基于BIM擴展MBD的智能工廠虛實融合應(yīng)用研究*

李 杰，肖 成，張 浩，曹志月

(1.青島工業(yè)軟件研究所，山東 青島 266109；2.北華航天工業(yè)學院，河北 廊坊 065000；3.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000)

0 引言

隨著工業(yè)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，目前中國制造業(yè)占全球的比例近30%。工業(yè)的發(fā)展從18世紀的工業(yè)機械化，到標準化流水線化生產(chǎn)的工業(yè)2.0，再到20世紀70年代的工業(yè)自動化，以及電子信息時代的工業(yè)3.0之后，工業(yè)的發(fā)展正式進入了工業(yè)4.0[1-3]。工業(yè)4.0和“中國制造2025”具備網(wǎng)絡(luò)化、智能化，它結(jié)合了信息物理系統(tǒng)(CPS，Cyber-Physical System)和信息通訊技術(shù)，實現(xiàn)了以智能制造為主導的生產(chǎn)模式，即智能工廠。

目前，在多品種大批量混線加工的智能工廠中，基于多維融合的數(shù)字化生產(chǎn)線智能化仿真模型的構(gòu)建和重構(gòu)已經(jīng)成為了迫切需求。在仿真模型建立的過程中，會涉及到混線加工生產(chǎn)過程中存在的實體單元，它的數(shù)據(jù)是全要素、全流程、全業(yè)務(wù)的，而且具有多源異構(gòu)、高維、動態(tài)等特點?；谝陨蠑?shù)據(jù)的特點，使得現(xiàn)有的仿真應(yīng)用中多層次多維度模型的智能構(gòu)建和重構(gòu)研究面臨困難。

針對智能工廠加工生產(chǎn)線仿真中制造環(huán)境、制造設(shè)備和制造過程的全鏈信息物理融合的需求，以及數(shù)據(jù)的特點，提出了基于BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)建立制造環(huán)境構(gòu)件和制造設(shè)備的三維模型。同時，進行幾何信息、專業(yè)屬性、狀態(tài)信息等的描述，對于非構(gòu)件對象(如空間、運動行為)的狀態(tài)信息則通過擴充MBD(Model Based Definition)模型來實現(xiàn)并建立一致性的數(shù)據(jù)模型。

本文主要研究了基于BIM制造環(huán)境的三維仿真模型構(gòu)建方法，并提出通過擴充MBD模型對仿真模型進行數(shù)字化的定義和表達，建立能夠完整反映智能工廠制造環(huán)境、制造設(shè)備和制造過程的一致性數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、交換、融合和共享應(yīng)用。

1 基于BIM擴展MBD模型技術(shù)

1.1 BIM與MBD技術(shù)簡介

BIM即建筑信息模型，BIM可以作為幾何模型與非幾何模型的數(shù)字化集成，它應(yīng)用于三維模型的創(chuàng)建、量化分析及運維管理[4]。BIM由三維模型以及模型上的信息組成，信息與對應(yīng)的三維模型互相關(guān)聯(lián)，隨著模型精度細度的不斷深化，進而向下階段進行傳遞[5，6]。它可以作為一個完整的數(shù)據(jù)庫，在項目實施的全生命周期內(nèi)，給予準確有效的信息支持[7]。針對產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程，利用BIM技術(shù)三維模型創(chuàng)建功能可以創(chuàng)建出制造環(huán)境、制造設(shè)備等多方面信息的三維立體模型，其所有的專業(yè)信息數(shù)據(jù)都可置于同一個管理平臺，也可以跨越不同軟件之間的信息沖突，同時其強大的信息集成能力使管理者可以對產(chǎn)品制造信息及流程進行實時查看。

MBD即基于模型的數(shù)字化定義技術(shù)是一種先進的數(shù)字化定義方法，它將產(chǎn)品所有的相關(guān)工藝描述、產(chǎn)品屬性以及相關(guān)管理等信息附著在建立的三維模型中[8-10]。MBD技術(shù)將三維實體模型作為生產(chǎn)制造過程中的唯一依據(jù)，在MBD模型上詳細規(guī)定三維實體模型的生產(chǎn)制造信息[11]。MBD模型通過圖形和文字圖表的表達形式，直接地或通過引用間接地揭示了物料項的物理和功能需求，MBD模型可以完整表達產(chǎn)品的幾何信息和非幾何信息。

1.2 擴展模型技術(shù)應(yīng)用必要性

傳統(tǒng)MBD技術(shù)在運用MBD模型指導生產(chǎn)制造進行裝配工藝流程規(guī)劃時，往往僅限于產(chǎn)品模型幾何信息及非幾何信息之間的傳遞,缺乏與制造環(huán)境、制造過程之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，在產(chǎn)品設(shè)計的全生命周期管理中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)與制造環(huán)境數(shù)據(jù)、制造設(shè)備數(shù)據(jù)之間的信息分割會極大影響產(chǎn)品設(shè)計制造管理的版本管理、更改管理和有效性管理，因此對MBD模型進行制造環(huán)境和制造過程相關(guān)數(shù)據(jù)的擴充具有重大意義。

