黃啟錄 魏斌 陶智麟 毛永煒 陶鐵托 王琳

摘? 要： 為解決卷煙工廠設(shè)計時各專業(yè)協(xié)同作業(yè)能力不足，修改工作量大，無法通過仿真優(yōu)化方案等問題，研究BIM和VR技術(shù)在卷煙工廠三維設(shè)計中的應(yīng)用，集成應(yīng)用C++、Unity、SQLite等工具和技術(shù)，開發(fā)基于BIM和VR技術(shù)的卷煙工廠三維設(shè)計系統(tǒng)。設(shè)計系統(tǒng)具備工廠建模、碰撞檢測、作業(yè)過程仿真、3D漫游等功能。在某卷煙廠的總體設(shè)計和運行維護(hù)中，提高了設(shè)計效率和質(zhì)量，構(gòu)建了工廠數(shù)字信息模型，提供了“虛擬在線工廠”。設(shè)計系統(tǒng)為卷煙工廠設(shè)計提供了新的工具，為工廠全壽命周期設(shè)計與管理打下了基礎(chǔ)，同時為煙草行業(yè)的智能制造建設(shè)提供了支持。

關(guān)鍵詞： BIM技術(shù);VR技術(shù);設(shè)計系統(tǒng);虛擬工廠

中圖分類號： TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.029

本文著錄格式：黃啟錄，魏斌，陶智麟，等. 基于BIM和VR技術(shù)的卷煙工廠設(shè)計系統(tǒng)研究與應(yīng)用[J]. 軟件，2020，41（09）：105107+132

【Abstract】： In order to solve the problems such as the lack of cooperation ability of each specialty， the heavy workload of modification， and unable to optimize the scheme through simulation during the design of cigarette factory， the application of BIM and VR technology in the three-dimensional design of cigarette factory is studied. The tools and technologies such as C++， unity and SQLite are integrated to develop the three-dimensional design system of cigarette factory based on BIM and VR technology. The design system has the functions of factory modeling， collision detection， operation process simulation， 3D roaming， etc. In the overall design and operation maintenance of a cigarette factory， the design efficiency and quality are improved， the factory digital information model is constructed， the “virtual online factory” is provided. The design system provides a new tool for cigarette factory design， lays a foundation for the whole life cycle design and management of the factory， and provides support for the intelligent manufacturing construction of the tobacco industry.

【Key words】： BIM technology; VR technology; Design system; Virtual factory

0? 引言

傳統(tǒng)的卷煙工廠設(shè)計通常只進(jìn)行二維平面設(shè)計，各專業(yè)只負(fù)責(zé)本專業(yè)設(shè)計，沒有共用的設(shè)計平臺，各專業(yè)信息互通效率差。設(shè)計過程中修改工作量大，一處修改后相關(guān)專業(yè)需同時修改。方案設(shè)計中的相關(guān)計算只能單獨完成，無法與繪圖工作結(jié)合。傳統(tǒng)設(shè)計方法無法對生產(chǎn)線進(jìn)行仿真和優(yōu)化，如生產(chǎn)過程仿真、供能計劃仿真、物流系統(tǒng)優(yōu)化等，同時難以實現(xiàn)設(shè)計、施工、運維一體化。

隨著煙草工程設(shè)計內(nèi)容的增加，項目更加復(fù)雜，需要多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，傳統(tǒng)的設(shè)計方法已無法滿足設(shè)計的新要求。近年來，建筑信息模型和虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，為工廠設(shè)計系統(tǒng)的研究提供了技術(shù)支撐。為了提高設(shè)計效率，實現(xiàn)全壽命周期設(shè)計與管理，本文研究并開發(fā)基于建筑信息模型和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的卷煙工廠三維設(shè)計系統(tǒng)。

1? BIM和VR技術(shù)研究及應(yīng)用

建筑信息模型（BIM）技術(shù)為建筑構(gòu)建信息模型，并及時獲取并管理建筑信息，實現(xiàn)建筑設(shè)計、施工、運行直至壽命結(jié)束的信息集成[1]。作為建筑領(lǐng)域的新興技術(shù)，近年來，BIM理論研究不斷豐富，定義不斷擴(kuò)展[2]，在多專業(yè)協(xié)同設(shè)計、建造管理與質(zhì)量控制等方面的應(yīng)用研究取得了一定的成果[3-4]。

