?！》f，鮑勁松，王麗亞，夏子越，柴金澤

(1.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240； 2.東華大學 機械工程學院，上海 201620)

海工產(chǎn)品虛擬工廠的信息建模、集成與可視化

祝穎1，鮑勁松2，王麗亞1，夏子越1，柴金澤1

(1.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240； 2.東華大學 機械工程學院，上海 201620)

針對海工產(chǎn)品設計和生產(chǎn)運行階段，提出了基于建筑信息模型(BIM)的虛擬工廠建模方法，該虛擬工廠不僅包括建筑要素，還包括了設備要素、車間控制要素(幾何、物理和功能)的綜合數(shù)字化表達，將幾何實體模型、物理屬性、規(guī)則等建筑和語義信息有機地融合在一起，可以實現(xiàn)制造系統(tǒng)的建模、仿真和評估 (MSE).設計了一種融合BIM的虛擬工廠集成方法，并實現(xiàn)了原型系統(tǒng)，用來可視化基于BIM的海工虛擬工廠.

虛擬工廠； 建筑信息模型(BIM)；信息建模；海工產(chǎn)品；系統(tǒng)仿真

海洋是全球油氣資源的重要開發(fā)領域，開發(fā)和利用深水油氣資源已作為國家的重要戰(zhàn)略舉措之一. 國際權威機構分析表明，在未來近10年用于開發(fā)海洋產(chǎn)品的投資總量年均有望達500億美元，且投資規(guī)模將與船舶市場相當.因此在全球海工產(chǎn)品裝備市場上的投資和競爭都會十分激烈[1].

隨著海工裝備市場步伐的不斷加快和拓展海工業(yè)務需求的日益增長，確保海工產(chǎn)品的研制如期高效率、高質量完成，企業(yè)需結合自身優(yōu)勢，從整體多方面考慮：如機制規(guī)范上、管理手段和開發(fā)技術上不斷創(chuàng)新，結合“虛擬企業(yè)”的組織模式，進行數(shù)字化設計、數(shù)字化制造和全方面的數(shù)字化管理.海工產(chǎn)品的研制過程需將數(shù)字化協(xié)同開發(fā)技術發(fā)揮最大效用，支撐信息平臺的建設.而現(xiàn)有的研發(fā)制造模式已不能很好地適應現(xiàn)有和未來海工產(chǎn)品設計的要求，因此，本文結合海工產(chǎn)品自身數(shù)據(jù)量大、產(chǎn)品規(guī)模大、制造周期長、涉及人員多、需求變化快的特點，開發(fā)與海工產(chǎn)品研制過程相適應的數(shù)字化平臺，以實現(xiàn)設計、仿真、生產(chǎn)、評價過程的數(shù)字一體化管理.

1　海工裝備研發(fā)現(xiàn)狀和虛擬工廠發(fā)展綜述

1.1海工裝配研發(fā)現(xiàn)狀

針對大型海洋工程裝備的協(xié)同研發(fā)與制造過程中的難題，為了盡量避免企業(yè)在信息化建設和資源分配過程中分散開發(fā)而形成信息孤島的情況，在進行信息化系統(tǒng)開發(fā)的前期就需做好相應的系統(tǒng)規(guī)劃和資源整合，設計相對完整的系統(tǒng)實施框架，建立統(tǒng)一的管理標準進行數(shù)據(jù)規(guī)范和資源管理，便于企業(yè)開發(fā)的信息系統(tǒng)形成統(tǒng)一的有機整體.

然而現(xiàn)今在海工產(chǎn)品設計制造過程中，經(jīng)常因為涉及的專業(yè)過多、中間環(huán)節(jié)交流不暢而導致前段信息修改未能及時反饋到相關專業(yè)或者下游環(huán)節(jié)，從而造成模型等信息無法一致的情況，并且最終會給現(xiàn)場的生產(chǎn)工作帶來很大的麻煩，同時會造成許多損失.具體情況表現(xiàn)在下述幾個方面：

(1) 產(chǎn)品設計模型變更方面，當發(fā)現(xiàn)該設計變更不符合設計要求時，需人工反饋確定是否發(fā)生該設計變更.建模過程中，不同專業(yè)的設計人員往往需要對模型進行預覽，對模型的信息進行檢查和更新，對設計圖紙內的一些同類的字符和標注進行更改以及對圖紙進行排序編頁等，這些操作都需要設計人員人工完成，無法自動、批量地進行操作，這嚴重降低了建模效率，增加了設計人員的工作量.

