浅谈三维数字孪生在工业工程设计中的应用与美学

陈璐

（中冶东方工程技术有限公司，山东 青岛 266555）

0 引言

随着新一代ICT技术迅速发展，智能工业制造业的逐步推动，数字孪生与智能交互系统等概念成为了工业制造业的重要组成部分。工业设计原本是一个个繁琐而又复杂的设计系统，它包括主体工艺设备、周边建筑、管道线路系统等设计。而传统的作业模式即分散式作业模式通常采用二维平面绘制。绘制施工图文件和有关工程数据由设计人员各自分散掌握，无法实现设计的实时协作、资源实时共享与合并。除了协作困难，在传统的作业模式下，由于设计人员来自不同专业，协调配合难度大，错误、遗漏和缺失难以避免[1]。所以为了改善这些问题，三维数字孪生技术应运而生。当然在现代社会里无论是戏剧、音乐、舞蹈，还是建筑、工业和科技都需要以一种相对整体且富有内涵的形式呈现出来。而将数字孪生完美地展现出来，就需要工业美学设计的加入，以往的数字孪生技术只会注重技术支持而忽略工业美学的重要性。

所以本文将结合原料场案例，融入工业美学设计，以三维虚拟建模技术为基础，与工艺流程仿真模拟相结合，将传统的二维平面化设计改为三维空间化设计，打造新型原料场的三维数字孪生与仿真平台。

1 数字孪生在工业工程中的意义

所谓数字孪生（Digital Twin）就是利用物理模型通过传感器、运行历史等数据，集合多种工艺、多种物理量、多种概率的仿真模拟过程[2]，在计算机的虚拟空间中完成映射，从而以三维实体数字模型静态或动态的方式向用户展现相对应的实体设备的全运行周期过程。

数字孪生使工厂与信息化交互和融合，创建了虚拟工厂的运作模式，从而实现了利用智能化辅助工业的生产操作；它更有益于我们能够在屏幕上看到实际工业中可能发生的情况，对信息的组织方式要求得更加直观可视化，易于语义理解，便于交互沟通，从而更加安全有效地完成工业工程设计任务。

2 关键技术研究

2.1 3D虚拟工厂建模

3D虚拟工厂建模是数字孪生的重要组成部分，当前3D虚拟建模方式主要包括基于三维软件直接建模、基于数据捕获的三维空间扫描建模、基于标准虚拟模板的参数化建模方式。我们常用于前两种：

（1）用三维软件直接建模是基于采集到二维数据或者图片，运用三维软件来操纵虚拟空间中的点、线、面、体以形成虚拟对象。这些虚拟对象被映射到三维空间中，并多以三边或四边面的形态连接，从而形成的对象会继续使用网格变形或以其他方式处理顶点手动创建完成。

（2）三维空间扫描建模有激光扫描建模、深度相机扫描建模、相机扫描建模和光场扫描建模四种方式，基本是采用结构光测量方式，利用立体相机测量原理，获取完成三维数据。这个多用于大型场景，但使用精度不够，扫描出来的模型还需要二次修复及优化才能达到精准的三维虚拟模型。

在三维软件中可进行工业模型材质赋予、效果图渲染、烘焙贴图、细化模型等操作，并对周边环境进行优化，使得3D虚拟模型更贴近现实。

2.2 三维模型转换

针对工业领域的三维建模设计，使用的建模软件有所差异，常使用的三维软件有UG、solidworks、3ds Max以及Maya。在三维软件的选择上我们需要有所取舍，因为不同软件格式需要不同的模型解析器插件，如工业中常使用的solidworks模型解析后也会存在一种中间格式“stl”，保存了模型的结构信息，还需要二次解析最终以“fbx”格式统一储存，但由于工业场景通常尺寸较大，两次转换后模型面数非常高，加剧计算机的负荷，影响软件运行速度。这种情况下可以选择3dsmax建模软件，并使用单面建模方式，模型可直接转化为“fbx”格式，在前端可以直接读取3dsmax模型、灯光和材质，为后期实现场景漫游功能提供有利条件。

2.3 三维虚拟工厂数据实现

将三维工业模型导入到虚拟现实展示平台中，进行实时渲染，用户可以在系统中浏览查看各种设备的属性信息，同时读取计算产生的数据以及场景展示。前端在Unity系统框架的加持下，PLC设备系统、采集服务器、应用程序三方相连，从而获取工业真实数据可在三维虚拟工厂中实时读取，设备号的绑定也可实现设备状态在三维虚拟工厂的精确映射。

3 数字孪生的工业美学

在以往数字孪生设计中，经常会弱化工业美学设计，我们不能仅仅让实体设备与虚拟工厂连接，将一堆虚拟模型随意摆放在前端设备中，那么如何观察实时情况和展现数字孪生方式就需要融入工业美学的设计。工业美学设计有两方面的呈现：UE（User Experience）设计—用户体验设计和UI（User Interface）设计—视觉设计[3]。

3.1 用户体验性

在数字孪生中用户体验性不仅要以用户为中心，收集用户数据，分析用户习惯，制定系统体系，增加用户的工作效率，减少用户的犯错概率，还需要根据现场状态，通过多种原型设计方案+算法，对不同层级的用户进行功能设计，搭建前台、中台、后台三部分，形成搭建生产闭环（如图1）。

