基于3D MAX的自来水厂生产设施布局仿真设计开题报告

1. 研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1本课题所设计的主要内容

本文主要研究基于3D MAX的自来水厂生产设施布局仿真设计，根据这一题目主要任务如下了解3DMAX仿真软件;了解系统布置设计（SLP）的原理和方法;了解自来水的生产流程;分析某自来水企业的生产设施布局现状基于3D MAX仿真软件对该企业的生产车间进行设计建模。

2.2本课题所设计的技术方案

2.2.1水厂仿真所使用的开发平台

对物体进行三维建模采用3DsMax方式，具有模型精度高、渲染效果逼真等特点;Unity3D平台可减少底层实现的开发，具有开发量少、系统通用性强、跨平台发布等特点，因此本文采用3DsM ax Unity3D这种方式进行基于3DMAX的自来水厂生产设施布局仿真设计与开发。

2.2.1.1建模软件

3DsMa与同为3D建模软的Maya相比，简便而强大的建模、高端渲染(可与V-Ray、 Iray 等主流的渲染器配合使用)、高效的三维动画、灵活的互操作性(可与Revit、Inventor、 Unity 及Unreal等结合使用)等特性吸收了全世界上百万设计师的喜爱。在软件的迭代更新中，不断有新功能发布，使得3DsMax被广泛地应用于影视、室内设计、工业设计等领域。

2.2.1.2仿真平台

Unity3D作为专业游戏引擎之一,被作为虚拟现实开发工具广泛地应用制造、军事、航空等高端领域.Unity3D并不是唯一的虚拟现实开发工具，与Quest3D、Vrtools、Unreal 以及Eon 等虚拟现实开发工具类似，都是运用交互式的图形化开发环境，可用于游戏开发、虚拟场景的构建等。这些虚拟现实平台的功能对比见表1

通过比较可知，UnrealEngine (UE)与Unity3D功能相差不大，是开发VR的主流引擎。相比而主，Unity3D相对比较轻便，而UE则是属于重量级的。Unity更适合程度开发者，UE更适合对于动画、美术感兴趣的设计师。

Unity3D是基于组件的游戏引擎，内置PhysX引擎、丰富的Shader、粒子系统、灯光烘焙、碰撞检测等组件，使用Unity开发容易上手且画面效果逼真、实.时性好。因此选用Unity3D引擎作为制造单元仿真系统的开发平台。

2.2.2建模优化技术

2.2.2.1贴图技术

在开发基于3D MAX的自来水厂生产设施布局仿真设计的过程中，为了加快系统的渲染速度，主要使用光照贴图的烘焙和法线贴图来对场景和模型进行渲染优化。下面介绍详细地介绍光照贴图的烘焙和法线贴图的使用。

1.光照贴图的烘焙

光影效果在虚拟场景中是十分重要的，用来增强画面的真实感。在仿真系统的开发过程需要加入很多光源来提高场景画面质感，但是若是每次都实时地计算物体根据灯光产生的阴影明显是不明智的。由于大多数阴影都是不变的，或许可以通过某种手段使这些不变的阴影固化在场景中，这样就可以省去很多不必要的计算。光照贴图就是用来解决这类问题的。它的基本原理就是使用一张包含有场景中不会变化的物体的阴影的贴图，附加在整个场景中，这样就制作出了相似度非常高的“假阴影”。但是要注意一点，这样产生的假阴影是不会根据光源和物体的位置变化而变化的，所以只适用于场景中不会运动形变的物体，如建筑、装饰等。

光照贴图的简单流程为:选中场景中包含的若干3D对象，在它们的“Inspector”面板上，勾选“Lightmap Static”， 然后在光源上的Light 组件中将Baking选为Backed,并开启阴影。接下来按步骤“Window-> Lighting”打开光照烘焙窗口，有关光照烘焙的所有参数的设置都可以在该窗口中完成。以上设置完毕后在新打开的Lighting窗口中的Scene面板中单击下方的Build按钮就可以对场景进行烘焙了，等待烘焙结束后，场景中会自动应用烘焙好的光照贴图。

