淺談三維數(shù)字孿生在工業(yè)工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與美學(xué)

陳璐

（中冶東方工程技術(shù)有限公司，山東 青島 266555）

0 引言

隨著新一代ICT技術(shù)迅速發(fā)展，智能工業(yè)制造業(yè)的逐步推動(dòng)，數(shù)字孿生與智能交互系統(tǒng)等概念成為了工業(yè)制造業(yè)的重要組成部分。工業(yè)設(shè)計(jì)原本是一個(gè)個(gè)繁瑣而又復(fù)雜的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它包括主體工藝設(shè)備、周邊建筑、管道線路系統(tǒng)等設(shè)計(jì)。而傳統(tǒng)的作業(yè)模式即分散式作業(yè)模式通常采用二維平面繪制。繪制施工圖文件和有關(guān)工程數(shù)據(jù)由設(shè)計(jì)人員各自分散掌握，無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)協(xié)作、資源實(shí)時(shí)共享與合并。除了協(xié)作困難，在傳統(tǒng)的作業(yè)模式下，由于設(shè)計(jì)人員來自不同專業(yè)，協(xié)調(diào)配合難度大，錯(cuò)誤、遺漏和缺失難以避免[1]。所以為了改善這些問題，三維數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。當(dāng)然在現(xiàn)代社會(huì)里無論是戲劇、音樂、舞蹈，還是建筑、工業(yè)和科技都需要以一種相對(duì)整體且富有內(nèi)涵的形式呈現(xiàn)出來。而將數(shù)字孿生完美地展現(xiàn)出來，就需要工業(yè)美學(xué)設(shè)計(jì)的加入，以往的數(shù)字孿生技術(shù)只會(huì)注重技術(shù)支持而忽略工業(yè)美學(xué)的重要性。

所以本文將結(jié)合原料場(chǎng)案例，融入工業(yè)美學(xué)設(shè)計(jì)，以三維虛擬建模技術(shù)為基礎(chǔ)，與工藝流程仿真模擬相結(jié)合，將傳統(tǒng)的二維平面化設(shè)計(jì)改為三維空間化設(shè)計(jì)，打造新型原料場(chǎng)的三維數(shù)字孿生與仿真平臺(tái)。

1 數(shù)字孿生在工業(yè)工程中的意義

所謂數(shù)字孿生（Digital Twin）就是利用物理模型通過傳感器、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集合多種工藝、多種物理量、多種概率的仿真模擬過程[2]，在計(jì)算機(jī)的虛擬空間中完成映射，從而以三維實(shí)體數(shù)字模型靜態(tài)或動(dòng)態(tài)的方式向用戶展現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的實(shí)體設(shè)備的全運(yùn)行周期過程。

數(shù)字孿生使工廠與信息化交互和融合，創(chuàng)建了虛擬工廠的運(yùn)作模式，從而實(shí)現(xiàn)了利用智能化輔助工業(yè)的生產(chǎn)操作；它更有益于我們能夠在屏幕上看到實(shí)際工業(yè)中可能發(fā)生的情況，對(duì)信息的組織方式要求得更加直觀可視化，易于語(yǔ)義理解，便于交互溝通，從而更加安全有效地完成工業(yè)工程設(shè)計(jì)任務(wù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 3D虛擬工廠建模

3D虛擬工廠建模是數(shù)字孿生的重要組成部分，當(dāng)前3D虛擬建模方式主要包括基于三維軟件直接建模、基于數(shù)據(jù)捕獲的三維空間掃描建模、基于標(biāo)準(zhǔn)虛擬模板的參數(shù)化建模方式。我們常用于前兩種：

（1）用三維軟件直接建模是基于采集到二維數(shù)據(jù)或者圖片，運(yùn)用三維軟件來操縱虛擬空間中的點(diǎn)、線、面、體以形成虛擬對(duì)象。這些虛擬對(duì)象被映射到三維空間中，并多以三邊或四邊面的形態(tài)連接，從而形成的對(duì)象會(huì)繼續(xù)使用網(wǎng)格變形或以其他方式處理頂點(diǎn)手動(dòng)創(chuàng)建完成。

