基于VR技術(shù)的船廠分段堆場(chǎng)數(shù)字資產(chǎn)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

王 真，鄭鵬飛，丁煒杰，俞凌云，何 迪，邱宇舟

（中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063）

管理現(xiàn)代化

基于VR技術(shù)的船廠分段堆場(chǎng)數(shù)字資產(chǎn)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

王 真，鄭鵬飛，丁煒杰，俞凌云，何 迪，邱宇舟

（中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063）

以基于模型的企業(yè)（Model-Based Enterprise，MBE）為理論基礎(chǔ)，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，結(jié)合國(guó)內(nèi)某船廠的資產(chǎn)管理應(yīng)用實(shí)例，在三維可視化環(huán)境中開(kāi)發(fā)船廠分段堆場(chǎng)數(shù)字資產(chǎn)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可為管理者提供統(tǒng)一、高效的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)查詢與決策依據(jù)管理平臺(tái)，還能為覆蓋船廠設(shè)計(jì)、建造及運(yùn)營(yíng)階段的全生命周期的業(yè)務(wù)打下技術(shù)基礎(chǔ)。

基于模型的企業(yè)；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；資產(chǎn)管理；可視化；Unity3D

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)船廠逐步朝數(shù)字化、智能化制造方向發(fā)展，對(duì)船廠基礎(chǔ)設(shè)施和主要設(shè)備等資產(chǎn)的管理手段的要求越來(lái)越高。傳統(tǒng)的船廠資產(chǎn)管理存在以下問(wèn)題：

1) 管理形式以人工臺(tái)賬為主，數(shù)據(jù)查找困難、溝通效率低下；

2) 車間層和管理層之間存在“數(shù)據(jù)孤島”，管理人員無(wú)法實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

基于模型的企業(yè)（Model-Based Enterprise，MBE）是一種制造實(shí)體，利用產(chǎn)品和過(guò)程模型來(lái)定義、執(zhí)行、控制及管理企業(yè)的全部過(guò)程，以便在產(chǎn)品生命周期管理（Product Life-Cycle Management，PLM）中的各個(gè)環(huán)節(jié)做出最佳決策[1]。船廠分段堆場(chǎng)數(shù)字資產(chǎn)管理系統(tǒng)以MBE為理論基礎(chǔ)，以國(guó)內(nèi)某船廠為實(shí)例依托，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)，開(kāi)發(fā)三維資產(chǎn)管理可視化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的“所見(jiàn)即所得”。通過(guò)開(kāi)發(fā)該系統(tǒng)，不僅為企業(yè)提供一個(gè)高效、直觀、智能的資產(chǎn)管理系統(tǒng)平臺(tái)，而且也為船廠運(yùn)營(yíng)階段的可視化管理打下技術(shù)基礎(chǔ)。

1 船廠分段堆場(chǎng)數(shù)字資產(chǎn)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)介紹

船廠分段堆場(chǎng)數(shù)字資產(chǎn)管理系統(tǒng)是一個(gè)完全三維表現(xiàn)的可視化管理平臺(tái)，采用獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和表現(xiàn)方式，方便與船廠現(xiàn)有的管理信息系統(tǒng)集成，可彌補(bǔ)傳統(tǒng)三維仿真技術(shù)在空間分析、面向?qū)ο蠊芾砗托畔⒉樵兊确矫娴牟蛔?。在三維空間中，所有的物體均以對(duì)象的方式管理，具有相關(guān)屬性信息，并與數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)對(duì)接；所有的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)與管理信息系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)集成，動(dòng)態(tài)反映在三維模型上；船廠使用的各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中到一個(gè)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)全方位的統(tǒng)一管理，徹底消滅船廠管理層與車間層及各子系統(tǒng)之間的“數(shù)據(jù)孤島”，最大限度地發(fā)揮各子系統(tǒng)的功能和投資效用，從而提高船廠的生產(chǎn)效率。系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下。1.1.1 直觀、準(zhǔn)確地進(jìn)行空間定位

采用VR技術(shù)可準(zhǔn)確地對(duì)分段進(jìn)行空間定位。船廠采用北斗數(shù)據(jù)采集和無(wú)線射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）技術(shù)，將堆場(chǎng)和分段的空間位置信息采集到后臺(tái)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中；數(shù)字資產(chǎn)管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，在VR環(huán)境中對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和開(kāi)發(fā)，參數(shù)化生成堆場(chǎng)和分段的三維模型，做到虛擬環(huán)境中堆場(chǎng)和分段的運(yùn)行狀態(tài)與物理世界一一對(duì)應(yīng)。與傳統(tǒng)的先在其他三維軟件中建立好三維模型再導(dǎo)入VR環(huán)境中的方式相比，該模型生成方式更加靈活、直觀，空間定位也更加準(zhǔn)確。

