1、基于三维数字化工厂模拟运维仿真的模型轻量化研究李孟达，杜汉强，李庚，韩佳庚（唐钢国际工程技术有限公司，河北 唐山 ）摘要：在全球数字化发展趋势下，各大钢铁公司逐渐向智能工厂转型，为了在线实时模拟、监控生产运营过程，河钢唐钢启用智能化三维数字化工厂平台，在工厂及产线未投入使用前，就通过 建模、倾斜摄影、三维扫描成像等技术将工厂建筑、设备、管道、生产等进行仿真和模拟，即打造可视化数字孪生工厂，其中的重点就是建立工厂模型及轻量化，在保证真实效果的基础上提高下载和渲染速率。基于此，介绍了通过模型构件合并、模型减面算法、贴图代替复杂曲面等方式进行工厂轻量化建模，实现了在不影响模型展示及数据传送的前提下，
2、数字引擎平台能够流畅运转。关键词：三维数字化；模型；轻量化中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：项目概括随着我国工业化全面推进，为了对标国际先进生产水平的智能制造标准体系，各行业都在不断进行管理制度改革、技术革新、工程数据优化，从而实现生产效率的突破。近年来，在工业和信息化部、国家标准化管理委员会的推广下，国家智能制造标准体系指南稳步推进，明确了国家智能制造的行业应用标准、基础共性标准、关键技术标准。为积极响应国家政策，加快推进产业转型，年月，河钢唐钢在唐山市乐亭经济开发区正式运行，实现了由城市运营到沿海布局的历史性转变，从而在钢铁企业激烈价格战的过程中，沿海钢铁企业节省了大量的物流运输成本的
3、同时显著减小了物流运输导致的环境污染。河钢唐钢旨在打造绿色冶金工厂，通过数字化管控平台实现整个生产工艺流程的可视化管理，其作用主要有以下几点。（）在协同设计方面，企业管理、销售、工艺、制造等部门可在工厂平台浏览模型的同时，将自己的想法或建议以备注的形式放在设计文档中，并将信息反馈给设计人员，使其利用最短时间解决问题，避免频繁的会议，缩短研发周期，从而满足生产需求。（）在合同管理和各流程审批管理方面，工程管理人员可及时浏览并审核，提高工作效率。（）在三维干涉检查方面，不同专业联合设计导致三维模型互相干扰时，可通过平台呈现具体设备、管线装配过程中存在的问题，从而有助于各专业设计人员协调、配合，共同
4、处理关键问题。（）在指导三维装配和拆解上，可将含有详细数据信息的模型和设备拆解顺序动画发给车间相关负责人，使其可及时查看设备模型及配套的数据，指导完成设备装配及拆解，对装配效率会有极大的提升，而且还能用于年轻员电工技术人工智能与传感技术 工的入职培训。唐钢数字化工厂鸟瞰图如图所示，打造数字化孪生工厂最重要一步就是对各厂房的结构建筑模型及车间里错综复杂的设备、管线模型进行三维建模，通过 进行大量繁琐的重新建模、点面轻量化处理，从而实现智能化的全生命周期管理。图 数字化工厂鸟瞰图项目重点三维数字化工厂平台运营的背后需要大量复杂的图纸、三维模型、进度计划、声像资料和施工方案等数据做支撑，当庞大的模型
5、及数据叠加到数字化平台进行模拟和展示时，必然会对硬件设备性能要求极高，甚至再高的代价也很难满足设计者的要求，导致画面无法加载或者卡死，这将大大阻碍三维数字化工厂在管理、施工、运维、培训等方面的优势，为了整合多专业、多格式的模型数据，发挥孪生工厂平台的作用，研究建模及轻量化处理成为必然的趋势，本文主要以河钢唐钢原料场堆料机（实拍如图所示）为例，介绍轻量化建模方法。图堆料机实拍为更准确建立大机结构、内部细小设备、管线等精确三维模型，本文采用三维扫描成像技术和倾斜摄影技术建立基于点云的三维模型。由于大机外形复杂、各元器件连接比较细致，建立的三维点云模型点面多、构件多，这种模型在平台运行过程中传输量大
6、、渲染时间长，而且还会导致动作卡顿等现象，因此需要进行模型轻量化处理。对点云模型实施精简处理、同类构件合并、复杂构件表面重建、贴图代替等措施是实现模型轻量化的有效手段，但工作量较大，因此需要根据模型功能、精确程度、所展现数据程度的不同，进行不同程度的轻量化处理，重点模型、零件需结合以上技术手段重点处理，而与生产工艺流程不相关的模型进行部分优化即可。针对以上问题，本文对几类主要的轻量化处理技术进行研究分析，解决河钢唐钢原料场大机的三维点云模型点面复杂、数据量大的问题，实现三维数字化工厂平台的流畅运转。点云模型的构建及精简大机三维点云模型采用多渠道数据源建模方式，这种建模方法节省了大量的人力资源，
7、且数据真实准确、现场还原度高、信息全面覆盖。设计人员可结合 图纸对结构模型、基础模型、大机驾驶舱外轮廓等进行 建模，并应用地面三维激光扫描设备、倾斜摄影技术对内部设备、基础支架、传动装置等复杂模型建立精确模型。与传统的工程测量方法相比，三维激光扫描、倾斜摄影技术能在任何复杂的施工环境中对被测对象进行准确测量，并在最短时间内得到被测对象表面的三维坐标数据，为设计人员提供全面精准的现场数据资料，实现对大机全方位三维数字化建模。堆料机复杂的动作牵连很多部件及皮带机的机械动作，导致其对建模要求较高，形成的三维模型点面也十分庞大。三维扫描点云模型由大量点阵组成，每个点都具有位置信息和颜色信息，因此大量的
