基于BIM和VR技術(shù)的卷煙工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究與應(yīng)用

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(jì)時(shí)各專業(yè)協(xié)同作業(yè)能力不足，修改工作量大，無(wú)法通過(guò)仿真優(yōu)化方案等問(wèn)題，研究BIM和VR技術(shù)在卷煙工廠三維設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，集成應(yīng)用C++、Unity、SQLite等工具和技術(shù)，開(kāi)發(fā)基于BIM和VR技術(shù)的卷煙工廠三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)具備工廠建模、碰撞檢測(cè)、作業(yè)過(guò)程仿真、3D漫游等功能。在某卷煙廠的總體設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)中，提高了設(shè)計(jì)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(jì)系統(tǒng)為卷煙工廠設(shè)計(jì)提供了新的工具，為工廠全壽命周期設(shè)計(jì)與管理打下了基礎(chǔ)，同時(shí)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(jì)系統(tǒng);虛擬工廠

中圖分類號(hào)： TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jì)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(jì)通常只進(jìn)行二維平面設(shè)計(jì)，各專業(yè)只負(fù)責(zé)本專業(yè)設(shè)計(jì)，沒(méi)有共用的設(shè)計(jì)平臺(tái)，各專業(yè)信息互通效率差。設(shè)計(jì)過(guò)程中修改工作量大，一處修改后相關(guān)專業(yè)需同時(shí)修改。方案設(shè)計(jì)中的相關(guān)計(jì)算只能單獨(dú)完成，無(wú)法與繪圖工作結(jié)合。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法無(wú)法對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行仿真和優(yōu)化，如生產(chǎn)過(guò)程仿真、供能計(jì)劃仿真、物流系統(tǒng)優(yōu)化等，同時(shí)難以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維一體化。

隨著煙草工程設(shè)計(jì)內(nèi)容的增加，項(xiàng)目更加復(fù)雜，需要多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已無(wú)法滿足設(shè)計(jì)的新要求。近年來(lái)，建筑信息模型和虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，為工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究提供了技術(shù)支撐。為了提高設(shè)計(jì)效率，實(shí)現(xiàn)全壽命周期設(shè)計(jì)與管理，本文研究并開(kāi)發(fā)基于建筑信息模型和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的卷煙工廠三維設(shè)計(jì)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(shí)獲取并管理建筑信息，實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)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(lái)，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(jì)、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(shí)（VR）是一門(mén)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成與真實(shí)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(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在理論研究與應(yīng)用開(kāi)展等方面取得了很大的進(jìn)展，很多基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的軟件系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)，并取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果[7-8]。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，BIM和VR同時(shí)應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)及施工中的研究也相繼開(kāi)展。何志紅等[9]設(shè)計(jì)了基于BIM和VR技術(shù)的裝配式建筑遠(yuǎn)程協(xié)同平臺(tái)，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(jì)中，唐維等[11]研究了BIM和VR技術(shù)在地鐵施工過(guò)程中的應(yīng)用，蘆志強(qiáng)等[12]將VR、仿真與BIM技術(shù)在水運(yùn)工程設(shè)計(jì)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(jì)中的應(yīng)用還處于初級(jí)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(kù)，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(kāi)發(fā)卷煙工廠三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可使設(shè)計(jì)人員和用戶身臨設(shè)計(jì)的虛擬場(chǎng)景，指導(dǎo)設(shè)計(jì)、施工和工廠維護(hù)。

2? 卷煙工廠設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)目標(biāo)

2.1? 開(kāi)發(fā)目標(biāo)

研究開(kāi)發(fā)基于BIM和VR技術(shù)的卷煙工廠三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)，在卷煙工廠的設(shè)計(jì)階段，各專業(yè)利用該系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)，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(duì)工廠生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行仿真，模擬工廠運(yùn)行過(guò)程，從而對(duì)生產(chǎn)線的規(guī)劃布局、設(shè)備配置等進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化;仿真視覺(jué)效果逼真，設(shè)計(jì)者和使用者可直觀的看到所設(shè)計(jì)的工廠環(huán)境及運(yùn)行過(guò)程，并具有一定的交互設(shè)計(jì)功能;設(shè)計(jì)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(yùn)行投產(chǎn)后，工廠數(shù)字信息模型為后期運(yùn)行維護(hù)服務(wù)，并實(shí)時(shí)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(kù)，可在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中快速建模和修改。

（2）提供計(jì)算校核、數(shù)據(jù)分析及擬合等工具，計(jì)劃排產(chǎn)、路徑優(yōu)化等算法，可自動(dòng)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(jì)需兼有離散系統(tǒng)仿真和連續(xù)系統(tǒng)仿真。在設(shè)計(jì)階段，可對(duì)工廠生產(chǎn)和作業(yè)計(jì)劃等進(jìn)行仿真，在運(yùn)行階段，可對(duì)生產(chǎn)效率和供能計(jì)劃等進(jìn)行仿真。

（4）設(shè)計(jì)平臺(tái)需具有擴(kuò)展功能和接口，兼容性好，可與MES系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