1.1.2 實(shí)時(shí)反饋生產(chǎn)信息

該系統(tǒng)可隨時(shí)接收分段編碼、堆場(chǎng)狀態(tài)、操作人員狀況及物流流向等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)反饋的信息，并將其及時(shí)、準(zhǔn)確地附加在模型對(duì)象上；系統(tǒng)接收到信息之后會(huì)立即定位到該堆場(chǎng)和分段，通過(guò)采用不同亮度和顏色顯示的方式為決策支持快速提供依據(jù)。

1.1.3 資產(chǎn)屬性高效查詢

在對(duì)堆場(chǎng)和分段進(jìn)行查詢時(shí)，用戶既可通過(guò)直接點(diǎn)選三維模型得到堆場(chǎng)和分段的各種屬性及其空間位置信息，又可通過(guò)系統(tǒng)查詢功能模塊模糊檢索，逐級(jí)進(jìn)行船舶工程編號(hào)、分段號(hào)的屬性信息查詢，并將查找對(duì)象在三維場(chǎng)景中高亮顯示。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

船廠分段堆場(chǎng)數(shù)字資產(chǎn)管理系統(tǒng)平臺(tái)在邏輯上分為三級(jí)構(gòu)架：

1) 最底層是網(wǎng)絡(luò)層，包含服務(wù)器、計(jì)算機(jī)終端及網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議等各種硬件基礎(chǔ)；

2) 中間層是數(shù)據(jù)層，是整個(gè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源，是操作執(zhí)行和數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，內(nèi)含分段基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、分段物流屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、場(chǎng)地基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)庫(kù)、場(chǎng)地物流屬性數(shù)據(jù)庫(kù)和平板車屬性數(shù)據(jù)庫(kù)等；

3) 最上層是應(yīng)用層，用于對(duì)堆場(chǎng)和分段空間位置及生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，同時(shí)作為信息數(shù)據(jù)與三維可視化模型的接口，將資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)與空間信息對(duì)接，包含場(chǎng)地可編輯系統(tǒng)、分段物流仿真系統(tǒng)和調(diào)度算法系統(tǒng)等子系統(tǒng)。

圖1為系統(tǒng)架構(gòu)圖。

1.3 開(kāi)發(fā)環(huán)境

船廠分段堆場(chǎng)數(shù)字資產(chǎn)管理系統(tǒng)是一款基于開(kāi)源.net（即Mono.net）的組件化三維引擎，主要基于Unity3D開(kāi)發(fā)，對(duì)編輯器、跨平臺(tái)發(fā)布、地形編輯、著色器、腳本、網(wǎng)絡(luò)及物理等特性進(jìn)行全面整合，具有開(kāi)發(fā)效率高、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)；此外，其還擁有對(duì)DirectX和OpenGL高度優(yōu)化的圖形渲染管道，開(kāi)發(fā)者可將開(kāi)發(fā)程序發(fā)布為.exe執(zhí)行文件提供給用戶[2]。表1為數(shù)字資產(chǎn)管理系統(tǒng)主要開(kāi)發(fā)環(huán)境。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

表1 數(shù)字資產(chǎn)管理系統(tǒng)主要開(kāi)發(fā)環(huán)境

2 基于VR技術(shù)的船廠數(shù)字資產(chǎn)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)

數(shù)據(jù)是數(shù)字資產(chǎn)管理系統(tǒng)分析和執(zhí)行的基礎(chǔ)，該系統(tǒng)與后臺(tái)Oracle關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口開(kāi)發(fā)及數(shù)據(jù)解析功能。圖2為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)示意。

Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)是第一個(gè)完整的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)安全性和數(shù)據(jù)完整性方面具有優(yōu)越的性能，并具有跨越操作系統(tǒng)、多硬件平臺(tái)的數(shù)據(jù)互操作等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大型企業(yè)的數(shù)據(jù)后臺(tái)處理系統(tǒng)中。PL/SQL是Oracle公司開(kāi)發(fā)的一種結(jié)構(gòu)化編程語(yǔ)言，可用其實(shí)現(xiàn)表數(shù)據(jù)查詢、修改、更新及對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的復(fù)雜訪問(wèn)等控制[3-4]。

