吳港本，孫雅麗，陳伯騏，林玉娟

(東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

近年來，由于新媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(簡(jiǎn)稱AR技術(shù))在各行各業(yè)的眾多領(lǐng)域已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用，其不僅在教育領(lǐng)域有著巨大的潛力【1】,同時(shí)利用該技術(shù)還使我國(guó)的傳統(tǒng)紙媒行業(yè)實(shí)現(xiàn)了模式轉(zhuǎn)型【2】。AR技術(shù)的不斷成熟，為傳統(tǒng)媒體實(shí)現(xiàn)立體交互式、全媒體傳播提供了契機(jī)。作為一種新興技術(shù)，它在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)延伸至各個(gè)領(lǐng)域【3】，但是調(diào)研發(fā)現(xiàn)，其在石化行業(yè)的應(yīng)用仍然較少。

1 AR技術(shù)應(yīng)用于石化設(shè)備的必要性

現(xiàn)在的石化設(shè)備制造商、供貨商在加工設(shè)備時(shí)，設(shè)計(jì)圖紙只限于二維圖紙，只能由專業(yè)讀圖人員識(shí)圖，這樣不僅制造周期長(zhǎng)，而且設(shè)備在安裝過程中，由于零部件種類和數(shù)量繁多，而且配合關(guān)系復(fù)雜，也只能由特定的技術(shù)人員進(jìn)行裝配；另一方面即使是擁有豐富經(jīng)驗(yàn)的維修人員在對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)、維修時(shí)，也會(huì)遇到查找零部件紙質(zhì)說明書速度慢、信息雜亂、無用信息多、分類不明確、不直觀等問題，這樣不僅效率低，而且出錯(cuò)率高，同時(shí)對(duì)維修人員的技術(shù)要求也比較高。以上這些難點(diǎn)都可以通過運(yùn)用AR技術(shù)得到解決。

AR技術(shù)可以用來模擬學(xué)習(xí)對(duì)象，讓學(xué)習(xí)者在現(xiàn)實(shí)環(huán)境背景中看到虛擬生成的模型對(duì)象，而且可以快速生成、操縱和旋轉(zhuǎn)模型，能夠在最貼近自然的交互形式下為學(xué)習(xí)者搭建一個(gè)自主探索的空間，這對(duì)于抽象內(nèi)容教學(xué)和提升學(xué)習(xí)者興趣都有啟發(fā)意義。

2 石化設(shè)備可視化系統(tǒng)概述

石化設(shè)備可視化系統(tǒng)由兩個(gè)分支組成，其一是實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可視化；其二是數(shù)字化工廠的建立。

要實(shí)現(xiàn)設(shè)備的可視化需要顯示技術(shù)、跟蹤定位技術(shù)、標(biāo)定技術(shù)和界面與可視化技術(shù)提供支撐【4】。該系統(tǒng)以Unity 3D為開發(fā)環(huán)境，借助C#語言的二次開發(fā)，以Solidworks建模軟件為輔助工具，結(jié)合過程裝備與控制工程專業(yè)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)識(shí)別對(duì)象與顯示模型的一一對(duì)應(yīng)，并且以顯示技術(shù)為媒介將AR技術(shù)的最終環(huán)境顯示出來。界面與可視化技術(shù)使得該系統(tǒng)可通過手機(jī)屏幕將二維圖形到三維圖形、三維圖形到三維模型、三維動(dòng)畫以及三維視頻的“凝實(shí)”轉(zhuǎn)化等虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的場(chǎng)景展現(xiàn)給用戶，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)平面文字、圖像、工程圖紙的AR增強(qiáng)演示。該系統(tǒng)可服務(wù)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)者、設(shè)備供應(yīng)商、化工生產(chǎn)企業(yè)、工程培訓(xùn)機(jī)構(gòu)等。

相關(guān)資料顯示，數(shù)字化工廠總體設(shè)計(jì)可分為數(shù)據(jù)層、專業(yè)模型層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、顯示模式層。該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)設(shè)備可視化的前提下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)層面數(shù)字化工廠的建立，使得無紙化辦公在石化行業(yè)有了很好的應(yīng)用。

3 石化設(shè)備可視化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)

3.1 開發(fā)環(huán)境介紹

Unity 3D是Unity Technologies開發(fā)的一個(gè)可輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎【5】。Unity 3D支持各種腳本語言(其中包括 Java-Script、C#、Python)，兼容各類操作系統(tǒng)，目前已越來越多地被應(yīng)用到三維場(chǎng)景的開發(fā)工作中【6】。

