海工产品虚拟工厂的信息建模、集成与可视化

祝　颖，鲍劲松，王丽亚，夏子越，柴金泽

(1.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240； 2.东华大学 机械工程学院，上海 201620)

海工产品虚拟工厂的信息建模、集成与可视化

祝颖1，鲍劲松2，王丽亚1，夏子越1，柴金泽1

(1.上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240； 2.东华大学 机械工程学院，上海 201620)

针对海工产品设计和生产运行阶段，提出了基于建筑信息模型(BIM)的虚拟工厂建模方法，该虚拟工厂不仅包括建筑要素，还包括了设备要素、车间控制要素(几何、物理和功能)的综合数字化表达，将几何实体模型、物理属性、规则等建筑和语义信息有机地融合在一起，可以实现制造系统的建模、仿真和评估 (MSE).设计了一种融合BIM的虚拟工厂集成方法，并实现了原型系统，用来可视化基于BIM的海工虚拟工厂.

虚拟工厂； 建筑信息模型(BIM)；信息建模；海工产品；系统仿真

海洋是全球油气资源的重要开发领域，开发和利用深水油气资源已作为国家的重要战略举措之一. 国际权威机构分析表明，在未来近10年用于开发海洋产品的投资总量年均有望达500亿美元，且投资规模将与船舶市场相当.因此在全球海工产品装备市场上的投资和竞争都会十分激烈[1].

随着海工装备市场步伐的不断加快和拓展海工业务需求的日益增长，确保海工产品的研制如期高效率、高质量完成，企业需结合自身优势，从整体多方面考虑：如机制规范上、管理手段和开发技术上不断创新，结合“虚拟企业”的组织模式，进行数字化设计、数字化制造和全方面的数字化管理.海工产品的研制过程需将数字化协同开发技术发挥最大效用，支撑信息平台的建设.而现有的研发制造模式已不能很好地适应现有和未来海工产品设计的要求，因此，本文结合海工产品自身数据量大、产品规模大、制造周期长、涉及人员多、需求变化快的特点，开发与海工产品研制过程相适应的数字化平台，以实现设计、仿真、生产、评价过程的数字一体化管理.

1　海工装备研发现状和虚拟工厂发展综述

1.1海工装配研发现状

针对大型海洋工程装备的协同研发与制造过程中的难题，为了尽量避免企业在信息化建设和资源分配过程中分散开发而形成信息孤岛的情况，在进行信息化系统开发的前期就需做好相应的系统规划和资源整合，设计相对完整的系统实施框架，建立统一的管理标准进行数据规范和资源管理，便于企业开发的信息系统形成统一的有机整体.

然而现今在海工产品设计制造过程中，经常因为涉及的专业过多、中间环节交流不畅而导致前段信息修改未能及时反馈到相关专业或者下游环节，从而造成模型等信息无法一致的情况，并且最终会给现场的生产工作带来很大的麻烦，同时会造成许多损失.具体情况表现在下述几个方面：

(1) 产品设计模型变更方面，当发现该设计变更不符合设计要求时，需人工反馈确定是否发生该设计变更.建模过程中，不同专业的设计人员往往需要对模型进行预览，对模型的信息进行检查和更新，对设计图纸内的一些同类的字符和标注进行更改以及对图纸进行排序编页等，这些操作都需要设计人员人工完成，无法自动、批量地进行操作，这严重降低了建模效率，增加了设计人员的工作量.

(2) 在模型的信息检查方面，当零件、模型信息量小，精度要求低时，可以对在舱室内和甲板上的布置进行空间检查，对布置进行干涉检查，以及检查各项布置之间有无相碰，避免在进行实际装配和安装设备或零件时发生不必要的碰撞.但是当模型信息量十分庞大、精度要求较高时，就无法进行全面的检查.

(3) 目前某些生产信息管理，需要人工把相关信息(如表面处理、压力等级、图号等内容)录入到TRIBON系统中，工作量非常大，耗费大量时间在比较低效的工作上，而且极其容易出错.依靠手动用户根据详细设计的要求，编写定义文件，工作量大，准确性需要信息系统支持.

1.2虚拟工厂发展综述

因客户化定制产品的多样化和市场需求的不确定且变化之快，海工产品制造面临的主要问题是将设计与生产系统高效快速地响应市场需求.现在越来越多的学者和企业管理人员应用可视化技术和信息建模管理方法研究此类问题，涉及的相关基础研究有数字化企业、虚拟工厂和建筑信息模型等.

数字化企业(digital enterprise technologies, DET)是通过信息和交流技术以数字结构管理关键数据和企业流程[2].但是由于现实中不确定的突发因素过多，使得数字技术与实际工厂产生许多不同之处，所以基于DET的生产计划和控制决策会与实际情况偏差较大.

虚拟工厂不仅包括建筑要素，还包括了设备要素、车间控制要素(几何、物理和功能)的综合数字化表达[3].类似于西门子的Tecnomatix Plant软件[4]，其主要偏重描述工程的仿真模型，对于真实的三维结构很难描述. 还有学者应用虚拟工厂技术进行生产厂区规划[5]，辅助进行布局和物流规划的决策、现场监控和管理[6]以及生产系统评价与优化[7-8].但是这一类厂区规划、辅助决策和优化的应用主要是针对生产过程中的结构化数据，而工厂中的许多非结构化数据对生产活动的影响也很大，但没有得到有效的解决.