（2）三維空間掃描建模有激光掃描建模、深度相機(jī)掃描建模、相機(jī)掃描建模和光場(chǎng)掃描建模四種方式，基本是采用結(jié)構(gòu)光測(cè)量方式，利用立體相機(jī)測(cè)量原理，獲取完成三維數(shù)據(jù)。這個(gè)多用于大型場(chǎng)景，但使用精度不夠，掃描出來的模型還需要二次修復(fù)及優(yōu)化才能達(dá)到精準(zhǔn)的三維虛擬模型。

在三維軟件中可進(jìn)行工業(yè)模型材質(zhì)賦予、效果圖渲染、烘焙貼圖、細(xì)化模型等操作，并對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化，使得3D虛擬模型更貼近現(xiàn)實(shí)。

2.2 三維模型轉(zhuǎn)換

針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的三維建模設(shè)計(jì)，使用的建模軟件有所差異，常使用的三維軟件有UG、solidworks、3ds Max以及Maya。在三維軟件的選擇上我們需要有所取舍，因?yàn)椴煌浖袷叫枰煌哪Ｐ徒馕銎鞑寮?，如工業(yè)中常使用的solidworks模型解析后也會(huì)存在一種中間格式“stl”，保存了模型的結(jié)構(gòu)信息，還需要二次解析最終以“fbx”格式統(tǒng)一儲(chǔ)存，但由于工業(yè)場(chǎng)景通常尺寸較大，兩次轉(zhuǎn)換后模型面數(shù)非常高，加劇計(jì)算機(jī)的負(fù)荷，影響軟件運(yùn)行速度。這種情況下可以選擇3dsmax建模軟件，并使用單面建模方式，模型可直接轉(zhuǎn)化為“fbx”格式，在前端可以直接讀取3dsmax模型、燈光和材質(zhì)，為后期實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游功能提供有利條件。

2.3 三維虛擬工廠數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)

將三維工業(yè)模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)展示平臺(tái)中，進(jìn)行實(shí)時(shí)渲染，用戶可以在系統(tǒng)中瀏覽查看各種設(shè)備的屬性信息，同時(shí)讀取計(jì)算產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及場(chǎng)景展示。前端在Unity系統(tǒng)框架的加持下，PLC設(shè)備系統(tǒng)、采集服務(wù)器、應(yīng)用程序三方相連，從而獲取工業(yè)真實(shí)數(shù)據(jù)可在三維虛擬工廠中實(shí)時(shí)讀取，設(shè)備號(hào)的綁定也可實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)在三維虛擬工廠的精確映射。

3 數(shù)字孿生的工業(yè)美學(xué)

在以往數(shù)字孿生設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會(huì)弱化工業(yè)美學(xué)設(shè)計(jì)，我們不能僅僅讓實(shí)體設(shè)備與虛擬工廠連接，將一堆虛擬模型隨意擺放在前端設(shè)備中，那么如何觀察實(shí)時(shí)情況和展現(xiàn)數(shù)字孿生方式就需要融入工業(yè)美學(xué)的設(shè)計(jì)。工業(yè)美學(xué)設(shè)計(jì)有兩方面的呈現(xiàn)：UE（User Experience）設(shè)計(jì)—用戶體驗(yàn)設(shè)計(jì)和UI（User Interface）設(shè)計(jì)—視覺設(shè)計(jì)[3]。

3.1 用戶體驗(yàn)性

在數(shù)字孿生中用戶體驗(yàn)性不僅要以用戶為中心，收集用戶數(shù)據(jù)，分析用戶習(xí)慣，制定系統(tǒng)體系，增加用戶的工作效率，減少用戶的犯錯(cuò)概率，還需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)，通過多種原型設(shè)計(jì)方案+算法，對(duì)不同層級(jí)的用戶進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，搭建前臺(tái)、中臺(tái)、后臺(tái)三部分，形成搭建生產(chǎn)閉環(huán)（如圖1）。

（1）前臺(tái)是由設(shè)計(jì)師與前端共同搭建，用代碼的形式將視覺樣式翻譯出來；

（2）中臺(tái)是由物理設(shè)備進(jìn)行的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以傳輸?shù)男问教峁┙o用戶方；

