在數(shù)字經(jīng)濟蓬勃發(fā)展的當下，制造企業(yè)緊抓時代機遇進行轉型升級，數(shù)字孿生作為實現(xiàn)信息空間與物理空間深度融合的重要使能技術，已被廣泛應用于航空航天、船舶、車輛等多個領域。數(shù)字孿生車間作為工廠的基礎制造單位，通過全方位的信息獲取和虛實融合，可模擬產(chǎn)品在制造過程中的實時狀態(tài)，并通過合理分配資源減少生產(chǎn)時間，從而提高生產(chǎn)效率。面向汽車工廠制造運營管理精益化、柔性化、智能化的發(fā)展需求，數(shù)字孿生車間全面準確的數(shù)據(jù)和模型基礎能夠為制造運營管理提供面向不同場景的決策支持，并進一步拓展跨組織、跨企業(yè)制造運營管理的能力邊界。
虛擬空間是構建數(shù)字孿生車間的關鍵域之一，通過虛擬空間中虛擬實體及其仿真運行實現(xiàn)對物理空間中物理實體及其制造運營過程的可信映射。虛擬空間能夠賦予物理實體設計、制造及運維等過程看得見、運行機理看得清、行為能力看的全、運行規(guī)律看得透的新能力。因此，構建以三維模型為基礎的高質量虛擬空間，成為了數(shù)字孿生車間/工廠的必要過程。本文主要探討面向汽車工廠的三維模型構建方法及標準化建模作業(yè)流程。
1、數(shù)字孿生工廠三維建模技術路徑
考慮汽車工廠實際情況，在建設數(shù)字孿生三維模型的實施過程中，一般需要采用兩種技術路徑分頭開展：正向工業(yè)模型創(chuàng)建和逆向工業(yè)模型創(chuàng)建。
創(chuàng)建完成之后，需要對模型進行數(shù)據(jù)處理，輸出符合質量要求的三維模型，最后對交付的模型進行庫管理，保障模型數(shù)據(jù)的可使用、可迭代、可更新。
技術路徑一：正向工業(yè)模型創(chuàng)建，主要是通過設計圖紙生成三維模型。依據(jù)工廠前期的規(guī)劃設計布局、二維設計圖紙等，進行三維模型正向拔模創(chuàng)建。
如工廠前期已收集了部分三維結構模型，亦可以在此基礎上進行調整和輕量化處理，納入數(shù)模庫待用。
對于汽車數(shù)字孿生工廠，主要建設的區(qū)域有廠區(qū)整體區(qū)位、沖壓車間、焊裝車間、涂裝車間、總裝車間，以及PBS區(qū)域、WBS區(qū)域、車架存儲區(qū)域等線體/車間之間的緩存區(qū)域。
技術路徑二：逆向工業(yè)模型創(chuàng)建，主要通過對現(xiàn)場環(huán)境進行點云掃描生成三維模型。在建設數(shù)字孿生工廠的過程中，工廠通常會有一些區(qū)域、設備等沒有三維模型，有些工廠甚至沒有任何模型留存，因此需要通過點云掃描技術來收集物理環(huán)境的三維坐標數(shù)據(jù)，再通過坐標生成三維結構模型。逆向建模，主要包括車間內部結構、線體及設備、器夾具等建設范圍。
1.1 正向工業(yè)模型創(chuàng)建
正向工業(yè)模型創(chuàng)建是指針對整個工廠范圍內的布局設計圖紙進行的三維模型生成工作，如活動區(qū)域分析、空間安排、材料存放、擁塞程度、設備安裝布局、設備使用情況等。正向工業(yè)模型創(chuàng)建，主要包括工廠布局信息收集、數(shù)模庫調用、快速設置參數(shù)出圖3部分工作。
1.1.1工廠布局信息收集
收集汽車工廠規(guī)劃設計圖、原始廠房三維模型設計數(shù)據(jù)、廠區(qū)物流規(guī)劃數(shù)據(jù)等信息，通過CAD等建模工具實現(xiàn)廠區(qū)輪廓模型創(chuàng)建、物流通道模型創(chuàng)建等。
1.1.2數(shù)模庫調用
根據(jù)汽車工廠實際，借助軟件自帶標準工具對工廠模型進行拖拉操作，實現(xiàn)生產(chǎn)空間的復雜組合。數(shù)模庫的調用是關鍵的一步，數(shù)模庫存儲了多種標準三維模型和相關數(shù)據(jù)，這些模型可以被重復使用和優(yōu)化，能夠顯著提高建模的效率和準確性。
1.1.3快速設置參數(shù)出圖