建筑信息模型(BIM) 以三维数字技术为基础,包含了几何实体模型、物理属性、规则等建筑和语义信息，集成了建筑工程项目的各种相关信息的工程数据模型.IFC是Building SMART公司为BIM应用提出的一种开放数据标准,以实现建筑内信息的表达、共享及应用,并已成为了国际标准 (ISO16739).基于IFC的建模主要应用在城市[9-10]或建筑建设仿真与协同工程领域[11]，很少用于生产系统的设计与管理，在虚拟工厂建模中尚未使用.目前缺乏虚拟环境下对非结构化数据的建模方法，以及与之配合的制造系统生产过程监控反馈技术的研究.

基于上述研究，本文针对海工产品设计了一种融合BIM IFC的虚拟工厂建模和仿真方法，不仅考虑到工厂的每一个建筑结构，而且融合了工厂中的设备、由设备组成的制造执行系统(MES)、设备间产生的各种数据等.

2　基于BIM IFC的虚拟工厂信息建模

2.1IFC类构架

IFC的语义信息定义非常强大，包含大量的建筑细节描述.通过Express语言定义的类及其属性、规则、约束条件等描述各种工程信息, 包含各种建筑部件间的语义连接关系，支持完整BIM的描述和存储.IFC标准的IFC4版本包括了766个实体(Entity)以及391个枚举、选择等类.IFC架构如图1所示.

图1　IFC架构Fig.1　The framework of IFC

图1中，IfcRoot 是IFC架构中对象的基类,核心层及以上层的实体都由 IfcRoot派生.由IfcRoot派生3大类(对象、关系和属性)IfcObjectDefinition、IfcRelationship、IfcProperty Definition, IFC 模型是通过这3大类进行描述的.

IfcObject是由IfcObjectDefinition 派生的抽象超类,它派生出6个基本子类:IfcProduct，IfcProccess，IfcControl，IfcResource，IfcActor 和 IfcGroup. IfcRelationship 用于表示实体间和实体与属性间的关联关系,它派生出6个基本的关联类:IfcRelAssigns，IfcAssociates，IfcDecomposes，IfcDefines，IfcConnects 与 IfcDeclares. IfcProperty SetDefinition 由 IfcProperty Definition 派生,其是一系列属性定义的集合,派生出的类包括 IfcPropertySet，IfcPreDefinedPropertySet 和IfcQuantitySet，如图2所示.

图2　IFC 关联类Fig.2　IFC association class

IFC格式非常适合于描述工厂结构，然而其对于工厂的各种设备、控制要素信息目前没有描述.

2.2基于BIM的IFC集成

IFC格式用3类表达来描述几何实体，分别是边界表示( B-rep ) 、扫描体(Sweep)以及构造实体几何( CSG).在虚拟工厂建模中不仅包括由面片构建的三维模型，还往往包含三维测量的点云数据.

基于BIM的数据集成分成两类. 一类是结构化数据，一般存储在数据库中或者以XML来进行描述，这些数据系企业管理数据(包括MES记录的设备状态数据、工厂计划数据等). 另一类是非结构化数据，其记录了建筑设计数据、电气设计数据、视频监控类型或者测量扫描点云数据.通过BIM的统一构架(如图3所示)，将这两类数据集成整合在一起，提供虚拟工厂的布局优化和设备优化仿真.

图3　基于BIM的IFC集成Fig.3　BIM-based IFC integration

3　基于虚拟工厂的仿真、集成与应用

在海工产品虚拟工厂中，为了使用户对工厂的实时状况有更直观的认识，结合虚拟现实技术对现场数据进行及时监控. 虚拟工厂的系统平台根据实际工厂的布局进行三维场景还原，基于BIM模型的多种资源信息(设备状态数据、监控数据、布局约束等)，不仅可以显示工厂状态、进行自主浏览，而且可以在交互的操作环境下对工厂的制造过程有全方位的了解.因此，虚拟工厂不仅可以显示常规的、周期性或临时性的工作，还可以通过读取模型包含的数据信息对系统进行预测和防护.

此外，由于海工产品虚拟工厂需要面临大规模的资源(软件和硬件)、不同业务多变的拓展需求，常规的生产制造集成系统架构通常采用分层管理的方式，此方式会因为业务的细化而出现很多层级，用于海工产品信息系统架构不是非常适合.为了使虚拟工厂的系统平台简洁且易扩展，现将其扁平化并设计为三层架构，如图4所示.

