三维全信息可视化系统开发及应用研究

刘 屹,张 理,秦飞宇

(中国恩菲工程技术有限公司,北京 100038)

0 前言

随着近年来国家对于工业互联网、中国制造2025、工业4.0 等概念的相继提出[1-2],制造业将面临的数字转型势不可挡。其中人工智能、大数据、物联网等先进技术的飞速创新与换代,使其在制造业呈现出越来越紧密的联系[3]。通过对工厂的BIM设计、管理与运行系统的有效集成,突破数字化过程中面临的信息孤岛和数据隔离等问题,通过提高工厂信息共享率和运营管理上的自动化智能化水平,助力我国制造业的转型升级[4]。

目前,国内企业有着智能化、数字化转型需求,同时面临人力资源成本增加和不足的压力。根据调研国内多家企业的在产情况,发现多数在产企业目前的生产、过程控制、质量管理、质检等已投入使用的模块各个功能都较为完善,但各个模块之间并没有实现数据与信息的共享,缺乏统一协调;现场多源数据流的获取到数据输出流程需要进一步完善,尚需人工的大量参与和控制,工作负荷大,信息流转效率低,物理系统与信息系统之间的数据互通存在壁垒,信息流在业务流程中的运行存在滞后性,企业无法根据实时的运行情况及时做出调整规划,制约了企业信息化与数字化的进一步提升;并且部分企业存在多项关键管理系统的缺失,例如厂区安全管理系统、仓库管理系统、质计数据共享系统等,对于企业全方面的信息管理和监控还有较大的升级空间。

1 三维可视化应用现状

目前,企业在工厂建设和设计环节己实现初步三维协同设计,使用软件涵盖英国剑维软件公司的PDMS、美国奔特力系统软件公司的Bentley 等。在三维可视化技术的工业方向上,国内外的科研学者已经进行了大量研究,比如Bracht 等[5]提出的高频焊接车间虚拟原型系统,实现焊接设施及操作的运动过程的可视化。三一重工公司基于OSG 平台开发了可以直观显示三维模型的VR Layout 的工厂布局工具[6],有效提高管理效率。冯德刚[7]为了地下管网进行有效管理,将地下埋管的设计信息、建设信息与三维模型结合。当下,三维可视化的研究应用多数着重于C/S 端架构;对于B/S 端的工业领域三维可视化系统的研究需要探寻摸索。

基于三维竣工模型,集成工业互联网、大数据分析、数字孪生等技术,定制开发生产管理、设备管理、安全管理、环保管家等功能模块,实现工厂运行信息全要素集中展示、全过程自动感知、突发事故快速定位、实时分析和自适应优化决策,集中整合工厂三维模型与实时数据,有效提高企业运行效率;实现从设计、建设、运维的全生命周期管控能力,为企业提供数字化创新的数据一体化展示平台。

2 三维全信息可视化系统开发

中国恩菲三维可视化平台是基于传统的三维BIM 模型及设计信息,提出的全信息三维可视化解决方案,针对三维可视化的难点进行多项背景技术开发,结合项目应用的实际需求,突出三维模型的立体展示效果,开发系统的功能模块。

图1 平台架构示意图

2.1 三维模型来源及编码规则

(1)针对工厂占地面积较大,主厂房与其他车间的间距较长等情况,使用无人机航测倾斜摄影进行厂房周边区域的三维地形拍摄,拍摄内容经过后期处理可获得包含厂区、地形、市政、道路、自然环境等三维模型;

(2)搭建精细化三维模型,方便后期三维模型的深度应用,搭建包括土建、结构、装备、管道、阀门、仪表等项目竣工模型。需要保证三维模型和P&ID模型的数据一致,同时包含设计阶段需要的地形道路、设备、管道、管件、电缆、仪表和土建属性数据;

(3)BIM 模型的命名和编码规则应统一制定,编码应包含项目界区、分类等基本信息;编码和设备、管道、仪表、电缆等一一对应;编码在项目生命周期内不应更改。端子、设备基础、土建构件也应统一编码;

(4)三维模型要体现项目主工艺线路,工厂的地形条件、厂房配置情况、各车间之间的连接关系。车间内部要体现工艺配置的空间关系,管道与各设备之间的工艺连接关系,建筑结构的空间设计思想。

图2 模型轻量化

2.2 三维模型轻量化及场景渲染

基于项目竣工模型、倾斜摄影和三维激光扫描等方式获取原始的三维模型,其包含了模型数据、地理信息及设计信息等,存在数据量大、工程对象多、模型面缺失、坐标位置混乱等情况,直接使用模型面数量较多,后续渲染工作量巨大,部分功能难以实现,平台的操作流畅性和使用便捷性、实用性较差。因此需要对三维模型做图形和数据轻量化处理,优化对象和数据,降低模型面的数量,提升曲面的精细度,从而确保系统可靠运行。针对工厂的管理和功能需求,深化三维模型,建立核心设备的内部结构模型,满足设备拆分、组装,仪表数据与模型链接显示等功能需求。