對非標準結構、異型結構，通過快速參數(shù)設置方式，實現(xiàn)對模型特征如線、弧、圓的快速復制、移動、拉伸、旋轉和重新組合等。
1.2逆向工業(yè)模型創(chuàng)建
逆向工業(yè)模型創(chuàng)建擬采用現(xiàn)場點云掃描技術，又稱激光掃描技術，通過三維激光掃描儀進行數(shù)據(jù)采集獲取的點云數(shù)據(jù)，把現(xiàn)實場景原子化，用高精度的點云數(shù)據(jù)還原現(xiàn)實世界，用于數(shù)字化工廠建設，實現(xiàn)在孿生環(huán)境中驗證和糾正設備模型的安裝位置，提高仿真的精確性。
1.2.1點云掃描作業(yè)
(1)技術規(guī)格
采用大空間三維激光掃描儀進行掃描，掃描作業(yè)使用設備的精度在1mm以內。
掃描數(shù)據(jù)含顏色信息(彩色掃描)，光線過暗或能見度過低必須開啟現(xiàn)場照明配合，必要時另設燈光設備。
現(xiàn)場掃描過程中不可以對現(xiàn)場進行破壞，如鉆孔安裝標靶球、反射片等。
布站要求：每工位布站數(shù)不低于5站，對于結構復雜、密集度高、通視困難的工位應適當增加掃描站。掃描參數(shù)要求：掃描儀分辨率大于6.3mm@10m，圖像像素大于1920×1920(DPI)。
工作內容要求：對本項目涉及的生產(chǎn)線區(qū)域進行激光掃描，其中包含此區(qū)域內對應二層平臺(含平臺下表面)下方所有實物的掃描。
(2)作業(yè)流程
點云掃描工作流程包括控制測量、掃描點布測、標靶布測、點云數(shù)據(jù)采集、紋理圖像采集、外業(yè)數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)導出及數(shù)據(jù)備份，如圖1所示。
圖 1 點云數(shù)據(jù)采集作業(yè)流程
作業(yè)準備：根據(jù)技術要求準備現(xiàn)場掃描。在平面布局圖上進行初步掃描點規(guī)劃，布置掃描點的原則是：現(xiàn)場每一臺設備周圍都需要布置3個掃描點，以保證現(xiàn)場每一臺設備的信息都被掃描到，如圖2所示。
圖 2 逆向工業(yè)模型掃描點布置
點云數(shù)據(jù)采集：在點云數(shù)據(jù)采集實施過程中，首先根據(jù)掃描日期、站點號來命名掃描點數(shù)據(jù);然后控制點坐標測量及掃描可制作專用標靶和棱鏡支架，棱鏡和標靶中心應等高。
掃描作業(yè)結束后，將掃描數(shù)據(jù)導入計算機，檢查標靶數(shù)據(jù)可用性和點云數(shù)據(jù)覆蓋完整性，對缺失和異常數(shù)據(jù)要及時補掃。
點云數(shù)據(jù)覆蓋具有完整性，整體點云覆蓋率≥95%，關鍵目標物100%采集露明部分的輪廓特征，密集度高、遮擋嚴重的目標物采集覆蓋率≥50%;生產(chǎn)線體的點云數(shù)據(jù)，不得有因測站盲區(qū)導致設備、橋架、管道、工夾具等目標物輪廓顯現(xiàn)不完整的情況;必要的測站盲區(qū)應盡量出現(xiàn)在廠房過道、線體中空蕩區(qū)等無設備安裝的地方。
1.2.2模型數(shù)據(jù)處理
(1)技術規(guī)格
掃描數(shù)據(jù)合拼的坐標原點與生產(chǎn)線建設基準立柱為基準，掃描數(shù)據(jù)相關所有輸出文件要求基準一致。掃描數(shù)據(jù)處理前，需要提供各站位點云視圖拼接方案，拼接方案需要招標方確認后才可以實施。點云精度及技術指標：單站數(shù)據(jù)誤差≤2mm、多站拼接累計誤差≤3mm;經(jīng)過輕量化處理的點云數(shù)據(jù)要求點與點的間距≤5mm。
制作完成的彩色點云真實，且清晰反映掃描目標物的顏色、圖案、結構特征等，無明顯色差。掃描數(shù)據(jù)以區(qū)域為單位進行處理。掃描數(shù)據(jù)必須經(jīng)過去噪點處理，去除包括近端噪點、遠端噪點、重疊噪點、以及因移動的人和空氣中的灰塵等原因形成的重影及物體邊緣噪點等。提供二層平臺下表面、夾具外輪廓、機器人底座、抓手存放架、輸送系統(tǒng)、固定焊鉗、固定涂膠支架、修磨器、焊接控制器、水氣單元、傳輸設備、電氣控制柜、橋架走向、圍欄等獨立的點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)具有明顯的設備外輪廓特征線滿足仿真資源進行位置擬合，擬合精度誤差≤2mm。