虛擬現(xiàn)實（VR）是一門利用計算機(jī)技術(shù)生成與真實環(huán)境近似的數(shù)字化環(huán)境的綜合性技術(shù)[5-6]。近年來，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在理論研究與應(yīng)用開展等方面取得了很大的進(jìn)展，很多基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的軟件系統(tǒng)被開發(fā)，并取得了不錯的應(yīng)用效果[7-8]。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM和VR同時應(yīng)用到工程設(shè)計及施工中的研究也相繼開展。何志紅等[9]設(shè)計了基于BIM和VR技術(shù)的裝配式建筑遠(yuǎn)程協(xié)同平臺，蔣昊良等[10]將BIM和VR技術(shù)應(yīng)用在CCS電站廠房的設(shè)計中，唐維等[11]研究了BIM和VR技術(shù)在地鐵施工過程中的應(yīng)用，蘆志強等[12]將VR、仿真與BIM技術(shù)在水運工程設(shè)計中進(jìn)行融合應(yīng)用。

目前BIM和VR技術(shù)在卷煙工廠設(shè)計中的應(yīng)用還處于初級階段。煙草行業(yè)產(chǎn)品種類單一，制造工藝和設(shè)備相近，易于建立卷煙工廠模型庫，為工廠建模和虛擬環(huán)境的構(gòu)建提供了良好的條件。應(yīng)用BIM和VR技術(shù)，研究開發(fā)卷煙工廠三維設(shè)計系統(tǒng)，可使設(shè)計人員和用戶身臨設(shè)計的虛擬場景，指導(dǎo)設(shè)計、施工和工廠維護(hù)。

2? 卷煙工廠設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)目標(biāo)

2.1? 開發(fā)目標(biāo)

研究開發(fā)基于BIM和VR技術(shù)的卷煙工廠三維設(shè)計系統(tǒng)，在卷煙工廠的設(shè)計階段，各專業(yè)利用該系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計，建立工廠的數(shù)字化模型;在工廠模型的基礎(chǔ)上，設(shè)置設(shè)備參數(shù)，對工廠生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真，模擬工廠運行過程，從而對生產(chǎn)線的規(guī)劃布局、設(shè)備配置等進(jìn)行評價和優(yōu)化;仿真視覺效果逼真，設(shè)計者和使用者可直觀的看到所設(shè)計的工廠環(huán)境及運行過程，并具有一定的交互設(shè)計功能;設(shè)計完成后，系統(tǒng)輸出工廠數(shù)字信息模型，指導(dǎo)工廠建設(shè)施工，運行投產(chǎn)后，工廠數(shù)字信息模型為后期運行維護(hù)服務(wù)，并實時更新工廠建筑和設(shè)備信息。

2.2? 功能需求

（1）建立煙草行業(yè)建筑、設(shè)備、貨架、管道等3D模型庫，可在設(shè)計系統(tǒng)中快速建模和修改。

（2）提供計算校核、數(shù)據(jù)分析及擬合等工具，計劃排產(chǎn)、路徑優(yōu)化等算法，可自動或輔助完成數(shù)據(jù)分析或方案優(yōu)化。

（3）仿真系統(tǒng)的設(shè)計需兼有離散系統(tǒng)仿真和連續(xù)系統(tǒng)仿真。在設(shè)計階段，可對工廠生產(chǎn)和作業(yè)計劃等進(jìn)行仿真，在運行階段，可對生產(chǎn)效率和供能計劃等進(jìn)行仿真。

（4）設(shè)計平臺需具有擴(kuò)展功能和接口，兼容性好，可與MES系統(tǒng)等實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

3? 設(shè)計系統(tǒng)研究與開發(fā)

3.1? 系統(tǒng)架構(gòu)

