基于BIM和VR技术的卷烟工厂设计系统研究与应用

来源:用户上传      作者:黄启录 魏斌 陶智麟 毛永炜 陶铁托 王琳

　　摘  要： 为解决卷烟工厂设计时各专业协同作业能力不足，修改工作量大，无法通过仿真优化方案等问题，研究BIM和VR技术在卷烟工厂三维设计中的应用，集成应用C++、Unity、SQLite等工具和技术，开发基于BIM和VR技术的卷烟工厂三维设计系统。设计系统具备工厂建模、碰撞检测、作业过程仿真、3D漫游等功能。在某卷烟厂的总体设计和运行维护中，提高了设计效率和质量，构建了工厂数字信息模型，提供了“虚拟在线工厂”。设计系统为卷烟工厂设计提供了新的工具，为工厂全寿命周期设计与管理打下了基础，同时为烟草行业的智能制造建设提供了支持。
　　关键词： BIM技术;VR技术;设计系统;虚拟工厂
　　中图分类号： TP391.9    文献标识码： A    DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.09.029
　　本文著录格式：黄启录，魏斌，陶智麟，等. 基于BIM和VR技术的卷烟工厂设计系统研究与应用[J]. 软件，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
　　传统的卷烟工厂设计通常只进行二维平面设计，各专业只负责本专业设计，没有共用的设计平台，各专业信息互通效率差。设计过程中修改工作量大，一处修改后相关专业需同时修改。方案设计中的相关计算只能单独完成，无法与绘图工作结合。传统设计方法无法对生产线进行仿真和优化，如生产过程仿真、供能计划仿真、物流系统优化等，同时难以实现设计、施工、运维一体化。
　　随着烟草工程设计内容的增加，项目更加复杂，需要多专业协同设计，传统的设计方法已无法满足设计的新要求。近年来，建筑信息模型和虚拟现实等新技术的发展与应用，为工厂设计系统的研究提供了技术支撑。为了提高设计效率，实现全寿命周期设计与管理，本文研究并开发基于建筑信息模型和虚拟现实技术的卷烟工厂三维设计系统。
　　1  BIM和VR技术研究及应用
　　建筑信息模型（BIM）技术为建筑构建信息模型，并及时获取并管理建筑信息，实现建筑设计、施工、运行直至寿命结束的信息集成[1]。作为建筑领域的新兴技术，近年来，BIM理论研究不断丰富，定义不断扩展[2]，在多专业协同设计、建造管理与质量控制等方面的应用研究取得了一定的成果[3-4]。
　　虚拟现实（VR）是一门利用计算机技术生成与真实环境近似的数字化环境的综合性技术[5-6]。近年来，虚拟现实技术在理论研究与应用开展等方面取得了很大的进展，很多基于虚拟现实技术的软件系统被开发，并取得了不错的应用效果[7-8]。
　　随着技术的不断发展，BIM和VR同时应用到工程设计及施工中的研究也相继开展。何志紅等[9]设计了基于BIM和VR技术的装配式建筑远程协同平台，蒋昊良等[10]将BIM和VR技术应用在CCS电站厂房的设计中，唐维等[11]研究了BIM和VR技术在地铁施工过程中的应用，芦志强等[12]将VR、仿真与BIM技术在水运工程设计中进行融合应用。 　　目前BIM和VR技术在卷烟工厂设计中的应用还处于初级阶段。烟草行业产品种类单一，制造工艺和设备相近，易于建立卷烟工厂模型库，为工厂建模和虚拟环境的构建提供了良好的条件。应用BIM和VR技术，研究开发卷烟工厂三维设计系统，可使设计人员和用户身临设计的虚拟场景，指导设计、施工和工厂维护。
　　2  卷烟工厂设计系统开发目标
　　2.1  开发目标
　　研究开发基于BIM和VR技术的卷烟工厂三维设计系统，在卷烟工厂的设计阶段，各专业利用该系统协同设计，建立工厂的数字化模型;在工厂模型的基础上，设置设备参数，对工厂生产过程进行仿真，模拟工厂运行过程，从而对生产线的规划布局、设备配置等进行评价和优化;仿真视觉效果逼真，设计者和使用者可直观的看到所设计的工厂环境及运行过程，并具有一定的交互设计功能;设计完成后，系统输出工厂数字信息模型，指导工厂建设施工，运行投产后，工厂数字信息模型为后期运行维护服务，并实时更新工厂建筑和设备信息。
　　2.2  功能需求
　　（1）建立烟草行业建筑、设备、货架、管道等3D模型库，可在设计系统中快速建模和修改。
　　（2）提供计算校核、数据分析及拟合等工具，计划排产、路径优化等算法，可自动或辅助完成数据分析或方案优化。
　　（3）仿真系统的设计需兼有离散系统仿真和连续系统仿真。在设计阶段，可对工厂生产和作业计划等进行仿真，在运行阶段，可对生产效率和供能计划等进行仿真。
　　（4）设计平台需具有扩展功能和接口，兼容性好，可与MES系统等实现数据交换。
　　3  设计系统研究与开发
　　3.1  系统架构
　　三維设计系统由主控窗口程序、3D虚拟工厂窗口及数据库模块三个部分组成。其中主控窗口程序在Microsoft Visual Studio中开发，3D虚拟工厂窗口在Unity 2017中开发，以内嵌进程方式运行在主控窗口程序中;数据库模块使用SQLite 3数据库引擎，独立运行。
