、計算機技術(shù)，為企業(yè)管理者提供三維可視化的平臺。本研究設(shè)計的三維GIS數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)采用分層體系結(jié)構(gòu)，以工廠基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)、生產(chǎn)經(jīng)營數(shù)據(jù)、建筑物和設(shè)備的三維模型數(shù)據(jù)以及各類地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)層，采用B/S和C/S相結(jié)合的設(shè)計方式，利用ArcGIS10.2軟件進行開發(fā)，將各種屬性數(shù)據(jù)、實時運行數(shù)據(jù)與三維空間位置坐標數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，能夠提高企業(yè)管理者對工廠的管理質(zhì)量，實現(xiàn)工廠各種基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)、經(jīng)營數(shù)據(jù)以及空間數(shù)據(jù)的快速更新[7-10]。

2 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

三維GIS數(shù)字化工廠的數(shù)據(jù)庫設(shè)計如圖2所示。

圖2 三維GIS數(shù)字化工廠的數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮腉eoDatabase地理數(shù)據(jù)庫，將地理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進行融合。每個對象信息包括屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，空間數(shù)據(jù)主要包括廠區(qū)的地理數(shù)據(jù)和各種三維模型數(shù)據(jù)；屬性數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)和經(jīng)營有關(guān)的數(shù)據(jù)；基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)主要包括廠房、設(shè)備、辦公樓、道路、人員信息以及各種公共設(shè)施屬性數(shù)據(jù)等；經(jīng)營有關(guān)數(shù)據(jù)主要包括材料、產(chǎn)品、維修等數(shù)據(jù)，利用該地理數(shù)據(jù)庫能夠?qū)⒏鞣N空間數(shù)據(jù)和其對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)完美融合。

2.1 基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)庫

基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)包括廠房、設(shè)備、辦公樓、道路、人員信息以及各種公共設(shè)施屬性數(shù)據(jù)等，以關(guān)系數(shù)據(jù)表的形式存儲在GeoDatabase地理數(shù)據(jù)庫中。

2.2 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括廠區(qū)內(nèi)所有地物的1∶500地形圖數(shù)據(jù)、各種專題地圖數(shù)據(jù)以及各種建筑物的坐標數(shù)據(jù)。

2.3 三維模型數(shù)據(jù)

利用3Ds MAX軟件進行建模，制作各種建筑物的三維模型。基于三維GIS的數(shù)字化工廠系統(tǒng)中的三維模型主要包括辦公樓、宿舍里、廠房、各種機器設(shè)備、道路、增加泵房、配電室等三維模型數(shù)據(jù)[7]。

廠區(qū)三維模型數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 廠區(qū)三維模型數(shù)據(jù)

2.4 地下管線模型數(shù)據(jù)

工廠地下管線主要包括供水管線、排水管線、暖氣管線、通訊管線、電力管線以及工業(yè)管線等，管線附屬設(shè)施包括管井和儀表。廠區(qū)內(nèi)每一種管線均會形成一個數(shù)據(jù)庫，每個數(shù)據(jù)庫包含管線點數(shù)據(jù)表和管線段數(shù)據(jù)表；每種管井也會形成一個數(shù)據(jù)庫，管井數(shù)據(jù)庫包含一個管井數(shù)據(jù)表。基于地理信息系統(tǒng)數(shù)字化工廠系統(tǒng)中利用管線和管井數(shù)據(jù)庫可以自動生成各種管井和管線的三維模型數(shù)據(jù)[3-5]，各類管線和管井的三維模型數(shù)據(jù)和其屬性數(shù)據(jù)一一對應(yīng)。

廠區(qū)管井和管線三維模型如圖4所示。

圖4 廠區(qū)管井和管線三維模型

3 三維GIS數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)的功能模塊

系統(tǒng)從信息管理模塊和GIS功能模塊進行開發(fā)，信息管理模塊包括人員信息、設(shè)備信息、產(chǎn)品信息、生產(chǎn)資料信息、車輛信息、安防信息、客戶信息、各類建筑物信息、管線信息以及維修信息等的管理；GIS功能模塊主要包括各類數(shù)據(jù)的查詢與編輯、空間定位查詢、各類建筑物及設(shè)備三維模型的查詢、編輯、統(tǒng)計、空間分析、拓撲分析以及三維可視化等功能。系統(tǒng)可以幫助企業(yè)管理者提高工廠的管理質(zhì)量和生產(chǎn)效率，為工廠的生產(chǎn)、經(jīng)營、管理、服務(wù)提供依據(jù)[9]。

3.1 屬性數(shù)據(jù)查詢、編輯

三維GIS數(shù)字化工廠系統(tǒng)承載大量的屬性數(shù)據(jù)，包括人員數(shù)據(jù)、設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)、客戶相關(guān)數(shù)據(jù)、各類建筑物相關(guān)數(shù)據(jù)、管線相關(guān)數(shù)據(jù)等，企業(yè)管理者可以在系統(tǒng)中進行相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢和編輯。

3.2 GIS三維模型可視化

三維GIS數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)的三維可視化功能主要包括自動漫游、自由漫游和安全的主動提示。用戶可以利用鼠標鍵盤交互的方式在系統(tǒng)的三維場景中漫游，在漫游的過程中點擊三維模型可以獲取其實時的運行數(shù)據(jù)，用戶漫游到危險設(shè)備區(qū)域時，系統(tǒng)會自動地對用戶進行風(fēng)險提示。

設(shè)備三維模型如圖5所示。

圖5 設(shè)備三維模型

3.3 GIS空間分析功能

利用三維GIS數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)可以進行統(tǒng)計分析，拓撲分析，設(shè)備分析，維修分析，管線連通性分析，儀表、閥門控制分析等。統(tǒng)計分析可以根據(jù)范圍和類型對生產(chǎn)資料、產(chǎn)品、地下管網(wǎng)等進行統(tǒng)計分析；儀表、閥門分析可以判斷管線由哪個閥門和儀表控制、閥門和儀表能夠控制哪些區(qū)域。在工廠維修、施工、擴建過程中，經(jīng)常會對廠區(qū)的部分地區(qū)進行開挖，在開挖的過程中會出現(xiàn)挖斷電纜、管線等重要設(shè)施的情況，數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)具有地面開挖模擬功能。三維GIS數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)還具有爆管分析、通視性分析、流通性分析、流向分析、設(shè)備控制分析、區(qū)域分析等功能，為企業(yè)管理者提供決策支持[6-9]。

4 結(jié)語

工業(yè)4.0、中國智能制造2035對企業(yè)的管理質(zhì)量和生產(chǎn)效率提出更高的要求，傳統(tǒng)的數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足企業(yè)經(jīng)營者和管理者的日常管理需要，數(shù)字化工廠與三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)的深度融合成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。研究基于三維GIS技術(shù)開發(fā)適合工廠數(shù)字化管理的數(shù)字化工廠管理系統(tǒng)，在傳統(tǒng)數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上增加空間分析、拓撲分析、控制分析功能，可以實現(xiàn)整個廠區(qū)三維可視化、自由漫游，提高企業(yè)經(jīng)營者和管理者對企業(yè)的管理質(zhì)量和生產(chǎn)效率。