Введение

Цифровая трансформация промышленности все заметнее меняет подходы к проектированию, эксплуатации и обучению персонала. Если раньше информационные BIM-модели применялись преимущественно как инструмент проектирования и координации, то сегодня они становятся базой для гораздо более широкого круга задач. Одно из перспективных направлений — использование BIM-модели как основы для создания интерактивной VR-среды, в которой можно не только визуализировать здание или сооружение, но и взаимодействовать с ним, получать наглядные данные, обучать сотрудников и формировать элементы цифрового двойника производства.

В одном из наших проектов мы использовали информационную модель существующего производственного цеха для создания интерактивной VR-сцены. Задача была не просто показать объект в виртуальном пространстве, а сделать его удобным для осмотра, анализа и последующего применения в рабочих сценариях. В данной статье мы расскажем о нашем опыте создания VR-проекта реального производства на основе BIM-модели (информационной модели) здания.

Переход от BIM к VR: подготовка данных

Переход от BIM-модели к полноценной VR-среде представляет собой многоэтапный процесс, в котором исходная информационная модель последовательно адаптируется к требованиям иммерсивного взаимодействия. На практике проектная модель редко может быть перенесена в VR напрямую, поскольку она обычно создается под задачи проектирования, координации разделов и выпуска документации, а не под требования интерактивного отображения в реальном времени.

В нашем проекте мы использовали программу Unreal Engine 5.0 для создания интерактивной VR-модели реально существующего цеха. Элементы BIM-модели были экспортированы из программы Navisworks с помощью формата DataSmith с сохранением атрибутивной информации. BIM-атрибуты были преобразованы в метаданные («данные о данных»). Ряд моделей был конвертирован из универсального формата IFC.

Мы собрали все имеющиеся модели, а также проектную и рабочую документацию. В процессе подготовки BIM-модели мы удалили служебные модели (к примеру, зоны работы крана, зоны прохода), которые по задумке должны будут преобразоваться в реальные ограничители перемещения и цветовую разметку полов.

BIM для VR: обогащение данными

BIM-модель здания, как правило, не предусматривает таких элементов как дверные ручки, петли и информационные знаки. Такие элементы приходилось дорабатывать на этапе формирования VR-проекта. Были добавлены такие объекты как, информационные знаки, стенды, разметка пола, движущиеся конвейерные ленты и барабаны и многое другое.

Рис. 1. Дообогащение BIM-модели информационными знаками, пожарными извещателями

Рис. 2. Добавление движущихся элементов цепного конвейера для подачи балансов

BIM против VR: основные проблемы

BIM-модель в силу особенностей программ, в которой она разрабатывается, может содержать избыточную геометрию, дублирующиеся элементы, внутренние поверхности и недостаточно структурированные атрибуты. Для проектных задач это допустимо (не оказывает влияния на качество), но для VR-среды подобные недостатки быстро становятся критичными. В нашем случае мы использовали дополнение к Unreal Engine для полуавтоматической оптимизации геометрии. Однако, при высоких визуализационных требованиях (к примеру, если необходимо использовать модель для презентационных целей), необходимо привлечение 3D-дизайнера для работы в специальном графическом ПО.

Рис. 3. Упрощение геометрии (симплификация) модели крюка мостового крана

Дополнительный вызов связан с техническими ограничениями. Промышленные модели часто перегружены деталями и плохо подходят для стабильной работы в VR. Основной показатель быстродействия – так называемый FPS (Frame per second). Для качественного погружения необходимо обеспечить не менее 60 FPS. В противном случае, даже при качественной визуализации пользователь может сталкиваться с лагами, неудобной навигацией и снижением реалистичности взаимодействия. 

В случае, если модель будет использоваться на системе низкой производительности, была предусмотрена опция упрощения графики.

Рис. 4. Использование различных настроек качества изображения

VR: сценарии взаимодействия

После переноса модели в VR-среду начинается этап ее содержательного обогащения. Если BIM дает точную геометрическую и атрибутивную основу, то для полноценного иммерсивного восприятия этого обычно недостаточно. Пользователю необходимо не только видеть объект, но и понимать, как он функционирует. То есть VR-проект необходимо «обогатить» дополнительной информацией.

Первое направление обогащения связано с материалами и текстурами. Инженерные материалы BIM-модели далеко не всегда подходят для VR-восприятия, поэтому выполняется доработка поверхностей, освещения, визуальных характеристик металла, бетона, стекла, окрашенных конструкций и технологического оборудования. Это усиливает реалистичность и облегчает ориентацию в пространстве. Этот процесс в трехмерной графике носит название «UV-преобразование» или «UV-развёртка».

Также к статической модели добавляется модель «физическая» — естественные ограничители перемещения, модели соударений и т. п. С помощью физической модели (в нашем случае — модели «PhysX») можно действительно ходить по ступенькам, перемещаться по площадкам. Таким же образом мы сделали наглядную визуализацию процесса окорки. При этом для каждого баланса была создана физическая модель и была задана масса, коэффициент трения и прочие физические характеристики.

Рис. 5. Визуализация процесса окорки

Второе направление — добавление анимаций. В промышленной VR-среде особенно важны анимации технологических процессов: перемещение механизмов, работа конвейеров, открытие и закрытие арматуры, перемещение потоков сырья, последовательность операций обслуживания. Такие элементы переводят модель из статичного состояния в прикладной сценарий, понятный пользователю.

Третье направление — интеграция данных из различных источников. Если VR-среда создается не только для демонстрации, но и для задач мониторинга или развития цифрового двойника, в нее могут быть встроены данные с датчиков, параметры температуры, давления, загрузки оборудования, статусы работы узлов и другие показатели. В результате пользователь получает не просто трехмерную копию объекта, а динамическую информационную среду. 

В качестве базового примера можно привести BIM-атрибуты модели. В процессе экспорта они преобразуются в метаданные VR-объектов и могут быть также визуализированы по запросу пользователя.

Рис. 6. Визуализация метаданных объектов (BIM-атрибутов) в VR-проекте

Рис. 7. Добавление технической информации о насосах

В зависимости от целей проекта могут создаваться виртуальные пульты управления, информационные панели, интерактивные меню, карточки оборудования, сценарные кнопки запуска процессов, системы подсказок и обучающие маркеры. Например, в обучающем сценарии пользователь может последовательно выполнять технологические действия, получая инструкции и обратную связь.

Рис. 8. Инструкция по отключению насосного оборудования

Заключение

Переход от BIM к VR в промышленности следует рассматривать не только вспомогательный этап визуализации, а как закономерное направление развития информационного моделирования в условиях цифровой трансформации производства. В примерах выше показана лишь только малая часть возможностей применения VR-решений.

Вне зависимости от сценария и методов применения практическая ценность VR-решений напрямую определяется качеством исходной BIM-модели. Именно полнота, структурная согласованность, корректность геометрии и атрибутивная насыщенность модели обеспечивают возможность создания достоверной, устойчивой и функциональной виртуальной среды.

Качественная BIM-модель является ключевым условием формирования реалистичного VR-пространства, пригодного для практического применения. В отличие от демонстрационных трехмерных сцен, такая среда может использоваться для обучения и аттестации персонала, проверки эксплуатационных сценариев, визуального анализа производственных процессов, а также как основа для дальнейшего развития цифрового двойника предприятия.