（3）后臺(tái)是由用戶方、運(yùn)營(yíng)師、設(shè)計(jì)師共同解讀數(shù)據(jù)安全性、畫面布局樣式與功能的智能化是否完善。

不同的業(yè)務(wù)需求可以通過后臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)直觀地看到設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)的用戶畫像，也可以看到對(duì)不同設(shè)計(jì)方案的敏感度，這樣既降低了多方的溝通成本，也增加了用戶體驗(yàn)這一性能。

3.2 數(shù)字孿生的視覺設(shè)計(jì)

在數(shù)字孿生視覺設(shè)計(jì)中，首先需要確定主視覺設(shè)計(jì)風(fēng)格，其次需要重點(diǎn)突出智能化主體，在宏觀的視角，采用大型區(qū)域工業(yè)場(chǎng)景來展現(xiàn)平臺(tái)屬性，通過不同圖層來展示三維虛擬場(chǎng)景，最終還需融合了多方元素形成視覺統(tǒng)一[4-5]。在視覺統(tǒng)一性的基礎(chǔ)上還要考慮美學(xué)原理：

（1）對(duì)比律：對(duì)比能讓主要信息一瞬間跳躍在眼前，一個(gè)頁(yè)面中層級(jí)需要控制在4-6個(gè)；

（2）接近律：人們對(duì)相似物體都有感知，根據(jù)它們各部分類型狀態(tài)而組合在一起的。每一部分越相似組合的可能性越大，設(shè)計(jì)當(dāng)中分割的四個(gè)工具：間距最大、分割線次之、分割條再次之、卡片；

（3）相似律：在設(shè)計(jì)中要在色彩、字體、控件、圓角、圖標(biāo)等方面運(yùn)用相似定律，但在形式上有所區(qū)分，防止相同的流程決策影響用戶使用；

（4）閉合律：閉合律是指視覺具有聯(lián)想作用，因此大腦會(huì)將元素聯(lián)系成一個(gè)整體，這樣會(huì)更便于理解。設(shè)遵循閉合原理可以減少大腦主動(dòng)聯(lián)想閉合時(shí)間，直接提升用戶的視覺體驗(yàn)感。

4 數(shù)字孿生的應(yīng)用實(shí)例與美學(xué)效應(yīng)

由于智能化工廠需求的不斷升級(jí)，中國(guó)某企業(yè)新建原料廠，該項(xiàng)目的二級(jí)系統(tǒng)采用數(shù)字孿生技術(shù)改進(jìn)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。由一次料場(chǎng)、混勻系統(tǒng)、燒結(jié)供料系統(tǒng)、高爐供料系統(tǒng)、汽車卸料系統(tǒng)、火車卸料系統(tǒng)六部分以及輔助設(shè)施組成，首先在原料廠的二級(jí)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中根據(jù)設(shè)備CAD圖紙和現(xiàn)場(chǎng)采集照片，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行了對(duì)料場(chǎng)布局規(guī)劃，完成了堆取料機(jī)、取料機(jī)和翻車機(jī)室（火車車廂、翻車機(jī)）、燒結(jié)和高爐配料倉(cāng)及卸料小車等設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，用3dsmax對(duì)其進(jìn)行了三維虛擬模型建立（如圖2），在設(shè)計(jì)階段采用了多學(xué)科協(xié)同操作原理，使得機(jī)械、電器、自動(dòng)化協(xié)同操作，及時(shí)反饋和修正虛擬模型。在虛擬模型建立完成后，又運(yùn)用路徑變形和曲線編輯器模擬出火車?yán)锓嚈C(jī)室卸料和汽車卸料的仿真動(dòng)畫，達(dá)到了很好的運(yùn)行效果。

在物理料場(chǎng)運(yùn)行過程中，所有設(shè)備數(shù)據(jù)通過PLC控制器，經(jīng)過OPC UA協(xié)議，經(jīng)過通訊服務(wù)，傳送給虛擬料場(chǎng)。虛擬料場(chǎng)可以調(diào)度出實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)物理料場(chǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真優(yōu)化分析，并對(duì)物理料場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控。通過物理料場(chǎng)與虛擬料場(chǎng)的動(dòng)態(tài)交互，可以及時(shí)地掌握相互的動(dòng)態(tài)變化并實(shí)時(shí)地做出響應(yīng)（如圖3）。