(2) 在模型的信息檢查方面，當零件、模型信息量小，精度要求低時，可以對在艙室內和甲板上的布置進行空間檢查，對布置進行干涉檢查，以及檢查各項布置之間有無相碰，避免在進行實際裝配和安裝設備或零件時發(fā)生不必要的碰撞.但是當模型信息量十分龐大、精度要求較高時，就無法進行全面的檢查.

(3) 目前某些生產(chǎn)信息管理，需要人工把相關信息(如表面處理、壓力等級、圖號等內容)錄入到TRIBON系統(tǒng)中，工作量非常大，耗費大量時間在比較低效的工作上，而且極其容易出錯.依靠手動用戶根據(jù)詳細設計的要求，編寫定義文件，工作量大，準確性需要信息系統(tǒng)支持.

1.2虛擬工廠發(fā)展綜述

因客戶化定制產(chǎn)品的多樣化和市場需求的不確定且變化之快，海工產(chǎn)品制造面臨的主要問題是將設計與生產(chǎn)系統(tǒng)高效快速地響應市場需求.現(xiàn)在越來越多的學者和企業(yè)管理人員應用可視化技術和信息建模管理方法研究此類問題，涉及的相關基礎研究有數(shù)字化企業(yè)、虛擬工廠和建筑信息模型等.

數(shù)字化企業(yè)(digital enterprise technologies, DET)是通過信息和交流技術以數(shù)字結構管理關鍵數(shù)據(jù)和企業(yè)流程[2].但是由于現(xiàn)實中不確定的突發(fā)因素過多，使得數(shù)字技術與實際工廠產(chǎn)生許多不同之處，所以基于DET的生產(chǎn)計劃和控制決策會與實際情況偏差較大.

虛擬工廠不僅包括建筑要素，還包括了設備要素、車間控制要素(幾何、物理和功能)的綜合數(shù)字化表達[3].類似于西門子的Tecnomatix Plant軟件[4]，其主要偏重描述工程的仿真模型，對于真實的三維結構很難描述. 還有學者應用虛擬工廠技術進行生產(chǎn)廠區(qū)規(guī)劃[5]，輔助進行布局和物流規(guī)劃的決策、現(xiàn)場監(jiān)控和管理[6]以及生產(chǎn)系統(tǒng)評價與優(yōu)化[7-8].但是這一類廠區(qū)規(guī)劃、輔助決策和優(yōu)化的應用主要是針對生產(chǎn)過程中的結構化數(shù)據(jù)，而工廠中的許多非結構化數(shù)據(jù)對生產(chǎn)活動的影響也很大，但沒有得到有效的解決.

建筑信息模型(BIM) 以三維數(shù)字技術為基礎,包含了幾何實體模型、物理屬性、規(guī)則等建筑和語義信息，集成了建筑工程項目的各種相關信息的工程數(shù)據(jù)模型.IFC是Building SMART公司為BIM應用提出的一種開放數(shù)據(jù)標準,以實現(xiàn)建筑內信息的表達、共享及應用,并已成為了國際標準 (ISO16739).基于IFC的建模主要應用在城市[9-10]或建筑建設仿真與協(xié)同工程領域[11]，很少用于生產(chǎn)系統(tǒng)的設計與管理，在虛擬工廠建模中尚未使用.目前缺乏虛擬環(huán)境下對非結構化數(shù)據(jù)的建模方法，以及與之配合的制造系統(tǒng)生產(chǎn)過程監(jiān)控反饋技術的研究.

基于上述研究，本文針對海工產(chǎn)品設計了一種融合BIM IFC的虛擬工廠建模和仿真方法，不僅考慮到工廠的每一個建筑結構，而且融合了工廠中的設備、由設備組成的制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、設備間產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)等.

2　基于BIM IFC的虛擬工廠信息建模

2.1IFC類構架

IFC的語義信息定義非常強大，包含大量的建筑細節(jié)描述.通過Express語言定義的類及其屬性、規(guī)則、約束條件等描述各種工程信息, 包含各種建筑部件間的語義連接關系，支持完整BIM的描述和存儲.IFC標準的IFC4版本包括了766個實體(Entity)以及391個枚舉、選擇等類.IFC架構如圖1所示.

圖1　IFC架構Fig.1　The framework of IFC

圖1中，IfcRoot 是IFC架構中對象的基類,核心層及以上層的實體都由 IfcRoot派生.由IfcRoot派生3大類(對象、關系和屬性)IfcObjectDefinition、IfcRelationship、IfcProperty Definition, IFC 模型是通過這3大類進行描述的.