2.2 Unity3D連接Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)

Unity3D引擎是基于Mono.net的開(kāi)源平臺(tái)，若要在Unity3D中實(shí)現(xiàn)對(duì)Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)，首先需 將 Mono 目 錄 下 的 System.Configuration.dll， System.Data.dll， System.Data.oracleClient.dll，System.EnterpriseServices.dll和System.Security.dll編譯到Unity-＞Assets-＞Plugins文件目錄中（圖3為項(xiàng)目文件組織形式），并在C#程序中添加System.Data.OracleClient引用文件。圖4為Unity連接Oracke數(shù)據(jù)庫(kù)的部分代碼。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)示意

圖3 項(xiàng)目文件組織形式

圖4 Cnity連接Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)的部分代碼

2.3 網(wǎng)格拆分法參數(shù)化生成模型

船廠結(jié)合北斗坐標(biāo)測(cè)量與RFID技術(shù)采集堆場(chǎng)和分段坐標(biāo)信息，并將其上傳至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中。在系統(tǒng)初始化時(shí)，需對(duì)這些坐標(biāo)信息進(jìn)行解析并在虛擬環(huán)境中參數(shù)化生成堆場(chǎng)和分段模型，實(shí)時(shí)跟隨獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新、更改。這是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。所有空間模型都是由許多網(wǎng)格面組成的，而網(wǎng)格面又由多個(gè)三角形組成，因此求得三角形的頂點(diǎn)坐標(biāo)及組成順序即可生成不同的網(wǎng)格面。采用網(wǎng)格拆分法，使用數(shù)組mesh.vertices存儲(chǔ)三角形頂點(diǎn)坐標(biāo)。當(dāng)頂點(diǎn)數(shù)超過(guò)3個(gè)時(shí)，連接點(diǎn)的順序不同，繪制的圖形形狀也不同，須使用數(shù)組mesh.triangles記錄連接三角形的順序。繪制n個(gè)三角形需知道3n個(gè)點(diǎn)的順序，即數(shù)組mesh.triangles的長(zhǎng)度是3的倍數(shù)。因此，在進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)時(shí)，需滿足以下幾個(gè)條件：

1) mesh網(wǎng)格頂點(diǎn)個(gè)數(shù)為三角形個(gè)數(shù)+2；三角形頂點(diǎn)個(gè)數(shù)為三角形個(gè)數(shù)的3倍。

2) 為降低算法的復(fù)雜度，保證頂點(diǎn)創(chuàng)建順序是順時(shí)針或逆時(shí)針；

3) 為正確繪制以頂點(diǎn)為邊界點(diǎn)的圖形，頂點(diǎn)繪制順序與創(chuàng)建順序統(tǒng)一；

4) 為創(chuàng)建好的網(wǎng)格面添加核心組件Mesh Renderer（網(wǎng)格渲染器）和Mesh Filter（網(wǎng)格過(guò)濾器）。

圖5為使用網(wǎng)格拆分法參數(shù)化生成堆場(chǎng)模型的部分實(shí)現(xiàn)代碼。

2.4 UI開(kāi)發(fā)

用戶界面（User Interface，UI）開(kāi)發(fā)是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié)，Unity為開(kāi)發(fā)者提供較為完善的圖形化交互界面（Graphical User Interface，GUI），運(yùn)行效率遠(yuǎn)高于低級(jí)界面（手動(dòng)實(shí)現(xiàn)）。GUI高級(jí)界面的種類有很多，包含Label（標(biāo)簽）、Button（按鈕）、TextField（輸入框）和 ToolBar（工具欄）等。此外，Unity還為開(kāi)發(fā)者提供OnGUI（）系統(tǒng)方法，可供其用Javascript和C#語(yǔ)言對(duì)UI進(jìn)行交互功能的開(kāi)發(fā)，以達(dá)到預(yù)期開(kāi)發(fā)效果。圖6為UI開(kāi)發(fā)[5]。

圖5 使用網(wǎng)格拆分法參數(shù)化生成堆場(chǎng)模型的部分實(shí)現(xiàn)代碼

圖6 UI開(kāi)發(fā)

2.5 系統(tǒng)維護(hù)

主要對(duì)系統(tǒng)的安全、數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括用戶管理、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)等。

1) 用戶管理：增加、修改、刪除使用系統(tǒng)的用戶。只有用戶列表中的用戶才能進(jìn)入系統(tǒng)，這樣可有效防止非法用戶進(jìn)入到系統(tǒng)中破壞或盜取數(shù)據(jù)。