(2)作業(yè)流程
模型數(shù)據(jù)處理流程包括數(shù)據(jù)拼接、坐標系轉換。數(shù)據(jù)拼接在實施過程中應注意：使用標靶和公共特征進行數(shù)據(jù)拼接時，采用不小于3個同名點建立轉換矩陣;相鄰兩掃描站的公共標靶個數(shù)不少于3個，拼接后同名點的誤差≤10mm。坐標系轉換在實施過程中應注意：采用不少于3個分布均勻的同名點，通過七參數(shù)模型進行坐標轉換，轉換時應固定比例因子，轉換誤差≤10mm;小范圍或單一掃描目標物可采用一個已知點和一個已知方位進行坐標系轉換。
1.2.3模型數(shù)據(jù)輸出
(1)技術規(guī)格
點云數(shù)據(jù)輸出格式為*.pod時，文件以工廠首字母縮寫開頭+項目名稱+線體+區(qū)域縮寫+類別(夾具、機器人底座、水氣管道)命名。輸出并經(jīng)格式轉換的點云，其色彩、目標幾何物特征不得失真。
處理后的掃描數(shù)據(jù)，依照生產(chǎn)線輸出西門子或達索仿真平臺支持的點云格式。輸出基于生產(chǎn)線建設立柱為基準的DWG/DXF格式文件的平面布置圖，要求清晰可見各設備外輪廓特征線。根據(jù)單體對象的POD模型，進行1:1逆向工業(yè)模型創(chuàng)建，模型格式支持通用工具轉換。
(2)作業(yè)流程
點云數(shù)據(jù)輸出格式為*.pod，文件以字母或阿拉伯數(shù)字命名;輸出并經(jīng)格式轉換的點云數(shù)據(jù)，其色彩、目標物特征不得失真;避免大點云數(shù)據(jù)集中加載，工廠點云數(shù)據(jù)按廠房結構、生產(chǎn)線體分區(qū)導出，所有導出的分區(qū)點云保證同一參考系;根據(jù)需要，導出局部區(qū)域點云數(shù)據(jù);所有原始點云數(shù)據(jù)保存歸檔，并保證數(shù)據(jù)完整性。
1.2.4模型數(shù)據(jù)交付
(1)技術規(guī)格
需提供的數(shù)據(jù)/文件類別有：三維掃描點云源文件;并保障數(shù)據(jù)完整性;提供最終布站圖;提供掃描數(shù)據(jù)的拼接報告;提供本項目涉及的POD格式點云數(shù)據(jù)，包含但不限于整線的點云數(shù)據(jù)、各區(qū)域點云數(shù)據(jù);掃描數(shù)據(jù)處理文件包，包含POD文件、PTX文件、IFPROJ或IFPROJX格式文件等。依照生產(chǎn)線劃分，無需安裝任何軟件，不限用戶數(shù)并免費支持以下功能：可以實現(xiàn)三維尺寸測量工作，精確測量距離尺寸、占地面積、對象周長、最短距離、X/Y/Z方向距離;可以自動識別交點、中心線、邊線、軸線、平面等目標對象;支持任意方向的截面及裁剪功能，并支持輸出二維DWG/DXF格式文件;對點云數(shù)據(jù)進行逆向建模，數(shù)模為CatiaV5及NX工具可編輯格式或STEP格式。
(2)作業(yè)流程
數(shù)模擬合和3D布局調整：數(shù)模和點云數(shù)據(jù)采用設備基座為對象重合;對線體、廠房建筑結構分區(qū)分別進行3D布局調整，分區(qū)整體點云以線體周邊的廠房立柱為基準投放;依據(jù)點云分割投影形成的平面圖糾正工藝布局，糾正后的2D布局用于數(shù)字工廠3D模型的布局;使用相應點云替代數(shù)字工廠中缺失的3D模型或非關鍵模型。
平面布局圖制作：根據(jù)工藝平面布局圖中目標物的投影示廓，對點云相應部分進行分割，并選定基準面進行點云投影;根據(jù)投影后的點云繪制特征線;分割面無法獲取完整特征的點云，可根據(jù)現(xiàn)有部分點云推算缺失部分形成完整投影的特征，推算部分應用不同顏色線條區(qū)分;結合點云投影平面圖糾正和更新工藝布局圖。
