基于BIM擴展MBD的智能工廠虛實融合應用研究*

李 杰，肖 成，張 浩，曹志月

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

0 引言

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

目前，在多品種大批量混線加工的智能工廠中，基于多維融合的數字化生產線智能化仿真模型的構建和重構已經成為了迫切需求。在仿真模型建立的過程中，會涉及到混線加工生產過程中存在的實體單元，它的數據是全要素、全流程、全業務的，而且具有多源異構、高維、動態等特點。基于以上數據的特點，使得現有的仿真應用中多層次多維度模型的智能構建和重構研究面臨困難。

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

本文主要研究了基于BIM制造環境的三維仿真模型構建方法，并提出通過擴充MBD模型對仿真模型進行數字化的定義和表達，建立能夠完整反映智能工廠制造環境、制造設備和制造過程的一致性數據模型，實現數據的關聯、交換、融合和共享應用。

1 基于BIM擴展MBD模型技術

1.1 BIM與MBD技術簡介

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字化集成，它應用于三維模型的創建、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，信息與對應的三維模型互相關聯，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據庫，在項目實施的全生命周期內，給予準確有效的信息支持[7]。針對產品生產制造過程，利用BIM技術三維模型創建功能可以創建出制造環境、制造設備等多方面信息的三維立體模型，其所有的專業信息數據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品制造信息及流程進行實時查看。

MBD即基于模型的數字化定義技術是一種先進的數字化定義方法，它將產品所有的相關工藝描述、產品屬性以及相關管理等信息附著在建立的三維模型中[8-10]。MBD技術將三維實體模型作為生產制造過程中的唯一依據，在MBD模型上詳細規定三維實體模型的生產制造信息[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品的幾何信息和非幾何信息。

1.2 擴展模型技術應用必要性

傳統MBD技術在運用MBD模型指導生產制造進行裝配工藝流程規劃時，往往僅限于產品模型幾何信息及非幾何信息之間的傳遞,缺乏與制造環境、制造過程之間的數據關聯，在產品設計的全生命周期管理中，產品數據、工藝數據與制造環境數據、制造設備數據之間的信息分割會極大影響產品設計制造管理的版本管理、更改管理和有效性管理，因此對MBD模型進行制造環境和制造過程相關數據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備、環境、過程融合的智能化制造轉型，對此BIM可以提供有效的技術支撐[12-14]。

2 BIM擴展MBD模型數據內容

MBD模型包含了設計、制造和分析信息，但就工藝規劃生產線重構而言，生產線重構屬于裝配工藝的范疇，不涉及零件模型本身的拓撲結構的改變，僅僅是零組件方位發生變化[15，16]。因此，MBD模型中的一部分數據并無直接應用價值，需根據實際生產需要，簡化MBD模型構建工藝三維模型，從而實現設計BOM到工藝BOM的轉換。同時，生產線裝配存在很多中間環節，需根據工藝過程構建一系列工藝過程模型。

在挖掘工藝過程模型與設計模型之間的數據關聯時，一方面并沒有涉及工藝過程模型與制造設備、制造環境之間的數據關聯；另一方面，制造設備、制造環境數據對生產線重構以及工藝流程三維布局設計也會產生影響。于是，分別從制造設備數據擴充和制造環境數據擴充兩個方面進行MBD數據模型擴充，如圖1所示。

圖1 BIM擴充MBD數據模型內容

2.1 制造設備數據擴充

制造設備數據擴充主要為實現BIM設備數據與MBD數據模型的關聯，研究以制造設備三維幾何模型為基礎，建立工程信息數據庫，將數據庫信息與MBD模型數據相應節點進行關聯。制造設備數據擴充具體實施如圖2所示。

圖2 制造設備數據擴充實施路線

首先，基于BIM技術建立工藝裝配各流程涉及的制造設備三維幾何模型，并為模型提供完整的與實際情況一致的工程信息數據庫，這些數據包括制造設備的三維幾何屬性、運行程序和運行狀態信息。三維幾何屬性包含設備的幾何實體信息、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，在針對重構裝配線各種可能重構構型的三維布局設計時具有重大影響。設備運行程序即為面向不同產品的制造操作程序，涉及到進行多類型生產任務自調度時設備程序的匹配及工藝參數自優化問題。設備運行狀態如設備的利用率、設備的運行時間、設備的維修檢查信息都與智能裝配過程中生產線系統運行息息相關。

其次，針對設備虛擬裝配仿真干涉檢查等，進行三維模型數據的提取，由于BIM模型規范與MBD技術規范之間的差異，對BIM中提取的三維模型數據進行必要的解析和轉換，同時根據語義對象建立與MBD模型數據的相應節點的關聯，與MBD模型數據進行融合。

最后，針對多類型生產任務自調度及工藝參數自優化涉及到的設備運行程序的改變，將工程信息數據庫內的程序與MBD工藝流程模型屬性數據鏈表節點進行映射，實現多類型生產任務程序切換自調度。針對裝配過程中裝配質量問題，將制造設備實時運行狀態數據根據BIM國際標準進行標準化解析，與BIM相應設備模型進行映射，實現設備狀態的監測與管理。

2.2 制造環境數據擴充

制造環境數據擴充以生產線環境三維幾何模型為基礎，進行生產環境空間上的定位，根據語義對象進行幾何信息的關系映射模型構建，為生產線重構三維布局提供約束。制造環境數據擴充技術路線如圖3所示。

圖3 制造環境數據擴充技術路線

首先，基于BIM技術建立整個與實際情況一致的生產線環境三維幾何模型，包括車間以及固定的工裝設備、傳送帶、人行通道等，從空間上對生產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，可為生產線三維布局提供細節上的規劃。其他的結構分布如人行通道等的分布信息，可進一步對產線的布局進行細致劃分，為重構裝配線各種可能重構構型的三維布局設計提供約束。

其次，對生產線環境三維幾何模型數據進行解析，提取相應的三維幾何信息，并根據MBD模型標準規范，在MBD模型結構基礎上，構建語義對象建立映射關系模型，完成屬性的定義分類。

最后，將分類的制造環境數據與生產線終檢工序模型數據節點進行融合，為重構裝配線各種可能重構構型的三維布局設計提供空間上的約束。

3 BIM擴展MBD模型實現

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

(1) 基于BIM建立虛擬的制造環境三維模型，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境構件的幾何信息、專業屬性及狀態信息，還包含了非構件對象(如空間、運動行為)的狀態信息。

(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境、制造設備和制造過程的一致數據模型，并實現數據的關聯、交換、融合和共享應用。

模型構建內容如圖4所示，所構造的整體系統功能架構如圖5所示。

圖4 模型構建內容

圖5 系統功能架構

4 結論

本文基于BIM模型技術創建處理制造設備和制造環境等多方面信息的三維立體模型。同時，由于MBD模型包含了設計、制造、分析等信息，在此從制造設備數據擴充以及制造環境數據擴充兩方面進行了MBD數據模型的擴充。擴充后的模型具有制造設備、環境、過程融合清晰且生產過程數字化的特點。

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