基于VR技术的船厂分段堆场数字资产管理系统开发

王 真，郑鹏飞，丁炜杰，俞凌云，何 迪，邱宇舟

（中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063）

管理现代化

基于VR技术的船厂分段堆场数字资产管理系统开发

王 真，郑鹏飞，丁炜杰，俞凌云，何 迪，邱宇舟

（中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063）

以基于模型的企业（Model-Based Enterprise，MBE）为理论基础，采用虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）和数据库技术，结合国内某船厂的资产管理应用实例，在三维可视化环境中开发船厂分段堆场数字资产管理系统。该系统不仅可为管理者提供统一、高效的实时动态数据查询与决策依据管理平台，还能为覆盖船厂设计、建造及运营阶段的全生命周期的业务打下技术基础。

基于模型的企业；虚拟现实技术；资产管理；可视化；Unity3D

0 引 言

随着国内船厂逐步朝数字化、智能化制造方向发展，对船厂基础设施和主要设备等资产的管理手段的要求越来越高。传统的船厂资产管理存在以下问题：

1) 管理形式以人工台账为主，数据查找困难、沟通效率低下；

2) 车间层和管理层之间存在“数据孤岛”，管理人员无法实时获取生产现场的生产数据。

基于模型的企业（Model-Based Enterprise，MBE）是一种制造实体，利用产品和过程模型来定义、执行、控制及管理企业的全部过程，以便在产品生命周期管理（Product Life-Cycle Management，PLM）中的各个环节做出最佳决策[1]。船厂分段堆场数字资产管理系统以MBE为理论基础，以国内某船厂为实例依托，结合虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术，开发三维资产管理可视化平台，实现生产过程的“所见即所得”。通过开发该系统，不仅为企业提供一个高效、直观、智能的资产管理系统平台，而且也为船厂运营阶段的可视化管理打下技术基础。

1 船厂分段堆场数字资产管理系统设计

1.1 系统介绍

船厂分段堆场数字资产管理系统是一个完全三维表现的可视化管理平台，采用独特的数据结构和表现方式，方便与船厂现有的管理信息系统集成，可弥补传统三维仿真技术在空间分析、面向对象管理和信息查询等方面的不足。在三维空间中，所有的物体均以对象的方式管理，具有相关属性信息，并与数据库实时对接；所有的数据实时与管理信息系统、数据库集成，动态反映在三维模型上；船厂使用的各个子系统的数据集中到一个平台上，实现全方位的统一管理，彻底消灭船厂管理层与车间层及各子系统之间的“数据孤岛”，最大限度地发挥各子系统的功能和投资效用，从而提高船厂的生产效率。系统的主要特点如下。1.1.1 直观、准确地进行空间定位

采用VR技术可准确地对分段进行空间定位。船厂采用北斗数据采集和无线射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术，将堆场和分段的空间位置信息采集到后台关系数据库中；数字资产管理系统实时获取数据库中的信息，在VR环境中对采集到的数据进行解析和开发，参数化生成堆场和分段的三维模型，做到虚拟环境中堆场和分段的运行状态与物理世界一一对应。与传统的先在其他三维软件中建立好三维模型再导入VR环境中的方式相比，该模型生成方式更加灵活、直观，空间定位也更加准确。

1.1.2 实时反馈生产信息

该系统可随时接收分段编码、堆场状态、操作人员状况及物流流向等生产现场反馈的信息，并将其及时、准确地附加在模型对象上；系统接收到信息之后会立即定位到该堆场和分段，通过采用不同亮度和颜色显示的方式为决策支持快速提供依据。

1.1.3 资产属性高效查询

在对堆场和分段进行查询时，用户既可通过直接点选三维模型得到堆场和分段的各种属性及其空间位置信息，又可通过系统查询功能模块模糊检索，逐级进行船舶工程编号、分段号的属性信息查询，并将查找对象在三维场景中高亮显示。

1.2 系统架构

船厂分段堆场数字资产管理系统平台在逻辑上分为三级构架：

1) 最底层是网络层，包含服务器、计算机终端及网络接口协议等各种硬件基础；

2) 中间层是数据层，是整个资产管理系统的数据来源，是操作执行和数据分析的基础，内含分段基础属性数据库、分段物流属性数据库、场地基础属性数据库、场地物流属性数据库和平板车属性数据库等；