數(shù)據(jù)發(fā)布：可以直接通過Windows系統(tǒng)打開掃描數(shù)據(jù)進行查看、檢查及測量。
2、模型庫建設及使用
根據(jù)汽車工廠規(guī)模、車間設計、設備類別情況，建立一套三維模型管理流程及管理機制，有效管控模型建立、歸類存放、修改、調用等各階段，明確處理路徑、文件夾等相關信息，并制定安全訪問機制。
2.1模型庫分類規(guī)則
從數(shù)字孿生工廠的可持續(xù)、可優(yōu)化、可管控的角度出發(fā)，結合生產(chǎn)線的特性，搭建三維模型庫的分類規(guī)則可以參考以下5種。
2.1.1按功能分類
生產(chǎn)設備：包括機器、機器人、裝配線、加工設備等。
輔助設備：如傳送帶、工具、檢測設備等。
基礎設施：如廠房、地面、支撐結構等。
物流設備：如AGV(自動導引車)、叉車、存儲系統(tǒng)等。
2.1.2按工藝分類
沖壓：沖壓機床、模具、材料堆放等。
焊接：焊接機器人、夾具、焊接臺等。
涂裝：涂裝噴房、烘干設備、輸送系統(tǒng)等。
總裝：裝配線、檢測設備、輔助工位等。
物流：物流傳送系統(tǒng)、AGV、倉儲設備等。
2.1.3按位置分類
車間：按具體車間(如沖壓車間、焊裝車間、涂裝車間、總裝車間)進行分類。
區(qū)域：按車間內部具體區(qū)域(如裝配區(qū)、檢測區(qū)、存儲區(qū))進行分類。
層級：按建筑層級(如地面層、地下層、二層)進行分類。
2.1.4按數(shù)據(jù)類型分類
幾何模型：基礎幾何結構模型。
紋理模型：包含紋理和材質信息的模型。
行為模型：包含運動、仿真行為的模型。
復合模型：集成幾何、紋理和行為信息的綜合模型。
2.1.5按版本分類
設計版本：初始設計階段的模型。
施工版本：施工階段的詳細模型。
運營版本：實際運營中的模型，包含實時數(shù)據(jù)和狀態(tài)。
歷史版本：不同時期的歷史版本模型，用于對比和分析。
2.2模型比例標準
在建設汽車數(shù)字孿生工廠的三維模型庫時，確定模型的比例標準非常關鍵。這不僅涉及到模型的準確性，還關系到后續(xù)數(shù)據(jù)分析、仿真和實際應用的有效性。
2.2.1總體原則
精確性原則：模型需要精確反映實際工廠及其設備的尺寸和空間關系。
適用性原則：比例標準應適用于各種設備和設施，從大型機器到小型組件。
可擴展性原則：模型應具備一定的可擴展性，以便后續(xù)添加新的設備或修改現(xiàn)有設備。
2.2.2比例標準
(1)比例單位
通常使用米(m)或毫米(mm)作為單位，根據(jù)工廠規(guī)模和具體需求選擇。
(2)比例等級
1:1比例：用于關鍵設備和設施的詳細建模，確保所有細節(jié)和尺寸精確無誤。
1:10比例：用于較大的工廠布局或大型設備的整體建模，適用于初步規(guī)劃和總體設計。
1:100比例：用于全廠布局和總體規(guī)劃，適用于宏觀分析和策略制定。
(3)設備和區(qū)域細分
高精度區(qū)域：如關鍵生產(chǎn)設備、精密儀器等，采用1:1或1:10比例。
中等精度區(qū)域：如生產(chǎn)線、物流系統(tǒng)等，采用1:10比例。
低精度區(qū)域：如倉庫、公共區(qū)域等，采用1:100比例。
2.3模型兼容性標準
2.3.1數(shù)據(jù)格式標準
通用3D格式：采用行業(yè)通用的3D模型格式，如STEP、IGES、STL、OBJ、FBX等。這些格式廣泛支持不同的3D建模和仿真軟件。
元數(shù)據(jù)標準：確保模型附帶的元數(shù)據(jù)(如材料屬性、制造參數(shù))使用標準化格式，如XML、JSON或CSV。
2.3.2軟件兼容性標準
建模工具：模型應支持主流3D建模工具的導入和導出功能。
仿真和可視化工具：確保模型兼容主流仿真和可視化軟件的使用。