2) 權(quán)限管理：對(duì)用戶列表中的用戶賦予權(quán)限，使其能進(jìn)行權(quán)限內(nèi)的操作，同時(shí)防止其修改或查看不應(yīng)知道的數(shù)據(jù)和信息，增加系統(tǒng)的安全性，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3) 數(shù)據(jù)備份和恢復(fù)：當(dāng)數(shù)據(jù)因意外或某種原因出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，用戶可通過(guò)備份的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3 上海某船廠應(yīng)用實(shí)例

以上海某大型船廠的應(yīng)用實(shí)例為依托進(jìn)行相關(guān)研究。在對(duì)該船廠進(jìn)行調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，相關(guān)部門缺少有效的分段堆場(chǎng)管理手段，管理方法落后，如以人工臺(tái)賬為主；此外，無(wú)法在管理控制室內(nèi)實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)（如在建分段屬性信息、場(chǎng)地利用率信息及平板車使用信息等），導(dǎo)致車間層與管理層之間存在“數(shù)據(jù)孤島”。結(jié)合船廠的實(shí)際需求及其存在的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)基于VR技術(shù)的船廠分段堆場(chǎng)數(shù)字資產(chǎn)管理系統(tǒng)，并進(jìn)行多次測(cè)試反饋及系統(tǒng)完善工作。目前，該系統(tǒng)已成功應(yīng)用到分段堆場(chǎng)的資產(chǎn)管理工作中，與傳統(tǒng)的分段堆場(chǎng)管理形式相比，更加智能和直觀，可擴(kuò)展性強(qiáng)。系統(tǒng)分段仿真場(chǎng)景見(jiàn)圖 7。在船廠使用過(guò)程中，提出可在該系統(tǒng)目前模塊功能的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)能源管控模塊、設(shè)備資產(chǎn)管理模塊及故障維護(hù)模塊等，與船廠的設(shè)備能源管理對(duì)接。

4 結(jié) 語(yǔ)

圖7 系統(tǒng)分段仿真場(chǎng)景

以上海某船廠為實(shí)例，針對(duì)其傳統(tǒng)資產(chǎn)管理方式存在的不足，開(kāi)發(fā)滿足船廠使用需求的分段堆場(chǎng)數(shù)字資產(chǎn)管理系統(tǒng)。目前該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于分段堆場(chǎng)資產(chǎn)管理工作中，在可視化、智能化方面都大大優(yōu)于傳統(tǒng)的資產(chǎn)管理方式，可實(shí)現(xiàn)對(duì)資產(chǎn)的可視化管理。在制造業(yè)服務(wù)化市場(chǎng)趨勢(shì)下，可將該系統(tǒng)推廣至國(guó)內(nèi)更多船廠使用，進(jìn)而使國(guó)內(nèi)船廠把以模型來(lái)定義、執(zhí)行和管理的理念應(yīng)用于船廠生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的各個(gè)領(lǐng)域，幫助其向MBE轉(zhuǎn)型。

[1] 顧新建，顧巧祥，祁國(guó)寧. 基于模型的企業(yè)（MBE）[J]. 成相技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2014 (2)∶ 1-6.

[2] 吳亞峰，于復(fù)興. Unity3D 游戲開(kāi)發(fā)技術(shù)詳解與典型案例[M]. 北京：人民郵電出版社，2012.

[3] 趙笑聲. ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用從入門到精通[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2016.

[4] 張利利，李仁義，李曉京，等. Unity3D與數(shù)據(jù)庫(kù)通信方法的研究[J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2014 (3)∶ 229-232. [5] 宣雨松. Unity3D游戲開(kāi)發(fā)[M]. 北京：人民郵電出版社，2012.

Development of Digital Asset Management System for Shipyard Block Stock Based on VR Technology

WANG Zhen，ZHENG Peng-fei，DING Wei-jie，YU Ling-yun，HE Di，QIU Yu-zhou
（China Shipbuilding NDRI Engineering Co., Ltd., Shanghai 200063, China）

This study developed a digital asset management system for shipyard block stock in 3D visualization environment with Virtual Reality (VR) technology and database technology on the basis of Model-Based Enterprise (MBE) theory, where a domestic shipyard was taken as the example. The system not only provides the managers with a unified, highly efficient, real-time platform for dynamic data inquiry and decision making, but also lays a technological foundation for the life-cycle management regarding shipyard design, construction and operation.

MBE; virtual reality technology; asset management; visualization; Unity3D

U673.2

A

2095-4069 (2017) 02-0067-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.02.012

2016-06-16

王真，女，助理工程師，碩士，1988年生。2014年畢業(yè)于江蘇科技大學(xué)船舶與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事數(shù)字化仿真及虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)。