IfcObject是由IfcObjectDefinition 派生的抽象超類,它派生出6個基本子類:IfcProduct，IfcProccess，IfcControl，IfcResource，IfcActor 和 IfcGroup. IfcRelationship 用于表示實體間和實體與屬性間的關聯(lián)關系,它派生出6個基本的關聯(lián)類:IfcRelAssigns，IfcAssociates，IfcDecomposes，IfcDefines，IfcConnects 與 IfcDeclares. IfcProperty SetDefinition 由 IfcProperty Definition 派生,其是一系列屬性定義的集合,派生出的類包括 IfcPropertySet，IfcPreDefinedPropertySet 和IfcQuantitySet，如圖2所示.

圖2　IFC 關聯(lián)類Fig.2　IFC association class

IFC格式非常適合于描述工廠結構，然而其對于工廠的各種設備、控制要素信息目前沒有描述.

2.2基于BIM的IFC集成

IFC格式用3類表達來描述幾何實體，分別是邊界表示( B-rep ) 、掃描體(Sweep)以及構造實體幾何( CSG).在虛擬工廠建模中不僅包括由面片構建的三維模型，還往往包含三維測量的點云數(shù)據(jù).

基于BIM的數(shù)據(jù)集成分成兩類. 一類是結構化數(shù)據(jù)，一般存儲在數(shù)據(jù)庫中或者以XML來進行描述，這些數(shù)據(jù)系企業(yè)管理數(shù)據(jù)(包括MES記錄的設備狀態(tài)數(shù)據(jù)、工廠計劃數(shù)據(jù)等). 另一類是非結構化數(shù)據(jù)，其記錄了建筑設計數(shù)據(jù)、電氣設計數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控類型或者測量掃描點云數(shù)據(jù).通過BIM的統(tǒng)一構架(如圖3所示)，將這兩類數(shù)據(jù)集成整合在一起，提供虛擬工廠的布局優(yōu)化和設備優(yōu)化仿真.

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

3　基于虛擬工廠的仿真、集成與應用

在海工產(chǎn)品虛擬工廠中，為了使用戶對工廠的實時狀況有更直觀的認識，結合虛擬現(xiàn)實技術對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行及時監(jiān)控. 虛擬工廠的系統(tǒng)平臺根據(jù)實際工廠的布局進行三維場景還原，基于BIM模型的多種資源信息(設備狀態(tài)數(shù)據(jù)、監(jiān)控數(shù)據(jù)、布局約束等)，不僅可以顯示工廠狀態(tài)、進行自主瀏覽，而且可以在交互的操作環(huán)境下對工廠的制造過程有全方位的了解.因此，虛擬工廠不僅可以顯示常規(guī)的、周期性或臨時性的工作，還可以通過讀取模型包含的數(shù)據(jù)信息對系統(tǒng)進行預測和防護.

此外，由于海工產(chǎn)品虛擬工廠需要面臨大規(guī)模的資源(軟件和硬件)、不同業(yè)務多變的拓展需求，常規(guī)的生產(chǎn)制造集成系統(tǒng)架構通常采用分層管理的方式，此方式會因為業(yè)務的細化而出現(xiàn)很多層級，用于海工產(chǎn)品信息系統(tǒng)架構不是非常適合.為了使虛擬工廠的系統(tǒng)平臺簡潔且易擴展，現(xiàn)將其扁平化并設計為三層架構，如圖4所示.

圖4　系統(tǒng)平臺架構Fig.4　The framework of system platform

(1) 數(shù)據(jù)層. 以BIM IFC數(shù)據(jù)建模為基礎，構成車間現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫，已接口在平臺數(shù)據(jù)層上，結合上游的研發(fā)設計數(shù)據(jù)庫和生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)庫、下游的生產(chǎn)線故障診斷數(shù)據(jù)庫，再通過入口，集成到平臺數(shù)據(jù)庫中. 這樣就可以將不同數(shù)據(jù)庫中類型各異的數(shù)據(jù)信息(軟硬件設備狀態(tài)、操作數(shù)據(jù)信息、現(xiàn)場監(jiān)測獲取數(shù)據(jù)、設計工藝信息和知識等)進行統(tǒng)一規(guī)范為一種類型的資源信息，通過集成平臺數(shù)據(jù)庫支持服務層，避免了服務組合過多、信息交互復雜的問題，從而減輕了集成的難度. 數(shù)據(jù)的整合和前處理解決了海工產(chǎn)品在不同系統(tǒng)中類型各異而難以流通的問題，為上下游的業(yè)務互聯(lián)提供基礎. 此外，信息化自動錄入的方式也從時間和準確性上有大幅度提高，改善了原有海工產(chǎn)品需要手動錄入信息耗時、耗力的問題.