PLM/PDM系統(tǒng)：與產(chǎn)品生命周期管理(PLM)系統(tǒng)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)系統(tǒng)的無縫集成。
2.3.3數(shù)據(jù)傳輸和通信標準
API和Web服務：使用標準化的API和Web服務(如RESTful API、SOAP)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和集成。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議：采用標準數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，如FTP、SFTP、HTTP/HTTPS，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a href=http://www.yizongshi.cn/index.php?m=content&c=index&a=infolist2021&typeid=1&siteid=1&type=keyword&serachType=2&key=%E5%AE%89%E5%85%A8 style='color:#57A306' target='_blank'>安全和可靠性。
2.4模型輕量化標準
輕量化標準旨在減少模型的復雜性和文件大小，以提高加載速度、渲染性能和數(shù)據(jù)傳輸效率，同時保證模型的準確性和可用性。
2.4.1幾何簡化
減少多邊形數(shù)量：通過簡化模型的幾何結構，減少多邊形的數(shù)量。可以使用LOD(LevelofDetail)技術，根據(jù)視距動態(tài)調整模型復雜度。
優(yōu)化網(wǎng)格：刪除冗余頂點和邊，優(yōu)化網(wǎng)格拓撲結構。
使用近似模型：在非關鍵區(qū)域使用近似模型，減少計算復雜度。
2.4.2紋理優(yōu)化
壓縮紋理：使用紋理壓縮技術(如JPEG、PNG、DDS)，在保證圖像質量的前提下減小紋理文件大小。
紋理分辨率優(yōu)化：根據(jù)實際需求調整紋理分辨率，避免使用過高分辨率的紋理。
紋理共享：使用貼圖集(TextureAtlas)合并多個紋理，減少紋理切換次數(shù)。
2.4.3數(shù)據(jù)格式選擇
選擇高效的文件格式：使用高效的3D文件格式，如GLTF(GLTransmissionFormat)，它具有良好的壓縮性能和渲染效率。
壓縮模型文件：使用工具對模型文件進行壓縮(如ZIP、GZIP)，進一步減小文件大小。
2.4.4模型分割
分區(qū)域存儲：將大型工廠模型分割為若干個子模型，按需加載，減少內存占用。
層次結構優(yōu)化：采用層次結構，按需加載不同層級的細節(jié)，提高渲染效率。
2.4.5渲染優(yōu)化
預計算光照：使用光照貼圖(Lightmap)預計算靜態(tài)光照，減少實時計算開銷。
減少實時陰影：在非關鍵區(qū)域減少或關閉實時陰影計算，降低GPU負擔。
參考上述模型庫的建設標準，構建企業(yè)級的模型庫及管理規(guī)范，可為后續(xù)數(shù)字孿生應用所需模型提供基礎的數(shù)字資產(chǎn)，對工廠后期的技改、復刻等具有重要的實用意義。
3、結語
本文詳細闡述了汽車數(shù)字孿生工廠的三維模型建設作業(yè)流程，對每個步驟的作業(yè)標準進行了詳細說明，該標準作業(yè)流程可為汽車工業(yè)領域建設數(shù)字孿生工廠提供借鑒參考和指導，也進一步保障了模型的生成質量。通過模型庫的搭建與管理，可以有效維護和使用模型，為工廠后續(xù)的技術改造、產(chǎn)能提升、復刻新工廠等提供基礎模型數(shù)據(jù)，深化衍生出汽車工廠的核心數(shù)據(jù)資產(chǎn)，為行業(yè)通用的設備、線體、車間設計提供標準化依據(jù)。
分享到微信 ×
打開微信，點擊底部的“發(fā)現(xiàn)”，
使用“掃一掃”即可將網(wǎng)頁分享至朋友圈。
數(shù)據(jù)分類分級方法、標準及應用實踐