2.法线贴图

在计算机三维图形学中，法线贴图(Normalmapping)以及凸凹贴图( Bump mapping)都是用来存储模型表面因灯光而产生的细节(即法线信息)。人们常常认为两者是同一种技术，实际上法线贴图是凸凹贴图的一种应用，法线贴图会根据需要更新法线，而凸凹贴图不会。因此，这里选用法线贴图对模型和场景进行优化。法线贴图是三维模型的细节显示，是- -张二维图片。因此它不仅计算了模型表面的大量额外细节，并且不会改变模型的形状。在场景中模型数量多的情况下，为模型制作法线贴图可以加快场景的渲染速度，这对实时仿真是非常有用的。法线贴图的对比如图1所示。

A：贴了normal map 的低模 B：没贴normal map的低模 C:高模

图1：法线贴图的对比

2.2.2.2 LOD技术

随着虚拟现实技术的兴起，对图形渲染速度的要求越来越高，要求达到实时，而计算机的CPU和GPU往往不能满足复杂三维场景的实时渲染要求。因此研究者们提出了很多的图形加速显示方法，LOD技术就是其中之一。在不影响渲染效果的前提下，使用LOD技术逐步降低模型的精度的方式提高绘制算法的效率和GPU渲染的速度，使其成为实时可视化图形渲染的关键技术。LOD技术制作原理:在原始模型的基础上制作多个不同精度的三维模型,.与原始模型相比，该物体的其他模型依次保持--定的层次细节。在进行可视化显示时，根据不同的距离系统自动选择相应层次的模型来表示物体。

目前，LOD技术在Unity中应用在多个方面，包括物体模型、人物骨骼、地形表示、材质等。实现地形LOD的方法有多种，使用最多的是二元三角细分算法。模型LOD，非专业的美工可以使用自动减面算法根据不同的距离制造不同精度的模型，专业的美工可以手动地对模型进行分级处理。材质LOD主要是对渲染复杂度的控制。骨骼LOD对骨骼数量进行逐层级减少。由于本文研究设计的仿真系统主要用到的LOD技术为模型LOD。

2.2.2.3遮挡剔除技术

在实际的开发过程中，每个场景的加载往往伴随着大量的对象，其中相当一部分对象是不在摄机拍摄范围内的，进行这--部分对象的绘制是完全没有必在的。强大的Unity3D 引擎提供了非常实用的遮挡剔除技术时，使不被拍摄到的点或面不被送入渲染管线绘制。通过遮挡剔除技术可以节约相当一部分的绘制资源，从而显著地提升程序的性能。需要注意的是，被剔除的对象虽然不进行绘制，但其他诸如物理引擎、位移旋转放大等计算都是不受影响的，在开发过程中根据实际情况进行调整更改。

2.2.2自来水的生产流程及生产设施布局

城市水厂净水处理的目的就是去除原水中这些会给人类健康和工业生产带来危害的悬浮物质、胶体物质、细菌及其他有害成分，使净化后的水能满足生活饮用及工业生产的需要。市白来水总公司水厂采用常规水处理工艺，它包括混合、反应、沉淀、过滤及消毒几个过程。如图二所示。

(1)混凝反应处理:原水经取水泵房提升后，首先经过混凝工艺处理，即:原水 水处理剂→混合→反应→矾花水;自药剂与水均匀混合起直到大颗粒絮凝体形成为止，整个称混凝过程。常用的水处理剂有聚合氯化铝、硫酸铝、三氯化铁等。汕头市使用的是碱式氯化铝。根据铝元素的化学性质可知，投入药剂后水中存在电离出来的铝离子，它与水分子存在以下的可逆反应:A13 3H20←→Al(OH)3 3H ;氢氧化铝具有吸附作用，可把水中不易沉淀的胶粒及微小悬浮物脱稳、相互聚结，再被吸附架桥，从而形成较大的絮粒，以利于从水中分离、沉降下来。混合过程要求在加药后迅速完成。混合的目的是通过水力、机械的剧烈搅拌，使药剂迅速均匀地散于水中。经混凝反应处理过的水通过道管流入沉淀池，进入净水第二阶段。

(2)沉淀处理:混凝阶段形成的絮状体依靠重力作用从水中分离出来的过程称为沉淀，这个过程在沉淀池中进行。水流入沉淀区后，沿水区整个截面进行分配，进入沉淀区，然后缓慢地流向出口区。水中的颗粒沉于池底，污泥不断堆积并浓缩，定期排出池外。

