基于三维GIS的数字化工厂管理系统设计与开发

肖长伟 年立辉 曲国鹏 闫高原

（1.江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116；2.建筑工业化与信息化应用技术研究所，江苏 徐州 221116）

随着我国市场经济快速发展，企业在国际市场竞争中面临越来越严峻的挑战，需要不断提高产品质量和生产效率，降低企业管理成本，提供优质服务。数字化工厂成为现代制造业领域新的研究方向。随着测绘科学技术、地理信息技术以及网络技术的快速发展，三维GIS技术已经成为当下发展的热点，数字化工厂与三维GIS相关技术的融合成为必然[1-2]。

目前，工厂的生产计划信息系统、设备管理系统、过程控制系统、人员管理系统、地上厂房和地下管网管理系统均已发展成熟，但各个系统相对独立，负责单一特定的功能，缺乏联系和协调，未进行很好的融合，严重制约现代工厂数字化、信息化效率的提升。因此，研究数字化工厂和三维地理信息系统相关技术的融合，实现工厂的三维管理、实时运营数据合理整合的解决方案，有利于实现工厂生产、经营管理的数字化和智能化，对我国制造业的转型升级、智能制造2035的实现具有重要的推动作用[3-5]。

基于三维地理信息系统的数字化工厂将地理信息系统技术、测绘科学技术、三维可视化技术、通信技术和计算机网络技术完美融合，其功能包括绘图、数据编辑、图形变换、图层管理、空间查询、三维管理、三维可视化和空间分析等。数据是整个系统的基础，向系统提供所有底层数据，其中包括工厂基础属性数据、生产经营数据、地上空间数据和地下各类管网数据。其中，工厂基础属性数据包括厂房及附属设施属性数据、道路及附属设施属性数据、人员信息相关数据、车辆信息相关数据等；生产经营数据包括产品数据、生产资料数据、设备信息数据、维修数据等；地上空间数据主要包括场区内所有建筑物、设备的三维模型；地下各类管网数据包括供水管线、排水管线、电力通信管线、暖气管线以及各种工业管线数据等。传统的方法不能对工厂大量的数据进行有效管理，三维地理信息系统具有非常强大的数据管理、网络分析、空间分析、数字化、三维可视化等功能。因此，三维GIS技术在数字化工厂中的应用成为趋势[6]。

1 三维GIS数字化工厂系统设计

基于三维GIS的数字化工厂系统结构如图1所示。

图1 基于三维GIS的数字化工厂系统结构

基于三维GIS数字化工厂管理系统在数字化工厂管理系统的基础上，叠加三维GIS技术、通信技术、计算机技术，为企业管理者提供三维可视化的平台。本研究设计的三维GIS数字化工厂管理系统采用分层体系结构，以工厂基础属性数据、地理数据、生产经营数据、建筑物和设备的三维模型数据以及各类地下管网数据作为数据层，采用B/S和C/S相结合的设计方式，利用ArcGIS10.2软件进行开发，将各种属性数据、实时运行数据与三维空间位置坐标数据相关联，能够提高企业管理者对工厂的管理质量，实现工厂各种基础属性数据、经营数据以及空间数据的快速更新[7-10]。

2 数据库的设计

三维GIS数字化工厂的数据库设计如图2所示。

图2 三维GIS数字化工厂的数据库设计

系统采用面向对象的GeoDatabase地理数据库，将地理数据和属性数据进行融合。每个对象信息包括属性数据和空间数据，空间数据主要包括厂区的地理数据和各种三维模型数据；属性数据主要包括基础属性数据和经营有关的数据；基础属性数据主要包括厂房、设备、办公楼、道路、人员信息以及各种公共设施属性数据等；经营有关数据主要包括材料、产品、维修等数据，利用该地理数据库能够将各种空间数据和其对应的属性数据完美融合。

