淺談三維數字孿生在工業工程設計中的應用與美學

陳璐

（中冶東方工程技術有限公司，山東 青島 266555）

0 引言

隨著新一代ICT技術迅速發展，智能工業制造業的逐步推動，數字孿生與智能交互系統等概念成為了工業制造業的重要組成部分。工業設計原本是一個個繁瑣而又復雜的設計系統，它包括主體工藝設備、周邊建筑、管道線路系統等設計。而傳統的作業模式即分散式作業模式通常采用二維平面繪制。繪制施工圖文件和有關工程數據由設計人員各自分散掌握，無法實現設計的實時協作、資源實時共享與合并。除了協作困難，在傳統的作業模式下，由于設計人員來自不同專業，協調配合難度大，錯誤、遺漏和缺失難以避免[1]。所以為了改善這些問題，三維數字孿生技術應運而生。當然在現代社會里無論是戲劇、音樂、舞蹈，還是建筑、工業和科技都需要以一種相對整體且富有內涵的形式呈現出來。而將數字孿生完美地展現出來，就需要工業美學設計的加入，以往的數字孿生技術只會注重技術支持而忽略工業美學的重要性。

所以本文將結合原料場案例，融入工業美學設計，以三維虛擬建模技術為基礎，與工藝流程仿真模擬相結合，將傳統的二維平面化設計改為三維空間化設計，打造新型原料場的三維數字孿生與仿真平臺。

1 數字孿生在工業工程中的意義

所謂數字孿生（Digital Twin）就是利用物理模型通過傳感器、運行歷史等數據，集合多種工藝、多種物理量、多種概率的仿真模擬過程[2]，在計算機的虛擬空間中完成映射，從而以三維實體數字模型靜態或動態的方式向用戶展現相對應的實體設備的全運行周期過程。

數字孿生使工廠與信息化交互和融合，創建了虛擬工廠的運作模式，從而實現了利用智能化輔助工業的生產操作；它更有益于我們能夠在屏幕上看到實際工業中可能發生的情況，對信息的組織方式要求得更加直觀可視化，易于語義理解，便于交互溝通，從而更加安全有效地完成工業工程設計任務。

2 關鍵技術研究

2.1 3D虛擬工廠建模

3D虛擬工廠建模是數字孿生的重要組成部分，當前3D虛擬建模方式主要包括基于三維軟件直接建模、基于數據捕獲的三維空間掃描建模、基于標準虛擬模板的參數化建模方式。我們常用于前兩種：

（1）用三維軟件直接建模是基于采集到二維數據或者圖片，運用三維軟件來操縱虛擬空間中的點、線、面、體以形成虛擬對象。這些虛擬對象被映射到三維空間中，并多以三邊或四邊面的形態連接，從而形成的對象會繼續使用網格變形或以其他方式處理頂點手動創建完成。

（2）三維空間掃描建模有激光掃描建模、深度相機掃描建模、相機掃描建模和光場掃描建模四種方式，基本是采用結構光測量方式，利用立體相機測量原理，獲取完成三維數據。這個多用于大型場景，但使用精度不夠，掃描出來的模型還需要二次修復及優化才能達到精準的三維虛擬模型。

在三維軟件中可進行工業模型材質賦予、效果圖渲染、烘焙貼圖、細化模型等操作，并對周邊環境進行優化，使得3D虛擬模型更貼近現實。

2.2 三維模型轉換

針對工業領域的三維建模設計，使用的建模軟件有所差異，常使用的三維軟件有UG、solidworks、3ds Max以及Maya。在三維軟件的選擇上我們需要有所取舍，因為不同軟件格式需要不同的模型解析器插件，如工業中常使用的solidworks模型解析后也會存在一種中間格式“stl”，保存了模型的結構信息，還需要二次解析最終以“fbx”格式統一儲存，但由于工業場景通常尺寸較大，兩次轉換后模型面數非常高，加劇計算機的負荷，影響軟件運行速度。這種情況下可以選擇3dsmax建模軟件，并使用單面建模方式，模型可直接轉化為“fbx”格式，在前端可以直接讀取3dsmax模型、燈光和材質，為后期實現場景漫游功能提供有利條件。

2.3 三維虛擬工廠數據實現

將三維工業模型導入到虛擬現實展示平臺中，進行實時渲染，用戶可以在系統中瀏覽查看各種設備的屬性信息，同時讀取計算產生的數據以及場景展示。前端在Unity系統框架的加持下，PLC設備系統、采集服務器、應用程序三方相連，從而獲取工業真實數據可在三維虛擬工廠中實時讀取，設備號的綁定也可實現設備狀態在三維虛擬工廠的精確映射。

3 數字孿生的工業美學

在以往數字孿生設計中，經常會弱化工業美學設計，我們不能僅僅讓實體設備與虛擬工廠連接，將一堆虛擬模型隨意擺放在前端設備中，那么如何觀察實時情況和展現數字孿生方式就需要融入工業美學的設計。工業美學設計有兩方面的呈現：UE（User Experience）設計—用戶體驗設計和UI（User Interface）設計—視覺設計[3]。

3.1 用戶體驗性

在數字孿生中用戶體驗性不僅要以用戶為中心，收集用戶數據，分析用戶習慣，制定系統體系，增加用戶的工作效率，減少用戶的犯錯概率，還需要根據現場狀態，通過多種原型設計方案+算法，對不同層級的用戶進行功能設計，搭建前臺、中臺、后臺三部分，形成搭建生產閉環（如圖1）。