三維設(shè)計系統(tǒng)由主控窗口程序、3D虛擬工廠窗口及數(shù)據(jù)庫模塊三個部分組成。其中主控窗口程序在Microsoft Visual Studio中開發(fā)，3D虛擬工廠窗口在Unity 2017中開發(fā)，以內(nèi)嵌進(jìn)程方式運行在主控窗口程序中;數(shù)據(jù)庫模塊使用SQLite 3數(shù)據(jù)庫引擎，獨立運行。

設(shè)計系統(tǒng)在構(gòu)建可視的工廠三維模型時，同步對模型數(shù)字信息進(jìn)行收集、執(zhí)行、分析，建立數(shù)字信息模型后供仿真模擬。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

3.2? 主要功能模塊

3.2.1? 模型管理

模型是仿真的基礎(chǔ)。所有的模型具備雙重屬性：視覺模型和數(shù)值模型。視覺模型又包括3D模型、貼圖和動作。視覺模型由美術(shù)人員在繪圖軟件和美術(shù)軟件中制作。模型管理功能將3D模型導(dǎo)入系統(tǒng)，為其設(shè)置數(shù)值屬性和管理屬性，以用于后來的布局管理和仿真管理。

該模塊用于建立模型庫信息并維護(hù)。美術(shù)人員做好3D模型后，在該模塊中添加模型說明，設(shè)置參數(shù)，關(guān)聯(lián)模型文件。使用者可以預(yù)覽模型的外形，查閱、修改模型參數(shù)。

3.2.2? 模型布局

在模型庫的基礎(chǔ)上，平臺提供一個可視化的工廠布局界面。使用者可以在界面上布置廠房、設(shè)備、管道等，并設(shè)置模型的位置、型號、外形等參數(shù)。工廠布局界面如圖2所示。

模型布局的功能主要有：

（1）廠房各專業(yè)系統(tǒng)的三維綜合信息模型建成后，進(jìn)行管線空間硬碰撞檢查，包括直接接觸或交叉，軟碰撞檢查，凈空間距是否符合要求等。

（2）檢驗管線和設(shè)備是否干涉，管線和供能設(shè)備、用能設(shè)備是否有效連接。檢驗物流設(shè)備布局是否合理、運輸通道是否流暢、三維空間運輸是否存在沖突等。

（3）檢驗工廠各生產(chǎn)要素是否齊備，包括原料、加工設(shè)備、運輸設(shè)備、倉儲設(shè)備、供能設(shè)備、動力管線等。

（4）檢驗供能設(shè)備、工藝設(shè)備、物流設(shè)備能力是否匹配，檢測倉庫庫容是否滿足要求等。

3.2.3? 計劃管理

作業(yè)計劃包含制梗絲線、制葉絲線和卷接包線作業(yè)計劃。其中制梗絲線和制葉絲線作業(yè)計劃帶有流體生產(chǎn)的特點，而卷接包線作業(yè)計劃兼有連續(xù)和離散的特點。作業(yè)計劃包括多個工段/生產(chǎn)線的計劃，為了建立計劃的數(shù)值模型，需要對計劃與實體設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。

計劃管理功能通過分析各生產(chǎn)線計劃的特點，形成數(shù)值模型，并通過錄入界面將計劃數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行增、刪、改和查詢操作。

3.2.4? 生產(chǎn)仿真

仿真執(zhí)行分為圖形仿真和數(shù)值仿真。圖形仿真展示生產(chǎn)過程中物料流的變化、主機(jī)的外部運動、主機(jī)的內(nèi)部運動、倉庫的變化、物流設(shè)備的運動等;數(shù)值仿真模擬離散系統(tǒng)的數(shù)值變化。圖形仿真的時候后臺數(shù)據(jù)實時更新。生產(chǎn)仿真既能仿真某條生產(chǎn)線的作業(yè)過程，又能仿真全廠作業(yè)計劃。仿真模塊架構(gòu)如圖3所示。