C#是微軟公司發(fā)布的一種面向?qū)ο蟮?、運(yùn)行于.NET Framework之上的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語言，是該公司研究員Anders Hejlsberg的最新成果，在微軟職業(yè)開發(fā)者論壇(PDC)上登臺(tái)亮相。C#與Java有著明顯的不同，它借鑒了Delphi的一個(gè)特點(diǎn)，與COM(組件對(duì)象模型)直接集成，是微軟公司 .NET windows網(wǎng)絡(luò)框架的主角。

3.2 開發(fā)過程介紹

開發(fā)過程具體如下：

1) 制作識(shí)別圖，可下載已經(jīng)制作好的，也可使用Vuforia等平臺(tái)自己制作；

2) 在Unity 3D中配置好環(huán)境，導(dǎo)入相應(yīng)模塊，如AR Camera、Image Target；

3) 制作并導(dǎo)入需增加的虛擬影像，并加載在Image Target上；

4) 編寫C#Script添加虛擬影像的交互模塊；

5) 填寫License Key；

6) 配置Android環(huán)境，打包發(fā)布APP。

其開發(fā)過程流程如圖1所示。

圖1 石化企業(yè)AR技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)流程

3.3 系統(tǒng)功能介紹

該系統(tǒng)功能如表1所示。

表1 石化設(shè)備可視化系統(tǒng)開發(fā)功能

3.3.1圖紙的交互演示

圖紙的交互演示功能需要以下幾個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)：

1) 圖像輸入模塊。通過手機(jī)攝像頭、AR眼鏡等各種圖像輸入設(shè)備將所觀察的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)錄入，進(jìn)行下一步處理。

2) 圖像處理模塊。設(shè)定好所需要增加的虛擬影像，根據(jù)需要將輸入圖像信息與“真實(shí)世界”拼接合成。

3) AR顯示模塊。將處理完成的AR效果呈現(xiàn)給用戶。該功能可通過多種設(shè)備實(shí)現(xiàn)，大到電腦、小到手機(jī)，還有“沉浸感”更為完美的AR眼鏡。

三維瀏覽交互功能的實(shí)現(xiàn)可通過對(duì)需要增加的虛擬影像添加指令，使虛擬的“現(xiàn)實(shí)”得以控制，增加真實(shí)性與趣味性，優(yōu)化用戶體驗(yàn)。該系統(tǒng)中設(shè)備的瀏覽可以通過手觸摸屏幕實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可以通過手勢(shì)實(shí)現(xiàn)模型的放大縮小，而且設(shè)備放大縮小的速度與限度都可以通過編寫代碼實(shí)現(xiàn)。從二維到三維，可使入職人員清楚地了解設(shè)備結(jié)構(gòu)及其工作原理。該系統(tǒng)除了可通過手勢(shì)控制設(shè)備旋轉(zhuǎn)、放大、縮小，還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備拆解安裝動(dòng)畫視頻的播放，真正做到了人機(jī)交互。

3.3.2數(shù)字化工廠的建立

數(shù)字化工廠是利用數(shù)字化技術(shù)，收集設(shè)計(jì)、制造工藝，生產(chǎn)管理，企業(yè)管理，銷售和供應(yīng)鏈等各方面人員的知識(shí)、智慧和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、銷售、服務(wù)的現(xiàn)代化工廠模式，其實(shí)質(zhì)就是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用【7】。雖然各國(guó)政府積極倡導(dǎo)，但是其并沒有在應(yīng)用上有實(shí)質(zhì)性的突破。而該系統(tǒng)是從石化行業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)出發(fā)，以建立高效管理的現(xiàn)代化工廠模式為目標(biāo)，先實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)層面的數(shù)字化工廠的建立，將3D/虛擬現(xiàn)實(shí)可視化與數(shù)據(jù)管理集成在一起。

實(shí)現(xiàn)該數(shù)字化工廠的建立需要將設(shè)備的型號(hào)、檢維修歷程等導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)化工廠發(fā)生設(shè)備故障時(shí)或在檢維修期間，維修人員可以直接通過掃描工藝流程中設(shè)備所對(duì)應(yīng)的銘牌而實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的詳細(xì)信息，例如設(shè)備型號(hào)、規(guī)格、過往檢維修歷程以及高發(fā)問題等。這樣可以免去翻閱以往記錄的繁瑣過程，節(jié)省時(shí)間與人力，同時(shí)該工廠的數(shù)據(jù)庫還可以實(shí)時(shí)進(jìn)行更新，避免信息記錄不全與丟失的可能性，也有助于實(shí)現(xiàn)石化系統(tǒng)中的信息共享，方便管理。

4 石化設(shè)備可視化系統(tǒng)的應(yīng)用展示

以螺桿泵為例進(jìn)行圖紙交互演示功能的展示。利用發(fā)布的APP并以手機(jī)為媒介對(duì)螺桿泵的零部件圖紙以及裝配圖進(jìn)行掃描，會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)設(shè)備。圖2為螺桿泵裝配圖三維模型的虛擬顯示。