（1）前臺是由設計師與前端共同搭建，用代碼的形式將視覺樣式翻譯出來；

（2）中臺是由物理設備進行的生產數據、存儲數據以傳輸的形式提供給用戶方；

（3）后臺是由用戶方、運營師、設計師共同解讀數據安全性、畫面布局樣式與功能的智能化是否完善。

不同的業務需求可以通過后臺數據監測直觀地看到設計方案對應的用戶畫像，也可以看到對不同設計方案的敏感度，這樣既降低了多方的溝通成本，也增加了用戶體驗這一性能。

3.2 數字孿生的視覺設計

在數字孿生視覺設計中，首先需要確定主視覺設計風格，其次需要重點突出智能化主體，在宏觀的視角，采用大型區域工業場景來展現平臺屬性，通過不同圖層來展示三維虛擬場景，最終還需融合了多方元素形成視覺統一[4-5]。在視覺統一性的基礎上還要考慮美學原理：

（1）對比律：對比能讓主要信息一瞬間跳躍在眼前，一個頁面中層級需要控制在4-6個；

（2）接近律：人們對相似物體都有感知，根據它們各部分類型狀態而組合在一起的。每一部分越相似組合的可能性越大，設計當中分割的四個工具：間距最大、分割線次之、分割條再次之、卡片；

（3）相似律：在設計中要在色彩、字體、控件、圓角、圖標等方面運用相似定律，但在形式上有所區分，防止相同的流程決策影響用戶使用；

（4）閉合律：閉合律是指視覺具有聯想作用，因此大腦會將元素聯系成一個整體，這樣會更便于理解。設遵循閉合原理可以減少大腦主動聯想閉合時間，直接提升用戶的視覺體驗感。

4 數字孿生的應用實例與美學效應

由于智能化工廠需求的不斷升級，中國某企業新建原料廠，該項目的二級系統采用數字孿生技術改進規劃設計方案。由一次料場、混勻系統、燒結供料系統、高爐供料系統、汽車卸料系統、火車卸料系統六部分以及輔助設施組成，首先在原料廠的二級系統在設計中根據設備CAD圖紙和現場采集照片，在計算機中進行了對料場布局規劃，完成了堆取料機、取料機和翻車機室（火車車廂、翻車機）、燒結和高爐配料倉及卸料小車等設備的數據采集，用3dsmax對其進行了三維虛擬模型建立（如圖2），在設計階段采用了多學科協同操作原理，使得機械、電器、自動化協同操作，及時反饋和修正虛擬模型。在虛擬模型建立完成后，又運用路徑變形和曲線編輯器模擬出火車里翻車機室卸料和汽車卸料的仿真動畫，達到了很好的運行效果。

在物理料場運行過程中，所有設備數據通過PLC控制器，經過OPC UA協議，經過通訊服務，傳送給虛擬料場。虛擬料場可以調度出實時數據對物理料場的運行狀態進行仿真優化分析，并對物理料場進行實時調控。通過物理料場與虛擬料場的動態交互，可以及時地掌握相互的動態變化并實時地做出響應（如圖3）。

虛擬料場與工業美學相結合設計，通過用戶體驗分析和數字孿生的特點，我們可以梳理出“智能”“數字化”等設計特性，“安全”“穩定”等行業特性。所以我們將通過解構與聯想的手法來拆解這些設計特性，用視覺方式來表達產品特性。例如：“智能”的關鍵詞可以轉化成顏色，聯想到所接觸的事物和影像場景中多是運用青藍色或者明黃色來表達，繼而可以運用這種方式從顏色、材質、物品上的關聯聯想逐步推導轉化成為我們的主視覺設計。主頁界面設計用 8＊8 網格系統進行布局，元素的外邊框、間距都是以 8 的倍數來設置，可以增加畫面的統一性。在顏色中為虛擬料場選用以普藍（R：9 G：32 B：63）和孔雀藍（R：0 G：209 B：203）設立為品牌主色，三維虛擬料場以天藍色（R:72 G：135 B：255）調為主色，周邊使用大片綠地將其包圍，在視覺上體現出足夠的層次感（如圖4）。工具欄以288px寬度分別置于畫面兩側，按鈕以半圓矩形狀態體現，不同的場景根據顏色可以完全區分，在1920＊1080px頁面里可以顯示料場里每個料棚的進出庫情況和完成率，燒結配礦室、高爐配礦室、汽車受斜系統、火車受斜系統的工作量和當前完成狀態，這不僅為了視覺上的美觀，更重要的是要做信息數據的分割與歸類，使得每一部分數據可以精準閱讀。

在用戶體驗性上，為虛擬料場增加了機器人漫游功能和故障快速定位系統（如圖5），機器人的漫游功能設置為固定路線，使參觀用戶可以不進入物理料場也可以看到物理料場的內部情況，更有效減少事故發生概率和人員配置。故障快速定位系是當機器出現故障時，監視器能迅速根據信號器檢測出故障位置，彈出報警彈框，在孿生系統中可以直接定位到具體位置，及時通知工程人員進行檢修，為料場減少事故的發生作出了有力的貢獻。

5 總結

三維數字孿生技術作為一種新型技術備受業界所有人的關注和學習，本文融入工業美學設計理論，使得工業數字孿生無論是視覺上的感官體驗還是實際操作上用戶體驗都有了進一步的提升，顯示了工業美學與科技的同等地位。目前，在全球范圍內數字孿生技術在工業工程上應用還比較少，隨著工業大數據、物聯網、人工智能、虛擬現實等技術的不斷融合和快速發展，相信未來數字孿生技術在智能制造領域的發展前景必然廣闊。