擴充MBD模型可以促進其制造模式向制造設(shè)備、環(huán)境、過程融合的智能化制造轉(zhuǎn)型，對此BIM可以提供有效的技術(shù)支撐[12-14]。

2 BIM擴展MBD模型數(shù)據(jù)內(nèi)容

MBD模型包含了設(shè)計、制造和分析信息，但就工藝規(guī)劃生產(chǎn)線重構(gòu)而言，生產(chǎn)線重構(gòu)屬于裝配工藝的范疇，不涉及零件模型本身的拓撲結(jié)構(gòu)的改變，僅僅是零組件方位發(fā)生變化[15，16]。因此，MBD模型中的一部分數(shù)據(jù)并無直接應(yīng)用價值，需根據(jù)實際生產(chǎn)需要，簡化MBD模型構(gòu)建工藝三維模型，從而實現(xiàn)設(shè)計BOM到工藝BOM的轉(zhuǎn)換。同時，生產(chǎn)線裝配存在很多中間環(huán)節(jié)，需根據(jù)工藝過程構(gòu)建一系列工藝過程模型。

在挖掘工藝過程模型與設(shè)計模型之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)時，一方面并沒有涉及工藝過程模型與制造設(shè)備、制造環(huán)境之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)；另一方面，制造設(shè)備、制造環(huán)境數(shù)據(jù)對生產(chǎn)線重構(gòu)以及工藝流程三維布局設(shè)計也會產(chǎn)生影響。于是，分別從制造設(shè)備數(shù)據(jù)擴充和制造環(huán)境數(shù)據(jù)擴充兩個方面進行MBD數(shù)據(jù)模型擴充，如圖1所示。

圖1 BIM擴充MBD數(shù)據(jù)模型內(nèi)容

2.1 制造設(shè)備數(shù)據(jù)擴充

制造設(shè)備數(shù)據(jù)擴充主要為實現(xiàn)BIM設(shè)備數(shù)據(jù)與MBD數(shù)據(jù)模型的關(guān)聯(lián)，研究以制造設(shè)備三維幾何模型為基礎(chǔ)，建立工程信息數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)庫信息與MBD模型數(shù)據(jù)相應(yīng)節(jié)點進行關(guān)聯(lián)。制造設(shè)備數(shù)據(jù)擴充具體實施如圖2所示。

圖2 制造設(shè)備數(shù)據(jù)擴充實施路線

首先，基于BIM技術(shù)建立工藝裝配各流程涉及的制造設(shè)備三維幾何模型，并為模型提供完整的與實際情況一致的工程信息數(shù)據(jù)庫，這些數(shù)據(jù)包括制造設(shè)備的三維幾何屬性、運行程序和運行狀態(tài)信息。三維幾何屬性包含設(shè)備的幾何實體信息、空間坐標系位置信息，這些信息涉及到進行智能化虛擬裝配仿真時的干涉檢查，在針對重構(gòu)裝配線各種可能重構(gòu)構(gòu)型的三維布局設(shè)計時具有重大影響。設(shè)備運行程序即為面向不同產(chǎn)品的制造操作程序，涉及到進行多類型生產(chǎn)任務(wù)自調(diào)度時設(shè)備程序的匹配及工藝參數(shù)自優(yōu)化問題。設(shè)備運行狀態(tài)如設(shè)備的利用率、設(shè)備的運行時間、設(shè)備的維修檢查信息都與智能裝配過程中生產(chǎn)線系統(tǒng)運行息息相關(guān)。

其次，針對設(shè)備虛擬裝配仿真干涉檢查等，進行三維模型數(shù)據(jù)的提取，由于BIM模型規(guī)范與MBD技術(shù)規(guī)范之間的差異，對BIM中提取的三維模型數(shù)據(jù)進行必要的解析和轉(zhuǎn)換，同時根據(jù)語義對象建立與MBD模型數(shù)據(jù)的相應(yīng)節(jié)點的關(guān)聯(lián)，與MBD模型數(shù)據(jù)進行融合。

最后，針對多類型生產(chǎn)任務(wù)自調(diào)度及工藝參數(shù)自優(yōu)化涉及到的設(shè)備運行程序的改變，將工程信息數(shù)據(jù)庫內(nèi)的程序與MBD工藝流程模型屬性數(shù)據(jù)鏈表節(jié)點進行映射，實現(xiàn)多類型生產(chǎn)任務(wù)程序切換自調(diào)度。針對裝配過程中裝配質(zhì)量問題，將制造設(shè)備實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)根據(jù)BIM國際標準進行標準化解析，與BIM相應(yīng)設(shè)備模型進行映射，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測與管理。