　　设计系统在构建可视的工厂三维模型时，同步对模型数字信息进行收集、执行、分析，建立数字信息模型后供仿真模拟。系统总体架构如图1所示。
　　3.2  主要功能模块
　　3.2.1  模型管理
　　模型是仿真的基础。所有的模型具备双重属性：视觉模型和数值模型。视觉模型又包括3D模型、贴图和动作。视觉模型由美术人员在绘图软件和美术软件中制作。模型管理功能将3D模型导入系统，为其设置数值属性和管理属性，以用于后来的布局管理和仿真管理。
　　该模块用于建立模型库信息并维护。美术人员做好3D模型后，在该模块中添加模型说明，设置参数，关联模型文件。使用者可以预览模型的外形，查阅、修改模型参数。
　　3.2.2  模型布局
　　在模型库的基础上，平台提供一个可视化的工厂布局界面。使用者可以在界面上布置厂房、设备、管道等，并设置模型的位置、型号、外形等参数。工厂布局界面如图2所示。
　　模型布局的功能主要有：
　　（1）厂房各专业系统的三维综合信息模型建成后，进行管线空间硬碰撞检查，包括直接接触或交叉，软碰撞检查，净空间距是否符合要求等。
　　（2）检验管线和设备是否干涉，管线和供能设备、用能设备是否有效连接。检验物流设备布局是否合理、运输通道是否流畅、三维空间运输是否存在冲突等。
　　（3）检验工厂各生产要素是否齐备，包括原料、加工设备、运输设备、仓储设备、供能设备、动力管线等。
　　（4）检验供能设备、工艺设备、物流设备能力是否匹配，检测仓库库容是否满足要求等。
　　3.2.3  计划管理
　　作业计划包含制梗丝线、制叶丝线和卷接包线作业计划。其中制梗丝线和制叶丝线作业计划带有流体生产的特点，而卷接包线作业计划兼有连续和离散的特点。作业计划包括多个工段/生产线的计划，为了建立计划的数值模型，需要对计划与实体设备进行统一管理。
　　计划管理功能通过分析各生产线计划的特点，形成数值模型，并通过录入界面将计划数据录入数据库，进行增、删、改和查询操作。
　　3.2.4  生产仿真
　　仿真执行分为图形仿真和数值仿真。图形仿真展示生产过程中物料流的变化、主机的外部运动、主机的内部运动、仓库的变化、物流设备的运动等;数值仿真模拟离散系统的数值变化。图形仿真的时候后台数据实时更新。生产仿真既能仿真某条生产线的作业过程，又能仿真全厂作业计划。仿真模块架构如图3所示。
　　如图3所示，利用已建立的工厂模型和产品模型，设置时间比例尺等仿真基础数据，以及批次信息等生产线初始信息，并制定设备能力、参数范围等约束规则，按照设置的流程进行仿真。基于多线程的执行引擎是模块的核心，根据仿真计划，引擎在运行一个仿真过程时，实时根据仿真数据更新仿真约束条件，并相应调整仿真计划，在输出仿真结果的同时将仿真数据保存到仿真历史数据库中，利用系统提供工具可对历史数据进行统计和分析。
　　3.2.5  漫游
　　漫游功能分为3D漫游和VR漫游。
　　（1）3D漫游以第一人称视角观察虚拟工厂。通过鼠标和键盘的操作来移动视角、转动视角。通过对所有模型进行碰撞体设置，避免漫游过程中出现穿插、穿墙等不合理的操作。
　　（2）VR漫游需要更高精度模型支持，以及更高的显示帧率（FPS）支撑。通过将3D场景渲染成左右眼视角两幅画面，在VR眼镜中给用户带来沉浸式视觉体验。在VR漫游过程中，用户可通过头部运动、身体转动以及视线转移，进行一些虚拟操控;当然，用户也可以通过操作器或手柄来进行直接操作。VR渲染的效果如图4所示。 　　4  应用案例
　　在某卷烟厂建设项目总体设计和运行维护中，应用本文研究的基于BIM和VR技术的卷烟工厂三维设计系统，使用效果主要体现在以下几个方面。
　　（1）实现多专业共用平台协同设计，减少了工作量和设计错误，特别是专业间沟通不畅造成的设计错误。利用设计系统更加方便修改，并减少修改错误。
　　（2）构建了涵盖卷烟工厂建筑、设备、动力管线及相应参数的数字信息模型，为运行仿真、方案优化、施工和运维打下了基础。卷烟联合工房三维模型如图5所示。
　　（3）在工厂数字信息模型的基礎上，设计阶段模拟工厂生产运行，根据生产仿真结果优化设计方案，避免了设计返工和资源浪费，提升了设计质量，提高了设计效率。
　　（4）为施工阶段提供更多信息，提高施工效率，避免返工造成的浪费，方便设计与施工人员的沟通。为运行维护阶段提供数字信息模型，实际运行阶段，可采集工厂运行数据，实现“虚拟在线工厂”，按照生产计划提前模拟生产，指导生产和工厂维护等。虚拟工厂的效果如图6所示。
　　5  结语
　　本文对BIM和VR技术在卷烟工厂三维设计中的应用进行了研究，开发了基于BIM和VR技术的卷烟工厂三维设计系统。设计系统具备工厂三维建模、可视化设计、碰撞检测、作业计划仿真、3D和VR漫游等功能，为工厂建设施工和运行维护提供数字信息模型，在卷烟厂项目总体设计和运行维护应用中，取得了很好的应用效果。卷烟工厂三维设计系统，扩展了设计的内涵，将工厂的设计、建设、运维结合在一起，为工厂全寿命周期设计与管理打下了基础，同时为烟草行业的智能制造建设提供了支持。
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