2.1 基础属性数据库

基础属性数据包括厂房、设备、办公楼、道路、人员信息以及各种公共设施属性数据等，以关系数据表的形式存储在GeoDatabase地理数据库中。

2.2 基础地理数据

基础地理数据包括厂区内所有地物的1∶500地形图数据、各种专题地图数据以及各种建筑物的坐标数据。

2.3 三维模型数据

利用3Ds MAX软件进行建模，制作各种建筑物的三维模型。基于三维GIS的数字化工厂系统中的三维模型主要包括办公楼、宿舍里、厂房、各种机器设备、道路、增加泵房、配电室等三维模型数据[7]。

厂区三维模型数据如图3所示。

图3 厂区三维模型数据

2.4 地下管线模型数据

工厂地下管线主要包括供水管线、排水管线、暖气管线、通讯管线、电力管线以及工业管线等，管线附属设施包括管井和仪表。厂区内每一种管线均会形成一个数据库，每个数据库包含管线点数据表和管线段数据表；每种管井也会形成一个数据库，管井数据库包含一个管井数据表。基于地理信息系统数字化工厂系统中利用管线和管井数据库可以自动生成各种管井和管线的三维模型数据[3-5]，各类管线和管井的三维模型数据和其属性数据一一对应。

厂区管井和管线三维模型如图4所示。

图4 厂区管井和管线三维模型

3 三维GIS数字化工厂管理系统的功能模块

系统从信息管理模块和GIS功能模块进行开发，信息管理模块包括人员信息、设备信息、产品信息、生产资料信息、车辆信息、安防信息、客户信息、各类建筑物信息、管线信息以及维修信息等的管理；GIS功能模块主要包括各类数据的查询与编辑、空间定位查询、各类建筑物及设备三维模型的查询、编辑、统计、空间分析、拓扑分析以及三维可视化等功能。系统可以帮助企业管理者提高工厂的管理质量和生产效率，为工厂的生产、经营、管理、服务提供依据[9]。

3.1 属性数据查询、编辑

三维GIS数字化工厂系统承载大量的属性数据，包括人员数据、设备相关数据、产品相关数据、生产相关数据、客户相关数据、各类建筑物相关数据、管线相关数据等，企业管理者可以在系统中进行相关数据的查询和编辑。

3.2 GIS三维模型可视化

三维GIS数字化工厂管理系统的三维可视化功能主要包括自动漫游、自由漫游和安全的主动提示。用户可以利用鼠标键盘交互的方式在系统的三维场景中漫游，在漫游的过程中点击三维模型可以获取其实时的运行数据，用户漫游到危险设备区域时，系统会自动地对用户进行风险提示。

设备三维模型如图5所示。

图5 设备三维模型

3.3 GIS空间分析功能

利用三维GIS数字化工厂管理系统可以进行统计分析，拓扑分析，设备分析，维修分析，管线连通性分析，仪表、阀门控制分析等。统计分析可以根据范围和类型对生产资料、产品、地下管网等进行统计分析；仪表、阀门分析可以判断管线由哪个阀门和仪表控制、阀门和仪表能够控制哪些区域。在工厂维修、施工、扩建过程中，经常会对厂区的部分地区进行开挖，在开挖的过程中会出现挖断电缆、管线等重要设施的情况，数字化工厂管理系统具有地面开挖模拟功能。三维GIS数字化工厂管理系统还具有爆管分析、通视性分析、流通性分析、流向分析、设备控制分析、区域分析等功能，为企业管理者提供决策支持[6-9]。

4 结语

工业4.0、中国智能制造2035对企业的管理质量和生产效率提出更高的要求，传统的数字化工厂管理系统已经不能满足企业经营者和管理者的日常管理需要，数字化工厂与三维地理信息系统技术的深度融合成为科学技术发展的必然结果。研究基于三维GIS技术开发适合工厂数字化管理的数字化工厂管理系统，在传统数字化工厂的基础上增加空间分析、拓扑分析、控制分析功能，可以实现整个厂区三维可视化、自由漫游，提高企业经营者和管理者对企业的管理质量和生产效率。