2.2 制造環(huán)境數(shù)據(jù)擴充

制造環(huán)境數(shù)據(jù)擴充以生產(chǎn)線環(huán)境三維幾何模型為基礎(chǔ)，進行生產(chǎn)環(huán)境空間上的定位，根據(jù)語義對象進行幾何信息的關(guān)系映射模型構(gòu)建，為生產(chǎn)線重構(gòu)三維布局提供約束。制造環(huán)境數(shù)據(jù)擴充技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 制造環(huán)境數(shù)據(jù)擴充技術(shù)路線

首先，基于BIM技術(shù)建立整個與實際情況一致的生產(chǎn)線環(huán)境三維幾何模型，包括車間以及固定的工裝設(shè)備、傳送帶、人行通道等，從空間上對生產(chǎn)線的三維幾何模型進行基于坐標系的定位。車間空間布局信息包含車間三維幾何信息、基準信息、模型參考系信息，這些信息為生產(chǎn)線三維布局提供空間上的基準范圍。固定工裝分布信息包含吊機、傳送帶等固定工裝的分布信息，可為生產(chǎn)線三維布局提供細節(jié)上的規(guī)劃。其他的結(jié)構(gòu)分布如人行通道等的分布信息，可進一步對產(chǎn)線的布局進行細致劃分，為重構(gòu)裝配線各種可能重構(gòu)構(gòu)型的三維布局設(shè)計提供約束。

其次，對生產(chǎn)線環(huán)境三維幾何模型數(shù)據(jù)進行解析，提取相應(yīng)的三維幾何信息，并根據(jù)MBD模型標準規(guī)范，在MBD模型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，構(gòu)建語義對象建立映射關(guān)系模型，完成屬性的定義分類。

最后，將分類的制造環(huán)境數(shù)據(jù)與生產(chǎn)線終檢工序模型數(shù)據(jù)節(jié)點進行融合，為重構(gòu)裝配線各種可能重構(gòu)構(gòu)型的三維布局設(shè)計提供空間上的約束。

3 BIM擴展MBD模型實現(xiàn)

利用MBD不僅僅是將二維圖紙反映為三維數(shù)據(jù)，更重要的是利用三維模型的表現(xiàn)力，去探索便于理解且更具效率的信息表達方式。傳統(tǒng)MBD以制造設(shè)備和產(chǎn)品為主，需要擴充對制造環(huán)境和制造過程的定義及表達。制造環(huán)境可通過BIM模型進行表達，于是，基于BIM擴展的MBD模型實現(xiàn)如下：

(1) 基于BIM建立虛擬的制造環(huán)境三維模型，并為模型提供完整的、與實際情況一致的工程信息庫。信息庫除了包含描述環(huán)境構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，還包含了非構(gòu)件對象(如空間、運動行為)的狀態(tài)信息。

(2) 通過擴充MBD模型進行定義和表達對信息進行擴展。

(3) 建立起能完整反映智能工廠制造環(huán)境、制造設(shè)備和制造過程的一致數(shù)據(jù)模型，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)、交換、融合和共享應(yīng)用。

模型構(gòu)建內(nèi)容如圖4所示，所構(gòu)造的整體系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖5所示。

圖4 模型構(gòu)建內(nèi)容

圖5 系統(tǒng)功能架構(gòu)

4 結(jié)論

本文基于BIM模型技術(shù)創(chuàng)建處理制造設(shè)備和制造環(huán)境等多方面信息的三維立體模型。同時，由于MBD模型包含了設(shè)計、制造、分析等信息，在此從制造設(shè)備數(shù)據(jù)擴充以及制造環(huán)境數(shù)據(jù)擴充兩方面進行了MBD數(shù)據(jù)模型的擴充。擴充后的模型具有制造設(shè)備、環(huán)境、過程融合清晰且生產(chǎn)過程數(shù)字化的特點。

對于MBD數(shù)據(jù)模型進行了制造設(shè)備的數(shù)據(jù)擴充，對設(shè)備數(shù)據(jù)幾何信息和MBD工序模型屬性進行融合，在進行生產(chǎn)線裝配仿真時充分考慮了模型與設(shè)備之間的干涉，作出了更好的工藝規(guī)劃布局設(shè)計。設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的融合實現(xiàn)了設(shè)備故障預(yù)警、維修預(yù)警等功能，提高了智能工廠的生產(chǎn)線管理能力。同時，在進行制造環(huán)境數(shù)據(jù)擴充以后，將車間空間分布信息數(shù)據(jù)、固定工裝、傳送帶、人行通道等環(huán)境數(shù)據(jù)與MBD數(shù)據(jù)模型相融合，使得生產(chǎn)線的三維布局設(shè)計得到了更細致的空間約束，提高了工藝流程重構(gòu)的精度。