如圖3所示，利用已建立的工廠模型和產(chǎn)品模型，設(shè)置時間比例尺等仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及批次信息等生產(chǎn)線初始信息，并制定設(shè)備能力、參數(shù)范圍等約束規(guī)則，按照設(shè)置的流程進(jìn)行仿真?；诙嗑€程的執(zhí)行引擎是模塊的核心，根據(jù)仿真計劃，引擎在運行一個仿真過程時，實時根據(jù)仿真數(shù)據(jù)更新仿真約束條件，并相應(yīng)調(diào)整仿真計劃，在輸出仿真結(jié)果的同時將仿真數(shù)據(jù)保存到仿真歷史數(shù)據(jù)庫中，利用系統(tǒng)提供工具可對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計和分析。

3.2.5? 漫游

漫游功能分為3D漫游和VR漫游。

（1）3D漫游以第一人稱視角觀察虛擬工廠。通過鼠標(biāo)和鍵盤的操作來移動視角、轉(zhuǎn)動視角。通過對所有模型進(jìn)行碰撞體設(shè)置，避免漫游過程中出現(xiàn)穿插、穿墻等不合理的操作。

（2）VR漫游需要更高精度模型支持，以及更高的顯示幀率（FPS）支撐。通過將3D場景渲染成左右眼視角兩幅畫面，在VR眼鏡中給用戶帶來沉浸式視覺體驗。在VR漫游過程中，用戶可通過頭部運動、身體轉(zhuǎn)動以及視線轉(zhuǎn)移，進(jìn)行一些虛擬操控;當(dāng)然，用戶也可以通過操作器或手柄來進(jìn)行直接操作。VR渲染的效果如圖4所示。

4? 應(yīng)用案例

在某卷煙廠建設(shè)項目總體設(shè)計和運行維護(hù)中，應(yīng)用本文研究的基于BIM和VR技術(shù)的卷煙工廠三維設(shè)計系統(tǒng)，使用效果主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）實現(xiàn)多專業(yè)共用平臺協(xié)同設(shè)計，減少了工作量和設(shè)計錯誤，特別是專業(yè)間溝通不暢造成的設(shè)計錯誤。利用設(shè)計系統(tǒng)更加方便修改，并減少修改錯誤。

（2）構(gòu)建了涵蓋卷煙工廠建筑、設(shè)備、動力管線及相應(yīng)參數(shù)的數(shù)字信息模型，為運行仿真、方案優(yōu)化、施工和運維打下了基礎(chǔ)。卷煙聯(lián)合工房三維模型如圖5所示。

（3）在工廠數(shù)字信息模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計階段模擬工廠生產(chǎn)運行，根據(jù)生產(chǎn)仿真結(jié)果優(yōu)化設(shè)計方案，避免了設(shè)計返工和資源浪費，提升了設(shè)計質(zhì)量，提高了設(shè)計效率。

（4）為施工階段提供更多信息，提高施工效率，避免返工造成的浪費，方便設(shè)計與施工人員的溝通。為運行維護(hù)階段提供數(shù)字信息模型，實際運行階段，可采集工廠運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“虛擬在線工廠”，按照生產(chǎn)計劃提前模擬生產(chǎn)，指導(dǎo)生產(chǎn)和工廠維護(hù)等。虛擬工廠的效果如圖6所示。

5? 結(jié)語

本文對BIM和VR技術(shù)在卷煙工廠三維設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，開發(fā)了基于BIM和VR技術(shù)的卷煙工廠三維設(shè)計系統(tǒng)。設(shè)計系統(tǒng)具備工廠三維建模、可視化設(shè)計、碰撞檢測、作業(yè)計劃仿真、3D和VR漫游等功能，為工廠建設(shè)施工和運行維護(hù)提供數(shù)字信息模型，在卷煙廠項目總體設(shè)計和運行維護(hù)應(yīng)用中，取得了很好的應(yīng)用效果。卷煙工廠三維設(shè)計系統(tǒng)，擴(kuò)展了設(shè)計的內(nèi)涵，將工廠的設(shè)計、建設(shè)、運維結(jié)合在一起，為工廠全壽命周期設(shè)計與管理打下了基礎(chǔ)，同時為煙草行業(yè)的智能制造建設(shè)提供了支持。

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