(3)过滤处理:过滤一般是指以石英砂等有空隙的粒状滤料层通过黏附作用截留水中悬浮颗粒，从而进一步除去水中细小悬浮杂质、有机物、细菌、病毒等，使水澄清的过程。

(4)滤后消毒处理:水经过滤后，浊度进-一步降低，同时亦使残留细菌、病毒等失去浑浊物保护或依附，为滤后消毒创造良好条件。消毒并非把微生物全部消灭，只要求消灭致病微生物。虽然水经混凝、沉淀和过滤，可以除去大多数细菌和病毒，但消毒则起了保证饮用达到饮用水细菌学指标的作用，同时它使城市水管末梢保持一定余氯量，以控制细菌繁殖且预防污染。消毒的加氯量（液氯)在1.0-2.5g/m3之间。主要是通过氯与水反应生成的次氯酸在细菌内部起氧化作用，破坏细菌的酶系统而使细菌死亡。消毒后的水由清水池经送水泵房提升达到一定的水压，在通过输、配水管网送给千家万户。

图2：自来水厂的工艺流程

2.2.3仿真方案

(1)建立设备模型库。SolidWorks和3DsMax对实物进行建模和模型优化后，将模型导入Unity3D,并对加工设备进行行为动画仿真，创建相应的预制体。Unity3D渲染场景时，加载相关的预制体。

(2)针对设备布局问题，引入鲁棒性因子，以设备间的物流总费用、非物流关系及制造单元占地面积费用作为优化目标建立多目标数学模型，采用改进的NSGA-II多目标优化算法求解，得到多种布局方案。Unity3D 引擎根据布局方案加载设备模型和布局信息，对虚拟设备进行三维显示。

(3)制造单元运行仿真。根据制造单元实际生产所需调度规则、工艺流程和物流调度数据，在布局优化的基础上进行生产过程仿真。

图3：仿真技术路线

2.2.4数学模型

2.2.4.1问题描述

鲁棒性布局问题是连续P个生产计划期最稳定的布局方案。根据产品的工艺路线和设备间的非物流关系矩阵等约束条件的变化，分析整个生产周期，引入鲁棒性指标，最后合理确定车间设备的具体位置。

在一个布局空间内，针对n台设备,将设备间的物流总费用、非物流关系及制造单元占地面积费用作为优化目标，建立多目标鲁棒性设备布局模型。假设条件: (1) 将设备均简化为长宽已知的矩形结构(2) P个阶段的生产计划已知; (3) 各产品的工艺路线已知; (4)同一行设备的中心点必须位于同一-条水平线上;(5)设备间的物料搬运路线只能水平或垂直。

4.1.2优化目标

鲁棒性设备布局模型以制造单元设备间的物流费用，非物流关系及面积费用作为其优化目标，具体分析如下:

(1)物流搬运费用最小化，如公式(4.1)。

(2)非物流关系最大化。非物流关系可表示为:

C_ij如表2所示，b_ij由设备间的实际物流距离d_ij和最大可能距离d_max决定，如表3所示。

（3）车间面积最小化

表2：设备关系密切值

表3：密切度关联因子

将这些问题通过建立模型然后使用遗传算法进行求解，遗传算法（Genetic Algorithm）是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。遗传算法是从代表问题可能潜在的解集的一个种群（population）开始的，而一个种群则由经过基因（gene）编码的一定数目的个体(individual)组成。每个个体实际上是染色体(chromosome)带有特征的实体。染色体作为遗传物质的主要载体，即多个基因的集合，其内部表现（即基因型）是某种基因组合，它决定了个体的形状的外部表现，如黑头发的特征是由染色体中控制这一特征的某种基因组合决定的。因此，在一开始需要实现从表现型到基因型的映射即编码工作。由于仿照基因编码的工作很复杂，我们往往进行简化，如二进制编码，初代种群产生之后，按照适者生存和优胜劣汰的原理，逐代（generation）演化产生出越来越好的近似解，在每一代，根据问题域中个体的适应度（fitness）大小选择（selection）个体，并借助于自然遗传学的遗传算子（genetic operators）进行组合交叉（crossover）和变异（mutation），产生出代表新的解集的种群。这个过程将导致种群像自然进化一样的后生代种群比前代更加适应于环境，末代种群中的最优个体经过解码（decoding），可以作为问题近似最优解。

1. 进度安排

第1-3周：完成开题报告和英文翻译；

第4-6周：完成毕业设计相关内容的系统总体方案设计；

第6-8周：完成毕业设计相关内容的详细功能模块开发；

第9-12周：完成相关的分析计算工作；

第13-16周：毕业设计论文修订，评阅，与毕业答辩。