三维数字化工厂可视系统的研究与实现

宁 鑫，刘伟洁，杜彦霞

（中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 063000）

三维数字化工厂可视化系统是根据虚拟制造的原理，使用计算机和网络技术来实现设计产品的生命周期中制造，装配，质量控制和测试以及其他功能阶段，从而加快产品上市时间，减少资金投入，明显提升产品质量和生产效率。

1 目前数字化工厂技术的研究情况

数字化工厂就是指使用互联网技术将工厂集成过程的所有要素进行采集映射，从而针对制造过程中出现的问题进行及时的改善。该项技术主要是根据制造企业的生产模式，根据其设计、制造、经营、管理和销售情况，使数据交换成本减少，提高制造企业的管理效率。近年来有更多的科研人员都想要依靠先进的虚拟现实技术和实时监控，通过镜像映射的方式将离线现实工厂和在线虚拟工厂表现出来。

2 三维数字化工厂可视化系统的必要性

工厂广泛使用的三维设计软件和监控系统软件主要采用独立模式，只能在生产现场或计算机上使用相应的软件显示三维模型或监控数据。特别是一些专门的3D设计软件，许可证的购买成本非常高，如果大规模安装这类软件可能会明显增加运营和管理成本。由于智能终端越来越复杂，以往使用特定软件的工厂数字化系统已经完全不能适应当下的行业管理者的要求，为更好的促进发展，整个制造行业需要建立完善的跨平台工厂数字化管理系统。通过建立数字化工厂系统平台，能促进三维设计模型可视化与实时运行数据可视化的有效集成，同时利用可视化系统，用户可以浏览工厂的三维场景，并实时连接到数据库，得到工厂的实时运行数据。

3 三维数字化工厂可视化系统

3.1 整体系统结构

当下基本所有的客户端软件中三维设计软件和监控系统软件都采用的是C/S模式。但是随着Web技术的不断发展优化，柔性B/S模型的使用范围也越来越广。本文主要是根据B/S模式设计和研发出有效的改善方案，主要包括业务逻辑层、表示层、数据层和服务层。其中服务层是系统的核心部分，首先，工厂可视化管理系统的全部业务功能都属于业务逻辑层，虚拟制造平台可以帮助工业设备企业建立设计端的模型、仿真端的模型、制造端的模型、服务端的模型等。通过利用三维激光扫描技术，逆向建模得出3D模型，通过模型优化和结构数据转换导入至虚拟制造台当中。

利用C#脚本实现交互功能，并作为基于WebGL的三维Web应用程序发布，利用JavaScript，WebGL技术实现浏览器3D模型的绘制和功能层的交互层。其次，工厂可视化管理系统就是通过表示层进行系统录入以及查询，系统的用户界面可以通过网站进行自主访问，选择对应的功能，将用户的数据要求通过业务逻辑层传输到服务层，然后和下层的数据层相互作用，将用户的各类要求服务提示给网站方面的用户。然后整个管理系统和体系结构所需要的全部数据信息基础都是由数据层显示出来的，包括要传输到3D场景中的模型数据和存储在关系数据库中的设备信息。本文设立的系统数据库是MySQL，整个数据库包括传感器实时数据，传感器历史数据和信息，设备基本信息，设备树结构，设备特性曲线，工单信息，维修记录等。

图1 三维可视化工厂系统结构

3.2 三维可视化模块

三维可视化模块主要包括自由漫游、自动漫游、主动安全提示等部分。其中自由漫游模块和自动漫游模块主要是为用户提供沉浸式漫游的体验效果，让用户通过自由漫游模式能实时查看到工厂的数据变化；另外，用户漫游到危险设备周围区域时主动安全提示模块会根据该区域安全性对用户进行风险提示；值得注意的是，基于达索系统的虚拟制造平台支持异构CAD数据转化功能，优化了其三维可视化模块。这意味着，用户无论是使用Creo或是NX，在将其保存到虚拟制造平台后，平台会对模型自动进行数据化的持久化存储。在使用与平台有关的其他APP，例如工艺、仿真等软件时，完全不需要转换数据格式，这一较大变化，不仅使得三维可视化模块得到了优化，还使得三维数字化工厂可视系统更加的先进。

3.3 数据可视化模块

静态数据和动态实时数据属于三维数字化工厂的主要部分，信息的来源均为MySQL关系型数据库，静态数据主要包括组件信息和设计信息等内容，动态数据则包括测点报警模块和测点实时数据模块，其中三维数字化工厂运行的实时数值等重要信息，用户都可以通过测点实时数据模块进行观测。而报警模块能有效提高三维数字化工厂对实时数据的利用效果，还能及时分析出可能存在的安全隐患和危险，从而和三维场景进行有机结合，如果三维数字化工厂在运行过程中有设备数值和规定标准有一定差异，那么就会触发警报进行提示。警报触发后不仅能快速的告知设备位置和设备型号，同时还会将该设备代码和设备名称等信息显示出来，从而方便安全管理人员掌握更多的有效信息，提供工作效率。

3.4 系统管理模块

权限管理、测点维护等都属于系统管理模块，用于帮助系统维护和管理。同时根据不同类型的用户系统制定相应的权限，基础用户只能进行个人账户信息查询，高级用户则可以对系统信息进行修改。设备的实时运行数据都是通过许多测点采集整理的，为实现测点维护，高级用户能随时对测点数据信息进行整理，从而也能进一步保障系统内的测点和工厂内的测点一致。

4 结束语

综上所述，数字化工厂可视化系统正在不断升级优化。在虚拟数字信息规划平台下，凭借全方位的分析能力，丰富的数据资源和先进的虚拟运营环境，打造全新的工厂商业化生产模式。因此，数字化工厂的研究和分析对企业进入先进生产领域具有重要意义。