（1）前台是由设计师与前端共同搭建，用代码的形式将视觉样式翻译出来；

（2）中台是由物理设备进行的生产数据、存储数据以传输的形式提供给用户方；

（3）后台是由用户方、运营师、设计师共同解读数据安全性、画面布局样式与功能的智能化是否完善。

不同的业务需求可以通过后台数据监测直观地看到设计方案对应的用户画像，也可以看到对不同设计方案的敏感度，这样既降低了多方的沟通成本，也增加了用户体验这一性能。

3.2 数字孪生的视觉设计

在数字孪生视觉设计中，首先需要确定主视觉设计风格，其次需要重点突出智能化主体，在宏观的视角，采用大型区域工业场景来展现平台属性，通过不同图层来展示三维虚拟场景，最终还需融合了多方元素形成视觉统一[4-5]。在视觉统一性的基础上还要考虑美学原理：

（1）对比律：对比能让主要信息一瞬间跳跃在眼前，一个页面中层级需要控制在4-6个；

（2）接近律：人们对相似物体都有感知，根据它们各部分类型状态而组合在一起的。每一部分越相似组合的可能性越大，设计当中分割的四个工具：间距最大、分割线次之、分割条再次之、卡片；

（3）相似律：在设计中要在色彩、字体、控件、圆角、图标等方面运用相似定律，但在形式上有所区分，防止相同的流程决策影响用户使用；

（4）闭合律：闭合律是指视觉具有联想作用，因此大脑会将元素联系成一个整体，这样会更便于理解。设遵循闭合原理可以减少大脑主动联想闭合时间，直接提升用户的视觉体验感。

4 数字孪生的应用实例与美学效应

由于智能化工厂需求的不断升级，中国某企业新建原料厂，该项目的二级系统采用数字孪生技术改进规划设计方案。由一次料场、混匀系统、烧结供料系统、高炉供料系统、汽车卸料系统、火车卸料系统六部分以及辅助设施组成，首先在原料厂的二级系统在设计中根据设备CAD图纸和现场采集照片，在计算机中进行了对料场布局规划，完成了堆取料机、取料机和翻车机室（火车车厢、翻车机）、烧结和高炉配料仓及卸料小车等设备的数据采集，用3dsmax对其进行了三维虚拟模型建立（如图2），在设计阶段采用了多学科协同操作原理，使得机械、电器、自动化协同操作，及时反馈和修正虚拟模型。在虚拟模型建立完成后，又运用路径变形和曲线编辑器模拟出火车里翻车机室卸料和汽车卸料的仿真动画，达到了很好的运行效果。

在物理料场运行过程中，所有设备数据通过PLC控制器，经过OPC UA协议，经过通讯服务，传送给虚拟料场。虚拟料场可以调度出实时数据对物理料场的运行状态进行仿真优化分析，并对物理料场进行实时调控。通过物理料场与虚拟料场的动态交互，可以及时地掌握相互的动态变化并实时地做出响应（如图3）。

虚拟料场与工业美学相结合设计，通过用户体验分析和数字孪生的特点，我们可以梳理出“智能”“数字化”等设计特性，“安全”“稳定”等行业特性。所以我们将通过解构与联想的手法来拆解这些设计特性，用视觉方式来表达产品特性。例如：“智能”的关键词可以转化成颜色，联想到所接触的事物和影像场景中多是运用青蓝色或者明黄色来表达，继而可以运用这种方式从颜色、材质、物品上的关联联想逐步推导转化成为我们的主视觉设计。主页界面设计用 8＊8 网格系统进行布局，元素的外边框、间距都是以 8 的倍数来设置，可以增加画面的统一性。在颜色中为虚拟料场选用以普蓝（R：9 G：32 B：63）和孔雀蓝（R：0 G：209 B：203）设立为品牌主色，三维虚拟料场以天蓝色（R:72 G：135 B：255）调为主色，周边使用大片绿地将其包围，在视觉上体现出足够的层次感（如图4）。工具栏以288px宽度分别置于画面两侧，按钮以半圆矩形状态体现，不同的场景根据颜色可以完全区分，在1920＊1080px页面里可以显示料场里每个料棚的进出库情况和完成率，烧结配矿室、高炉配矿室、汽车受斜系统、火车受斜系统的工作量和当前完成状态，这不仅为了视觉上的美观，更重要的是要做信息数据的分割与归类，使得每一部分数据可以精准阅读。

在用户体验性上，为虚拟料场增加了机器人漫游功能和故障快速定位系统（如图5），机器人的漫游功能设置为固定路线，使参观用户可以不进入物理料场也可以看到物理料场的内部情况，更有效减少事故发生概率和人员配置。故障快速定位系是当机器出现故障时，监视器能迅速根据信号器检测出故障位置，弹出报警弹框，在孪生系统中可以直接定位到具体位置，及时通知工程人员进行检修，为料场减少事故的发生作出了有力的贡献。

5 总结

三维数字孪生技术作为一种新型技术备受业界所有人的关注和学习，本文融入工业美学设计理论，使得工业数字孪生无论是视觉上的感官体验还是实际操作上用户体验都有了进一步的提升，显示了工业美学与科技的同等地位。目前，在全球范围内数字孪生技术在工业工程上应用还比较少，随着工业大数据、物联网、人工智能、虚拟现实等技术的不断融合和快速发展，相信未来数字孪生技术在智能制造领域的发展前景必然广阔。