3? 設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)

3.1? 系統(tǒng)架構(gòu)

三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)由主控窗口程序、3D虛擬工廠窗口及數(shù)據(jù)庫(kù)模塊三個(gè)部分組成。其中主控窗口程序在Microsoft Visual Studio中開(kāi)發(fā)，3D虛擬工廠窗口在Unity 2017中開(kāi)發(fā)，以內(nèi)嵌進(jìn)程方式運(yùn)行在主控窗口程序中;數(shù)據(jù)庫(kù)模塊使用SQLite 3數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，獨(dú)立運(yùn)行。

設(shè)計(jì)系統(tǒng)在構(gòu)建可視的工廠三維模型時(shí)，同步對(duì)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(jué)模型和數(shù)值模型。視覺(jué)模型又包括3D模型、貼圖和動(dòng)作。視覺(jué)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(lái)的布局管理和仿真管理。

該模塊用于建立模型庫(kù)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(shuō)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(kù)的基礎(chǔ)上，平臺(tái)提供一個(gè)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(hào)、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(yàn)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(yàn)物流設(shè)備布局是否合理、運(yùn)輸通道是否流暢、三維空間運(yùn)輸是否存在沖突等。

（3）檢驗(yàn)工廠各生產(chǎn)要素是否齊備，包括原料、加工設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備、倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備、供能設(shè)備、動(dòng)力管線等。

（4）檢驗(yàn)供能設(shè)備、工藝設(shè)備、物流設(shè)備能力是否匹配，檢測(cè)倉(cāng)庫(kù)庫(kù)容是否滿足要求等。

3.2.3? 計(jì)劃管理

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

計(jì)劃管理功能通過(guò)分析各生產(chǎn)線計(jì)劃的特點(diǎn)，形成數(shù)值模型，并通過(guò)錄入界面將計(jì)劃數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，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(guò)程中物料流的變化、主機(jī)的外部運(yùn)動(dòng)、主機(jī)的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)、倉(cāng)庫(kù)的變化、物流設(shè)備的運(yùn)動(dòng)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(shí)候后臺(tái)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新。生產(chǎn)仿真既能仿真某條生產(chǎn)線的作業(yè)過(guò)程，又能仿真全廠作業(yè)計(jì)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(shí)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(jì)劃，引擎在運(yùn)行一個(gè)仿真過(guò)程時(shí)，實(shí)時(shí)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(jì)劃，在輸出仿真結(jié)果的同時(shí)將仿真數(shù)據(jù)保存到仿真歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，利用系統(tǒng)提供工具可對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)的操作來(lái)移動(dòng)視角、轉(zhuǎn)動(dòng)視角。通過(guò)對(duì)所有模型進(jìn)行碰撞體設(shè)置，避免漫游過(guò)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(guò)將3D場(chǎng)景渲染成左右眼視角兩幅畫(huà)面，在VR眼鏡中給用戶帶來(lái)沉浸式視覺(jué)體驗(yàn)。在VR漫游過(guò)程中，用戶可通過(guò)頭部運(yùn)動(dòng)、身體轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)操作器或手柄來(lái)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(xiàng)目總體設(shè)計(jì)和運(yùn)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(jì)系統(tǒng)，使用效果主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）實(shí)現(xiàn)多專業(yè)共用平臺(tái)協(xié)同設(shè)計(jì)，減少了工作量和設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，特別是專業(yè)間溝通不暢造成的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。利用設(shè)計(jì)系統(tǒng)更加方便修改，并減少修改錯(cuò)誤。

（2）構(gòu)建了涵蓋卷煙工廠建筑、設(shè)備、動(dòng)力管線及相應(yīng)參數(shù)的數(shù)字信息模型，為運(yùn)行仿真、方案優(yōu)化、施工和運(yùn)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(jì)階段模擬工廠生產(chǎn)運(yùn)行，根據(jù)生產(chǎn)仿真結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，避免了設(shè)計(jì)返工和資源浪費(fèi)，提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高了設(shè)計(jì)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(fèi)，方便設(shè)計(jì)與施工人員的溝通。為運(yùn)行維護(hù)階段提供數(shù)字信息模型，實(shí)際運(yùn)行階段，可采集工廠運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“虛擬在線工廠”，按照生產(chǎn)計(jì)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(yǔ)

本文對(duì)BIM和VR技術(shù)在卷煙工廠三維設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)了基于BIM和VR技術(shù)的卷煙工廠三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)具備工廠三維建模、可視化設(shè)計(jì)、碰撞檢測(cè)、作業(yè)計(jì)劃仿真、3D和VR漫游等功能，為工廠建設(shè)施工和運(yùn)行維護(hù)提供數(shù)字信息模型，在卷煙廠項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)和運(yùn)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(jì)系統(tǒng)，擴(kuò)展了設(shè)計(jì)的內(nèi)涵，將工廠的設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維結(jié)合在一起，為工廠全壽命周期設(shè)計(jì)與管理打下了基礎(chǔ)，同時(shí)為煙草行業(yè)的智能制造建設(shè)提供了支持。

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