3) 最上层是应用层，用于对堆场和分段空间位置及生产数据进行统一管理，同时作为信息数据与三维可视化模型的接口，将资产管理数据与空间信息对接，包含场地可编辑系统、分段物流仿真系统和调度算法系统等子系统。

图1为系统架构图。

1.3 开发环境

船厂分段堆场数字资产管理系统是一款基于开源.net（即Mono.net）的组件化三维引擎，主要基于Unity3D开发，对编辑器、跨平台发布、地形编辑、着色器、脚本、网络及物理等特性进行全面整合，具有开发效率高、运行稳定等特点；此外，其还拥有对DirectX和OpenGL高度优化的图形渲染管道，开发者可将开发程序发布为.exe执行文件提供给用户[2]。表1为数字资产管理系统主要开发环境。

图1 系统架构图

表1 数字资产管理系统主要开发环境

2 基于VR技术的船厂数字资产管理系统开发

2.1 数据库开发

数据是数字资产管理系统分析和执行的基础，该系统与后台Oracle关系数据库对接，实现系统数据接口开发及数据解析功能。图2为系统数据库示意。

Oracle数据库是第一个完整的关系型数据库，在数据安全性和数据完整性方面具有优越的性能，并具有跨越操作系统、多硬件平台的数据互操作等特点，广泛应用于大型企业的数据后台处理系统中。PL/SQL是Oracle公司开发的一种结构化编程语言，可用其实现表数据查询、修改、更新及对数据库的复杂访问等控制[3-4]。

2.2 Unity3D连接Oracle数据库

Unity3D引擎是基于Mono.net的开源平台，若要在Unity3D中实现对Oracle数据库的访问，首先需 将 Mono 目 录 下 的 System.Configuration.dll， System.Data.dll， System.Data.oracleClient.dll，System.EnterpriseServices.dll和System.Security.dll编译到Unity-＞Assets-＞Plugins文件目录中（图3为项目文件组织形式），并在C#程序中添加System.Data.OracleClient引用文件。图4为Unity连接Oracke数据库的部分代码。

图2 系统数据库示意

图3 项目文件组织形式

图4 Cnity连接Oracle数据库的部分代码

2.3 网格拆分法参数化生成模型

船厂结合北斗坐标测量与RFID技术采集堆场和分段坐标信息，并将其上传至后台数据库中。在系统初始化时，需对这些坐标信息进行解析并在虚拟环境中参数化生成堆场和分段模型，实时跟随获取的数据进行动态更新、更改。这是系统开发要解决的关键技术之一。所有空间模型都是由许多网格面组成的，而网格面又由多个三角形组成，因此求得三角形的顶点坐标及组成顺序即可生成不同的网格面。采用网格拆分法，使用数组mesh.vertices存储三角形顶点坐标。当顶点数超过3个时，连接点的顺序不同，绘制的图形形状也不同，须使用数组mesh.triangles记录连接三角形的顺序。绘制n个三角形需知道3n个点的顺序，即数组mesh.triangles的长度是3的倍数。因此，在进行程序开发时，需满足以下几个条件：

1) mesh网格顶点个数为三角形个数+2；三角形顶点个数为三角形个数的3倍。

2) 为降低算法的复杂度，保证顶点创建顺序是顺时针或逆时针；

3) 为正确绘制以顶点为边界点的图形，顶点绘制顺序与创建顺序统一；

4) 为创建好的网格面添加核心组件Mesh Renderer（网格渲染器）和Mesh Filter（网格过滤器）。

图5为使用网格拆分法参数化生成堆场模型的部分实现代码。

2.4 UI开发

用户界面（User Interface，UI）开发是系统开发中不可缺少的一个环节，Unity为开发者提供较为完善的图形化交互界面（Graphical User Interface，GUI），运行效率远高于低级界面（手动实现）。GUI高级界面的种类有很多，包含Label（标签）、Button（按钮）、TextField（输入框）和 ToolBar（工具栏）等。此外，Unity还为开发者提供OnGUI（）系统方法，可供其用Javascript和C#语言对UI进行交互功能的开发，以达到预期开发效果。图6为UI开发[5]。