图4　系统平台架构Fig.4　The framework of system platform

(1) 数据层. 以BIM IFC数据建模为基础，构成车间现场数据库，已接口在平台数据层上，结合上游的研发设计数据库和生产工艺数据库、下游的生产线故障诊断数据库，再通过入口，集成到平台数据库中. 这样就可以将不同数据库中类型各异的数据信息(软硬件设备状态、操作数据信息、现场监测获取数据、设计工艺信息和知识等)进行统一规范为一种类型的资源信息，通过集成平台数据库支持服务层，避免了服务组合过多、信息交互复杂的问题，从而减轻了集成的难度. 数据的整合和前处理解决了海工产品在不同系统中类型各异而难以流通的问题，为上下游的业务互联提供基础. 此外，信息化自动录入的方式也从时间和准确性上有大幅度提高，改善了原有海工产品需要手动录入信息耗时、耗力的问题.

(2) 服务层. 针对海工产品从设计到生产制造过程相互影响的特点，系统的服务层将制造过程中涉及的从设计阶段的模型建立系统、产品数据管理(PDM)系统、工艺管理系统、专家系统，与现场的车间管理MES系统打通，通过基于BIM的数据信息相互关联，使得各系统之间具备一定程度的自行管理、修复和部署能力，为平台的应用层提供可重用的高效服务资源.具体数据流通形式是以从数据层获取的三维数模(IFC)为基础，设计部门通过PDM系统直接从IFC获取设计信息并更新，工艺系统也直接从IFC获取设计信息，保证设计信息的一致性. 工艺设计系统同时接收工艺专家系统提供的工艺设计知识. MES系统以PDM系统的图文档信息和工艺设计系统的设计信息为输入，产生具体生产信息输出到车间. 同时以IFC数据为基础的虚拟工厂仿真数据与MES产生的数据不断地进行比对，监督计划和生产的进行，实现从设计到生产的业务流通，避免了海工产品从设计到生产过程中上下游数据变更不一致的现象.

(3) 应用层. 系统平台的应用层主要针对企业的研发、设计和制造单位，可以根据业务需求的不同，采取不同的策略对服务层的资源进行组合.由于服务层的构建采用相对自治可重用的资源，这种构建方式可以快捷灵活地对应海工产品业务需求变化进行调整.资源整合互通之后，设计制造信息与现场机器人监测信息的反馈相互匹配，使海工产品的生产过程形成从设计到制造的一体化，从根本上改变海工产品原有生产率低、信息流通缓慢的问题.

4　原型设计与应用验证

虚拟仿真平台是原型设计的重点，其目标在于实现各类生产制造信息、计划推进信息、资源设备状态信息等现场相关数据可以实时显示并交互操作.本系统的操作环境简洁，以虚拟现实技术为基础，界面主要分为工厂仿真主界面和用于控制的属性编辑器(如图5所示)，将生产制造过程实时展现在用户面前.图5所示的系统界面由菜单栏(包含对仿真界面整体操控、设计等操作)、属性编辑器(控制仿真进程)和仿真系统主界面(含虚拟工厂中的所有模型信息等)组成.整个系统给用户提供了一个三维可视化、可交互的工厂，用户可以操作和修改实时更新的数据和对象，并进行设施布局、干涉检查等.在仿真系统中，这些信息是实现计划监控的基础，用户可以在仿真界面对项目的整体进度进行控制和评估.

图5　仿真界面与属性编辑器Fig.5　Simulation interface and property editor

5　结　语

本文结合海工产品研制过程的特点，通过虚拟现实技术和其他数字化技术，设计了海工产品设计制造生产一体化的三维虚拟工厂，并提出对虚拟工厂的建模、仿真与评价方法，包含基于BIM的数据集成、系统架构的建立、原型设计及仿真过程的实现4个方面. 虚拟工厂以数据可视化建立三维场景，通过与仿真技术得到的结果比较分析，得出实际生产数据与虚拟工厂产生参数的差距，并以此提高系统的有效性.在对大量数据的提取上，今后可以提出更加高效率的处理算法.

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[11] 李宁. 基于BIM与IFC的混凝土坝施工仿真信息模型构建方法研究[D]. 天津：天津大学建筑工程学院, 2012.

Information Modeling, Integration and Visualization of Virtual Factory about Marine Product

ZHUYing1,BAOJin-song2,WANGLi-ya1,XIAZi-yue1,CHAIJin-ze1

(1.School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240，China；2.College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620, China)

A virtual factory modeling method based on building information modeling (BIM) is proposed for the design and production stage of marine products, including the architectural elements and the integrated digital expressions of the equipment elements and the workshop control elements (geometry, physics and function). Combining solid geometric models, physical properties and rules of the building and semantic information, this method can realize the modeling, simulation and evaluation (MSE) of manufacturing system. The paper presents a virtual factory integrated method of manufacturing marine product, combined with BIM, and realizes a prototype system to visualize the marine virtual factory based on BIM.

virtual factory; building information modeling (BIM); information modeling; marine product; system simulation

1671-0444(2015)04-0443-05

2015-02-09

国家自然科学基金资助项目(71472125)；国家发展改革委智能制造装备发展专项资助项目(〔2012〕688号)

祝颖(1990—)，女，江苏大丰人，硕士研究生，研究方向为企业信息化. E-mail:zhuyingchina@foxmail.com

鲍劲松(联系人)，男，教授，E-mail：bao@dhu.edu.cn

TH 186

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