圖2 螺桿泵三維模型顯示

AR技術(shù)最大的優(yōu)越性體現(xiàn)在可實(shí)現(xiàn)虛擬事物與真實(shí)環(huán)境的結(jié)合，讓真實(shí)世界與虛擬物體共存，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)虛擬世界與真實(shí)世界的實(shí)時(shí)同步，使得用戶在現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)地感受到虛擬空間中模擬的事物，增強(qiáng)使用的互動(dòng)性。為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，提供更好的用戶體驗(yàn)，該系統(tǒng)將AR技術(shù)的這一優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了很好的開發(fā)與應(yīng)用【8】。同樣以螺桿泵為例，不論是學(xué)習(xí)者還是設(shè)備制造者都可以通過該系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境背景中看到虛擬生成的螺桿泵模型，而且可以通過觸摸屏幕實(shí)現(xiàn)螺桿泵模型的旋轉(zhuǎn)與縮放，如圖3和圖4所示。

圖3 螺桿泵三維模型旋轉(zhuǎn)顯示

基于數(shù)據(jù)層面的數(shù)字化工廠的建立，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)APP與數(shù)據(jù)庫的結(jié)合，通過掃描設(shè)備銘牌或流程圖中對(duì)應(yīng)設(shè)備便可獲取設(shè)備檢維修歷程與各零部件型號(hào)規(guī)格等。圖5所示即為掃描流程圖中的設(shè)備，在手機(jī)界面上顯現(xiàn)出設(shè)備的立體模型以及在對(duì)話框中顯示設(shè)備型號(hào)、規(guī)格等的示例。在對(duì)話框中還可以選擇顯示模型的檢維修歷程以及設(shè)備高發(fā)故障等。

圖4 螺桿泵三維模型放大、縮小顯示

圖5 數(shù)字化工廠

5 石化設(shè)備可視化系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值

對(duì)于剛剛?cè)肼毜膯T工，化工廠中AR技術(shù)的應(yīng)用，不僅可為其提供豐富多彩的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，還可增強(qiáng)其對(duì)可視物理規(guī)律的理解，提升實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。?duì)于維修人員的培訓(xùn)，也可實(shí)現(xiàn)設(shè)備、零件的可視化，使其通過觸碰進(jìn)行與三維模型的交互體驗(yàn)，更生動(dòng)地觀察所要學(xué)習(xí)的對(duì)象，增加學(xué)習(xí)的趣味性，提高學(xué)習(xí)效率，大大減少培訓(xùn)費(fèi)用和培訓(xùn)周期。

對(duì)于化工相關(guān)行業(yè)(如制造業(yè)等)，AR將設(shè)備的工作原理展現(xiàn)得更加清晰，使其對(duì)“門外漢”培訓(xùn)變得更加容易。通過二維圖紙形成三維模型的交互演示，使學(xué)員對(duì)陌生零件的觀察與認(rèn)識(shí)更為簡(jiǎn)便，解決了只有專業(yè)技術(shù)人員識(shí)圖、設(shè)備復(fù)雜、維修困難等問題。

化工生產(chǎn)中AR技術(shù)的配套使用，實(shí)現(xiàn)了工廠數(shù)字化，使得對(duì)工廠的管理更為準(zhǔn)確與簡(jiǎn)便，略過繁雜的紙質(zhì)資料，通過AR技術(shù)直接了解所需設(shè)備的各項(xiàng)資料，既節(jié)省了查閱時(shí)間，又能保證資料的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)無紙電子化辦公， 綠色、高效、安全， 有效優(yōu)化生產(chǎn)組織的全部活動(dòng)， 提高生產(chǎn)效率、 物流運(yùn)轉(zhuǎn)效率以及資源利用效率。

6 結(jié)語

基于Unity 3D交互平臺(tái)，在三維建模軟件輔助作用下，將AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)成功應(yīng)用到化工及其相關(guān)行業(yè)，開發(fā)出相關(guān)APP， 僅僅需要一臺(tái)配置攝像頭的電腦或者是一部智能手機(jī)就能完成真實(shí)環(huán)境和虛擬對(duì)象的交互，更好地實(shí)現(xiàn)了理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐的結(jié)合。同時(shí)AR技術(shù)的發(fā)展為石化企業(yè)實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能開辟了新紀(jì)元。石化企業(yè)AR技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的研究促進(jìn)了石化行業(yè)的更快速發(fā)展， AR數(shù)字化工廠的建立給石化企業(yè)的檢維修帶來很大的便利，使數(shù)據(jù)的獲取更加便捷，零部件的更換更加高效、準(zhǔn)確， 從而提高工廠經(jīng)濟(jì)效益。