虛擬料場(chǎng)與工業(yè)美學(xué)相結(jié)合設(shè)計(jì)，通過用戶體驗(yàn)分析和數(shù)字孿生的特點(diǎn)，我們可以梳理出“智能”“數(shù)字化”等設(shè)計(jì)特性，“安全”“穩(wěn)定”等行業(yè)特性。所以我們將通過解構(gòu)與聯(lián)想的手法來拆解這些設(shè)計(jì)特性，用視覺方式來表達(dá)產(chǎn)品特性。例如：“智能”的關(guān)鍵詞可以轉(zhuǎn)化成顏色，聯(lián)想到所接觸的事物和影像場(chǎng)景中多是運(yùn)用青藍(lán)色或者明黃色來表達(dá)，繼而可以運(yùn)用這種方式從顏色、材質(zhì)、物品上的關(guān)聯(lián)聯(lián)想逐步推導(dǎo)轉(zhuǎn)化成為我們的主視覺設(shè)計(jì)。主頁(yè)界面設(shè)計(jì)用 8＊8 網(wǎng)格系統(tǒng)進(jìn)行布局，元素的外邊框、間距都是以 8 的倍數(shù)來設(shè)置，可以增加畫面的統(tǒng)一性。在顏色中為虛擬料場(chǎng)選用以普藍(lán)（R：9 G：32 B：63）和孔雀藍(lán)（R：0 G：209 B：203）設(shè)立為品牌主色，三維虛擬料場(chǎng)以天藍(lán)色（R:72 G：135 B：255）調(diào)為主色，周邊使用大片綠地將其包圍，在視覺上體現(xiàn)出足夠的層次感（如圖4）。工具欄以288px寬度分別置于畫面兩側(cè)，按鈕以半圓矩形狀態(tài)體現(xiàn)，不同的場(chǎng)景根據(jù)顏色可以完全區(qū)分，在1920＊1080px頁(yè)面里可以顯示料場(chǎng)里每個(gè)料棚的進(jìn)出庫(kù)情況和完成率，燒結(jié)配礦室、高爐配礦室、汽車受斜系統(tǒng)、火車受斜系統(tǒng)的工作量和當(dāng)前完成狀態(tài)，這不僅為了視覺上的美觀，更重要的是要做信息數(shù)據(jù)的分割與歸類，使得每一部分?jǐn)?shù)據(jù)可以精準(zhǔn)閱讀。

在用戶體驗(yàn)性上，為虛擬料場(chǎng)增加了機(jī)器人漫游功能和故障快速定位系統(tǒng)（如圖5），機(jī)器人的漫游功能設(shè)置為固定路線，使參觀用戶可以不進(jìn)入物理料場(chǎng)也可以看到物理料場(chǎng)的內(nèi)部情況，更有效減少事故發(fā)生概率和人員配置。故障快速定位系是當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)視器能迅速根據(jù)信號(hào)器檢測(cè)出故障位置，彈出報(bào)警彈框，在孿生系統(tǒng)中可以直接定位到具體位置，及時(shí)通知工程人員進(jìn)行檢修，為料場(chǎng)減少事故的發(fā)生作出了有力的貢獻(xiàn)。

5 總結(jié)

三維數(shù)字孿生技術(shù)作為一種新型技術(shù)備受業(yè)界所有人的關(guān)注和學(xué)習(xí)，本文融入工業(yè)美學(xué)設(shè)計(jì)理論，使得工業(yè)數(shù)字孿生無論是視覺上的感官體驗(yàn)還是實(shí)際操作上用戶體驗(yàn)都有了進(jìn)一步的提升，顯示了工業(yè)美學(xué)與科技的同等地位。目前，在全球范圍內(nèi)數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)工程上應(yīng)用還比較少，隨著工業(yè)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)的不斷融合和快速發(fā)展，相信未來數(shù)字孿生技術(shù)在智能制造領(lǐng)域的發(fā)展前景必然廣闊。