(2) 服務層. 針對海工產(chǎn)品從設計到生產(chǎn)制造過程相互影響的特點，系統(tǒng)的服務層將制造過程中涉及的從設計階段的模型建立系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)系統(tǒng)、工藝管理系統(tǒng)、專家系統(tǒng)，與現(xiàn)場的車間管理MES系統(tǒng)打通，通過基于BIM的數(shù)據(jù)信息相互關聯(lián)，使得各系統(tǒng)之間具備一定程度的自行管理、修復和部署能力，為平臺的應用層提供可重用的高效服務資源.具體數(shù)據(jù)流通形式是以從數(shù)據(jù)層獲取的三維數(shù)模(IFC)為基礎，設計部門通過PDM系統(tǒng)直接從IFC獲取設計信息并更新，工藝系統(tǒng)也直接從IFC獲取設計信息，保證設計信息的一致性. 工藝設計系統(tǒng)同時接收工藝專家系統(tǒng)提供的工藝設計知識. MES系統(tǒng)以PDM系統(tǒng)的圖文檔信息和工藝設計系統(tǒng)的設計信息為輸入，產(chǎn)生具體生產(chǎn)信息輸出到車間. 同時以IFC數(shù)據(jù)為基礎的虛擬工廠仿真數(shù)據(jù)與MES產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不斷地進行比對，監(jiān)督計劃和生產(chǎn)的進行，實現(xiàn)從設計到生產(chǎn)的業(yè)務流通，避免了海工產(chǎn)品從設計到生產(chǎn)過程中上下游數(shù)據(jù)變更不一致的現(xiàn)象.

(3) 應用層. 系統(tǒng)平臺的應用層主要針對企業(yè)的研發(fā)、設計和制造單位，可以根據(jù)業(yè)務需求的不同，采取不同的策略對服務層的資源進行組合.由于服務層的構建采用相對自治可重用的資源，這種構建方式可以快捷靈活地對應海工產(chǎn)品業(yè)務需求變化進行調整.資源整合互通之后，設計制造信息與現(xiàn)場機器人監(jiān)測信息的反饋相互匹配，使海工產(chǎn)品的生產(chǎn)過程形成從設計到制造的一體化，從根本上改變海工產(chǎn)品原有生產(chǎn)率低、信息流通緩慢的問題.

4　原型設計與應用驗證

虛擬仿真平臺是原型設計的重點，其目標在于實現(xiàn)各類生產(chǎn)制造信息、計劃推進信息、資源設備狀態(tài)信息等現(xiàn)場相關數(shù)據(jù)可以實時顯示并交互操作.本系統(tǒng)的操作環(huán)境簡潔，以虛擬現(xiàn)實技術為基礎，界面主要分為工廠仿真主界面和用于控制的屬性編輯器(如圖5所示)，將生產(chǎn)制造過程實時展現(xiàn)在用戶面前.圖5所示的系統(tǒng)界面由菜單欄(包含對仿真界面整體操控、設計等操作)、屬性編輯器(控制仿真進程)和仿真系統(tǒng)主界面(含虛擬工廠中的所有模型信息等)組成.整個系統(tǒng)給用戶提供了一個三維可視化、可交互的工廠，用戶可以操作和修改實時更新的數(shù)據(jù)和對象，并進行設施布局、干涉檢查等.在仿真系統(tǒng)中，這些信息是實現(xiàn)計劃監(jiān)控的基礎，用戶可以在仿真界面對項目的整體進度進行控制和評估.

圖5　仿真界面與屬性編輯器Fig.5　Simulation interface and property editor

5　結　語

本文結合海工產(chǎn)品研制過程的特點，通過虛擬現(xiàn)實技術和其他數(shù)字化技術，設計了海工產(chǎn)品設計制造生產(chǎn)一體化的三維虛擬工廠，并提出對虛擬工廠的建模、仿真與評價方法，包含基于BIM的數(shù)據(jù)集成、系統(tǒng)架構的建立、原型設計及仿真過程的實現(xiàn)4個方面. 虛擬工廠以數(shù)據(jù)可視化建立三維場景，通過與仿真技術得到的結果比較分析，得出實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)與虛擬工廠產(chǎn)生參數(shù)的差距，并以此提高系統(tǒng)的有效性.在對大量數(shù)據(jù)的提取上，今后可以提出更加高效率的處理算法.

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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

國家自然科學基金資助項目(71472125)；國家發(fā)展改革委智能制造裝備發(fā)展專項資助項目(〔2012〕688號)

祝穎(1990—)，女，江蘇大豐人，碩士研究生，研究方向為企業(yè)信息化. E-mail:zhuyingchina@foxmail.com

鮑勁松(聯(lián)系人)，男，教授，E-mail：bao@dhu.edu.cn

TH 186

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