图5 使用网格拆分法参数化生成堆场模型的部分实现代码

图6 UI开发

2.5 系统维护

主要对系统的安全、数据进行处理，包括用户管理、权限管理、数据备份和恢复等。

1) 用户管理：增加、修改、删除使用系统的用户。只有用户列表中的用户才能进入系统，这样可有效防止非法用户进入到系统中破坏或盗取数据。

2) 权限管理：对用户列表中的用户赋予权限，使其能进行权限内的操作，同时防止其修改或查看不应知道的数据和信息，增加系统的安全性，保证数据的准确性。

3) 数据备份和恢复：当数据因意外或某种原因出现错误时，用户可通过备份的数据进行恢复，保证系统正常运行。

3 上海某船厂应用实例

以上海某大型船厂的应用实例为依托进行相关研究。在对该船厂进行调研时发现，相关部门缺少有效的分段堆场管理手段，管理方法落后，如以人工台账为主；此外，无法在管理控制室内实时获取生产现场的生产数据（如在建分段属性信息、场地利用率信息及平板车使用信息等），导致车间层与管理层之间存在“数据孤岛”。结合船厂的实际需求及其存在的问题，开发基于VR技术的船厂分段堆场数字资产管理系统，并进行多次测试反馈及系统完善工作。目前，该系统已成功应用到分段堆场的资产管理工作中，与传统的分段堆场管理形式相比，更加智能和直观，可扩展性强。系统分段仿真场景见图 7。在船厂使用过程中，提出可在该系统目前模块功能的基础上开发能源管控模块、设备资产管理模块及故障维护模块等，与船厂的设备能源管理对接。

4 结 语

图7 系统分段仿真场景

以上海某船厂为实例，针对其传统资产管理方式存在的不足，开发满足船厂使用需求的分段堆场数字资产管理系统。目前该系统已成功应用于分段堆场资产管理工作中，在可视化、智能化方面都大大优于传统的资产管理方式，可实现对资产的可视化管理。在制造业服务化市场趋势下，可将该系统推广至国内更多船厂使用，进而使国内船厂把以模型来定义、执行和管理的理念应用于船厂生产运营的各个领域，帮助其向MBE转型。

[1] 顾新建，顾巧祥，祁国宁. 基于模型的企业（MBE）[J]. 成相技术与生产现代化，2014 (2)∶ 1-6.

[2] 吴亚峰，于复兴. Unity3D 游戏开发技术详解与典型案例[M]. 北京：人民邮电出版社，2012.

[3] 赵笑声. ORACLE数据库应用从入门到精通[M]. 北京：中国铁道出版社，2016.

[4] 张利利，李仁义，李晓京，等. Unity3D与数据库通信方法的研究[J]. 计算机技术与发展，2014 (3)∶ 229-232. [5] 宣雨松. Unity3D游戏开发[M]. 北京：人民邮电出版社，2012.

Development of Digital Asset Management System for Shipyard Block Stock Based on VR Technology

WANG Zhen，ZHENG Peng-fei，DING Wei-jie，YU Ling-yun，HE Di，QIU Yu-zhou
（China Shipbuilding NDRI Engineering Co., Ltd., Shanghai 200063, China）

This study developed a digital asset management system for shipyard block stock in 3D visualization environment with Virtual Reality (VR) technology and database technology on the basis of Model-Based Enterprise (MBE) theory, where a domestic shipyard was taken as the example. The system not only provides the managers with a unified, highly efficient, real-time platform for dynamic data inquiry and decision making, but also lays a technological foundation for the life-cycle management regarding shipyard design, construction and operation.

MBE; virtual reality technology; asset management; visualization; Unity3D

U673.2

A

2095-4069 (2017) 02-0067-05

10.14056/j.cnki.naoe.2017.02.012

2016-06-16

王真，女，助理工程师，硕士，1988年生。2014年毕业于江苏科技大学船舶与海洋工程专业，现主要从事数字化仿真及虚拟现实开发。