三维模型需要经过一定程度的表面贴图、材质渲染、灯光烘培等处理工作,使得场景更为真实,进一步提升三维模型的展示效果。优化脚本插件及自动化工具相关参数,完成本项目大规模模型和场景优化工作,场景画面的加载流畅,满足平台在B/S架构或移动终端的运行要求。

2.3 工厂实时数据的获取

图3 三维可视化平台

依托于工业互联网的平台,通过其对已采集数据进行的清洗筛选,对可视化平台所需要的数据进行整合归类,通过API 提供给可视化平台,并由Unity 自有UnityWebRequest 类提供的POST 或GET 方法获取动态数据;并在可视化系统内按需设定数据阈值,当数据超出设定范围时弹出全局提醒。可展示的数据包括:在线仪表、重点设备等实时数据,原料、备件等非实时数据,企业管理数据等。

2.4 三维全信息可视化系统基础模块

(1)数据采集

通过对设备的通信层改造及应用传感器、物联网技术,对接远程数据库和各类监控数据接口,动态获取实时监控数据。同时,将相关算法融入系统,可根据数据进行分析,形成数据图表和处理建议。并实现对实时数据的合规性判断,对采集的大量数据进行整理和清洗,综合各种资源状态,满足企业管理需求。

(2)全场景漫游

实现多终端全厂多场景漫游,可在PC 端、移动端&VR 设备中,利用虚拟现实技术,把设计方案中的厂房建筑等区域按照1∶1模拟成立体实景,可实现按设定好的路线实现重点区域的游历,同时也可以第三人称视角实现自主游览。

(3)设备管理

对自动化设备的数据采集,实现生产设备的可视化管理,交互式查询厂区设备相关信息。结合生产工艺的变化,完成设备信息查询与定位、设备台账、设备故障报警与维护预警、设备操作培训、设备状态诊断、设备运行时间记录,检维修计划提醒等,保证在生产过程中设备运行的能效性等方面达到最佳状态。此外,设备列表也可以链接到Web 端读取数据列表,实现数据的单次录入和跨平台复用。

(4)生产管理

远程读取实际生产数据、生产计划、施工进度等管理数据,并根据实际与计划的数据对比形成图表。实现对生产运行信息、生产运行周期的统计和展示,辅助生产人员及时调整生产计划,保证生产过程安全有序进行。

(5)安全环保

实现生产厂区的可视化管理,如人员的实时定位,火灾或极端天气的应急疏散模拟、应急资源分布、风险管控告知、风险区域等级、车间隐患显示以及生产区域重要位置的视频监控等,能够较好地助力安全生产。同时也可以汇总规律性的安全检查,并将检查结果统计、汇总成各类图表,用于辅助决策。实现整个生产区域的环保动态的监测管理,同时能够发挥较好的迎检功能。

(6)仓储管理

实现生产物料进厂审检管理、物料追溯、物料和备品备件实时库存显示,关键物料与备件库存提醒,及时开展物资采购。简化物料登记流程,全过程物料流转可视化,降低仓储工作人员的工作负荷,提升物资使用效率。

(7)工艺流程展示

针对全厂的主要工艺流程进行模拟展示,通过动画和粒子特效的处理,生动形象的展示工艺流程中的物料流转、能量转换过程,最终结合实际控制数据,形成完整的工艺流程动画用于可视化仿真。

(8)智能看板

对生产全厂、各车间、生产线、市县在线动态显示及仿真,基于全厂的信息采集及反馈,通过自定义数据模型进行计算,得出关键生产数据,包括全厂产量、物料消耗、产品质量、单位能耗、单位成本等,实现数据共享,最终达成全厂数字化、图形化管理方式。

(9)全信息三维可视化系统交付物

PC 端、移动端运行的全生命周期数字化平台,通过演示动画、互动动画、模型交互、信息展板等方式,集成了工厂生产管理、设备管道、安全环保等多项功能模块。实现全厂重点信息流转,数据展示,满足工厂运行管理全流程数字化、全信息可视化、全生命周期数字孪生的需求。

3 结论

本文研究提出了三维可视化管控系统的一体化解决方案,基于Unity3D 开发对应的系统,通过对工厂三维模型与运行数据整合,实现了对设计模型在运维阶段的有效利用,优化了对生产过程中对于三维空间的一些痛点;本文解决方案已在多晶硅、生活垃圾焚烧发电等多家企业的项目开发与应用,可广泛应用于多个行业生产、设备管理及虚拟培训。