8、点阵形成了复杂的曲面结构，若不经过轻量化处理，其模型具备的详细色彩信息和点面曲面异构将会使模型面片数高达上千万点面，根本无法直接利用。本文提出基于三角面片的处理方法，对模型进行精简重构（外加其他辅助手段）。其基本思路如图所示。图三角面片精简方法通过以上方法得到的最原始复杂的三维模型，其格式一般由三角面片构成，首先需要将其转换为标准的三维点云格式，对点云进行精简优化，再将精简优化后的点云模型进行格式转换、二次封装，得到新的三维模型。众所周知，越光滑的曲面，其点面越多，点云精简的原理为通过调整曲率来控制点面数量。在曲率较低的部分，精简比例阈值可设置为；在曲率较高的部分，精简比例也适当降低；当曲率很
9、高时，精简比例阈值可设在。具体阈值可依据所需要的模型精确程度进行微调。通过这种精简方式可在尽量保证模型基本特性需求的基础上，通过阈值的调整对三角面片进行简化。模型的轻量化技术本文主要结合构件合并、复杂构件表面重建、贴图代替种方法对点云模型精简后的堆料机模型进行轻量化处理，使其满足三维数字化工厂平台的要求。即堆料机模型数据经过优化后，不影响模型信息的审阅；堆料机模型在经过简化后不会丢失重要的几何特征；三维数字化平台可根据模型大小及渲染效率判断是否需要对几何数据进行优化。人工智能与传感技术电工技术 构件合并堆料机的构件数量庞大，再加上三维激光扫描、倾斜摄影技术形成的点云模型依旧过于碎片化，如大机的
10、螺丝、螺母虽然体量不大，但数量众多，故形成大量的点云碎片，导致平台中的构件数量太多，从而降低计算机运行速度，影响渲染烘焙效果。本文应用 、建模软件对多个相同或相似构件进行整合，从而减少模型构件数量，根据生产工艺流程对模型的构件进行归类合并。逆向建模时通过捕捉大机的特征点匹配创建新的几何形体并对几何体进行参数设置，减少面片，统一选中同类型的物体，通过工具栏“塌陷”命令将其整合成一个整体的可编辑网格并右击转换为可编辑多边形。构件之间有太多零碎面片，点云模型在建模时也创建了多余的点面，使模型构件与构件之间的逻辑关系模糊。为了在工程应用中对模型构件进行编码，构件连接关系必须要明确，如机械大臂与转轴之间
11、的连接，车轮与平台之间的关系等，对有关系的模型选择后通过鼠标右键“附加”命令将其成组。复杂构件表面重建根据模型网格点面的分布状况，可通过表面重建进行减面处理，将点面模型表面的大量网格进行简化，能够使模型减面程度达到 以上。对于单独且无法合并的模型，可对模型构件进行减面处理，手动删除模型中没意义的点面，从而实现模型轻量化。通过研究，对三维扫描的大机曲面的表面进行重建，最原始的点面高达 万面，使用 网格处理系统对三维模型三角网络进行修改、合 并 和 删 减，使 其 面 角 度 减 少，线 角 度 减 少，在保留需要的几何特征和纹理映射的基础上，对构件进行减面，实现大机模型表面重建，生成后的模型三角
12、面片减面效果明显，且图形高度还原，如图所示。图通过表面重建处理前后对比上述 系统是一个开源、可扩展的系统，处理复杂构件的三维三角形点面效果较好，其主要原理是在基于点云的大机模型中，通过提取等值面，重新构造出具有相同几何形态的三角面片模型。本工程通过把处理后的点云模型通过 、格式导入 系统，利用泊松重建算法计算基于点云模型的法线；选中 文件，通过调整各项参数，从而控制模型点面的精细程度。采用贴图代替复杂曲面对于近乎平面形态、相对独立的模型可采用贴图代替其复杂曲面，如仪表数据显示盘、电气柜、柜的外表等。选择平面来代替微曲面构件，再通过拍照贴图来附加在平面上（如图所示），使其表现出复杂细微的凹凸纹理
13、、丰富色彩等形态，从而可较大程度减少此处场景的点面数，只不过应用范围相对较窄，需高精度或详细信息数据展示时无法达到真实效果，并且通过一般渲染技术也无法近距离实现真实的立体效果，为营造更真实的场景效果，需使用其他物理渲染技术，让模型具备凹凸纹理、丰富色彩及反光细节。图 通过贴图减少模型点面效果及总结三维模型轻量化处理是建立数字化工厂平台的基础工作，模型处理的质量直接关系到方案能否顺畅展示。原料场堆料机模型本身数据量大，更需要对模型进行轻量化处理。通过设计实践探索，得出轻量化方案，优化前的模型点数为 ，多边形面数为 ，轻量化之后模型点数为 ，多边形面数为 ，有效降低了模型数量级，提升了系统展示运行
14、效率，渲染速度也极大提升。当然，除了对模型进行轻量化，为提高运行速率，还可在显示平台进行轻量化显示，如遮挡剔除技术，在离视线近的范围内使用高精度模型，在离视线远的区域采用低精度的网格模型，也可研究边折叠算法实现简化算法，对模型剔除及批次合并实现模型优化，设计轻量化文件格式等众多轻量化方法实现轻量化。基于三维数字化工厂的轻量化技术，还需不断创新，搭建更完善的轻量化体系，因此还须进一步学习探索。参考文献 张峰峰 技术在大型冶金工程中的实际应用科技经济导刊，（）：陈前，王玮 模型轻量化及三维显示关键技术研究广东土木与建筑，（）：陈龙，郭军，张建中 三维模型轻量化技术 工矿自动化，（下转第 页）电工技
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