三維全信息可視化系統開發及應用研究

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互聯網、中國制造2025、工業4.0 等概念的相繼提出[1-2],制造業將面臨的數字轉型勢不可擋。其中人工智能、大數據、物聯網等先進技術的飛速創新與換代,使其在制造業呈現出越來越緊密的聯系[3]。通過對工廠的BIM設計、管理與運行系統的有效集成,突破數字化過程中面臨的信息孤島和數據隔離等問題,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,助力我國制造業的轉型升級[4]。

目前,國內企業有著智能化、數字化轉型需求,同時面臨人力資源成本增加和不足的壓力。根據調研國內多家企業的在產情況,發現多數在產企業目前的生產、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數據與信息的共享,缺乏統一協調;現場多源數據流的獲取到數據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,物理系統與信息系統之間的數據互通存在壁壘,信息流在業務流程中的運行存在滯后性,企業無法根據實時的運行情況及時做出調整規劃,制約了企業信息化與數字化的進一步提升;并且部分企業存在多項關鍵管理系統的缺失,例如廠區安全管理系統、倉庫管理系統、質計數據共享系統等,對于企業全方面的信息管理和監控還有較大的升級空間。

1 三維可視化應用現狀

目前,企業在工廠建設和設計環節己實現初步三維協同設計,使用軟件涵蓋英國劍維軟件公司的PDMS、美國奔特力系統軟件公司的Bentley 等。在三維可視化技術的工業方向上,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,實現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著重于C/S 端架構;對于B/S 端的工業領域三維可視化系統的研究需要探尋摸索。

基于三維竣工模型,集成工業互聯網、大數據分析、數字孿生等技術,定制開發生產管理、設備管理、安全管理、環保管家等功能模塊,實現工廠運行信息全要素集中展示、全過程自動感知、突發事故快速定位、實時分析和自適應優化決策,集中整合工廠三維模型與實時數據,有效提高企業運行效率;實現從設計、建設、運維的全生命周期管控能力,為企業提供數字化創新的數據一體化展示平臺。

2 三維全信息可視化系統開發

中國恩菲三維可視化平臺是基于傳統的三維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,結合項目應用的實際需求,突出三維模型的立體展示效果,開發系統的功能模塊。

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、地形、市政、道路、自然環境等三維模型;

(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模型的數據一致,同時包含設計階段需要的地形道路、設備、管道、管件、電纜、儀表和土建屬性數據;

(3)BIM 模型的命名和編碼規則應統一制定,編碼應包含項目界區、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、土建構件也應統一編碼;

(4)三維模型要體現項目主工藝線路,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,其包含了模型數據、地理信息及設計信息等,存在數據量大、工程對象多、模型面缺失、坐標位置混亂等情況,直接使用模型面數量較多,后續渲染工作量巨大,部分功能難以實現,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據輕量化處理,優化對象和數據,降低模型面的數量,提升曲面的精細度,從而確保系統可靠運行。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,儀表數據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。優化腳本插件及自動化工具相關參數,完成本項目大規模模型和場景優化工作,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 工廠實時數據的獲取

圖3 三維可視化平臺

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

2.4 三維全信息可視化系統基礎模塊

(1)數據采集

通過對設備的通信層改造及應用傳感器、物聯網技術,對接遠程數據庫和各類監控數據接口,動態獲取實時監控數據。同時,將相關算法融入系統,可根據數據進行分析,形成數據圖表和處理建議。并實現對實時數據的合規性判斷,對采集的大量數據進行整理和清洗,綜合各種資源狀態,滿足企業管理需求。

(2)全場景漫游

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

(3)設備管理

對自動化設備的數據采集,實現生產設備的可視化管理,交互式查詢廠區設備相關信息。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。此外,設備列表也可以鏈接到Web 端讀取數據列表,實現數據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據、生產計劃、施工進度等管理數據,并根據實際與計劃的數據對比形成圖表。實現對生產運行信息、生產運行周期的統計和展示,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)安全環保

實現生產廠區的可視化管理,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、風險區域等級、車間隱患顯示以及生產區域重要位置的視頻監控等,能夠較好地助力安全生產。同時也可以匯總規律性的安全檢查,并將檢查結果統計、匯總成各類圖表,用于輔助決策。實現整個生產區域的環保動態的監測管理,同時能夠發揮較好的迎檢功能。

(6)倉儲管理

實現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據,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、市縣在線動態顯示及仿真,基于全廠的信息采集及反饋,通過自定義數據模型進行計算,得出關鍵生產數據,包括全廠產量、物料消耗、產品質量、單位能耗、單位成本等,實現數據共享,最終達成全廠數字化、圖形化管理方式。

(9)全信息三維可視化系統交付物

PC 端、移動端運行的全生命周期數字化平臺,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、安全環保等多項功能模塊。實現全廠重點信息流轉,數據展示,滿足工廠運行管理全流程數字化、全信息可視化、全生命周期數字孿生的需求。

3 結論

本文研究提出了三維可視化管控系統的一體化解決方案,基于Unity3D 開發對應的系統,通過對工廠三維模型與運行數據整合,實現了對設計模型在運維階段的有效利用,優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、生活垃圾焚燒發電等多家企業的項目開發與應用,可廣泛應用于多個行業生產、設備管理及虛擬培訓。