張 偉

（武漢交通職業(yè)學(xué)院，武漢 430065）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）又稱靈境技術(shù)，是20世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)全新的實(shí)用技術(shù)，并逐步成為一個(gè)新的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域[1]。隨著VR技術(shù)的發(fā)展，船舶與海洋工程裝備制造產(chǎn)業(yè)也逐步在設(shè)計(jì)建造、教育培訓(xùn)等領(lǐng)域開始對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用。美國(guó)的邁爾船廠在2004年實(shí)施的船舶虛擬制造計(jì)劃，采用IBM公司開發(fā)的產(chǎn)品全壽命期管理系統(tǒng)，縮短了30%的船舶設(shè)計(jì)時(shí)間，減少了20%的建造時(shí)間下降和50%的產(chǎn)品目錄。在國(guó)內(nèi)，七一九所在2017年8月建成船舶行業(yè)首個(gè)沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)（CAVE隨系統(tǒng)）。2019年3月，江南造船集團(tuán)有限公司下水了國(guó)內(nèi)首條完全通過(guò)數(shù)字化建造的船舶，通過(guò)三維體驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和VR建造模型，建造效率提高30%，返工率大幅下降了60%以上。劉鑄等人利用VR技術(shù)探討并有效解決船舶建造裝配式施工產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)約束問(wèn)題，使舶建造裝配式施工中運(yùn)動(dòng)路徑旋轉(zhuǎn)量降低29%，旋轉(zhuǎn)距離權(quán)值降低22%[2]。蔣革等人結(jié)合現(xiàn)代造船模式和VR技術(shù)的特點(diǎn)，提出了一個(gè)船舶VR設(shè)計(jì)系統(tǒng)框架，并對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究和探討[3]。劉雅麗等人利用VR技術(shù)對(duì)船舶零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，提高了16.7%的船舶零件的契合度[4]。舶與海洋工程裝備制造是建造、機(jī)械設(shè)備、電子電氣設(shè)備等重型機(jī)械裝配一體化作業(yè)的重工行業(yè)。學(xué)校由于資金、場(chǎng)地等方面的制約，不可能完全復(fù)制企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境。以往主要通過(guò)校企聯(lián)合的培養(yǎng)模式進(jìn)行教學(xué)，但是這種模式有其局限性，如地域的影響、時(shí)間的影響等。本文通過(guò)VR技術(shù)對(duì)船舶智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)，探討當(dāng)前出現(xiàn)的難題，提供了一種新的解決思路。

1 系統(tǒng)開發(fā)流程簡(jiǎn)介

第一，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體方案，確定系統(tǒng)各個(gè)模塊及要實(shí)現(xiàn)的功能。第二，通過(guò)調(diào)研、分析各個(gè)模塊的功能，利用攝像的各種功能采集材質(zhì)紋理貼圖和真實(shí)場(chǎng)景的平面模型。第三，通過(guò)3D圖形處理軟件如Photoshop、MAYA、3D Max）處理紋理和構(gòu)建真實(shí)場(chǎng)景的三維模型，因此虛擬場(chǎng)景都是真實(shí)場(chǎng)景通過(guò)軟件處理進(jìn)行的真實(shí)的在現(xiàn)。建模是構(gòu)建場(chǎng)景的關(guān)鍵因素之一，完成后還要進(jìn)行再優(yōu)化。第四，導(dǎo)入到Unity3D構(gòu)建虛擬平臺(tái)。在Unity3D平臺(tái)通過(guò)音效、圖形界面、插件、燈光設(shè)置渲染。渲染是系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，基本渲染都是通過(guò)插件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。第五，基于高端虛擬設(shè)備頭盔等設(shè)備編寫接口程序，開發(fā)全沉浸虛擬交互虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，并應(yīng)用虛實(shí)融合設(shè)備實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

2 系統(tǒng)架構(gòu)與功能模塊

2.1 參考原型選擇

根據(jù)工業(yè)和信息化部2017年發(fā)布的《2017年制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展試點(diǎn)示范項(xiàng)目名單》，南通中遠(yuǎn)川崎公司因“基于兩化深度融合的智能船廠建設(shè)”項(xiàng)目，成為國(guó)內(nèi)船舶行業(yè)唯一家智能工廠解決方案試點(diǎn)示范項(xiàng)目的企業(yè)。目前，南通中遠(yuǎn)川崎公司已構(gòu)建了一套智能高效的制造執(zhí)行系統(tǒng)，在自動(dòng)化/智能化生產(chǎn)線、流水線的基礎(chǔ)上，持續(xù)推進(jìn)智能車間、智能工廠的建設(shè)。它先后投產(chǎn)了型鋼自動(dòng)生產(chǎn)線、條材機(jī)器人生產(chǎn)線、先行小組立機(jī)器人焊接線以及小組材機(jī)器人焊接線等智能化和自動(dòng)化生產(chǎn)線，使得相應(yīng)工序的生產(chǎn)效率提高了70%左右，大幅度提高了生產(chǎn)效率，降低了產(chǎn)品不良品率，改善了作業(yè)環(huán)境，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了人工成本，節(jié)約了場(chǎng)地資源。本系統(tǒng)部分借鑒中遠(yuǎn)川崎船舶智能制造的相關(guān)工序，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了拓展和延伸。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)開發(fā)

開發(fā)船舶智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是一項(xiàng)復(fù)雜的虛擬操作系統(tǒng)工程。本系統(tǒng)主要包括船廠虛擬仿真、智慧船廠管控平臺(tái)展示、船舶裝配虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、船舶放樣虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)、AR工業(yè)機(jī)器人裝配實(shí)訓(xùn)、虛擬搭載系統(tǒng)和船體涂裝仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)7大子系統(tǒng)。

2.3 系統(tǒng)功能模塊開發(fā)

2.3.1 虛擬場(chǎng)景展示

在虛擬場(chǎng)景模塊中，系統(tǒng)基于最新的三維虛擬軟硬件技術(shù)，全方位無(wú)死角展示整個(gè)智慧船廠和智慧船廠管控平臺(tái)，包括環(huán)境、布局、車間研究設(shè)備等。通過(guò)自動(dòng)規(guī)劃導(dǎo)覽路徑，帶領(lǐng)用戶身臨其境地體驗(yàn)船舶智能制造的整個(gè)流程，包括鋼材入庫(kù)、鋼材預(yù)處理、零件加工、小組立裝配、中組立裝配、分段裝配、分段舾裝、分段涂裝、總組裝配、船臺(tái)裝配和下水。在虛擬場(chǎng)景模塊中，系統(tǒng)支持第一人稱和第三人稱漫游虛擬船廠，支持小地圖、場(chǎng)景切換。在體驗(yàn)方式上，主要分為VR版和大屏版。VR版操作流程即戴上頭顯設(shè)備進(jìn)入VR船廠場(chǎng)景后，系統(tǒng)出現(xiàn)UI引導(dǎo)，并對(duì)操作方法進(jìn)行介紹。大屏版操作流程即參觀者戴上立體眼鏡后，大屏畫面可以讓觀眾體驗(yàn)到3D立體效果的真實(shí)船廠場(chǎng)景，且如同3D電影一般帶領(lǐng)參觀者瀏覽整個(gè)船廠和船舶生產(chǎn)建造工藝流程。

2.3.2 演示視頻

演示視頻在多個(gè)系統(tǒng)通過(guò)參觀者交互呈現(xiàn)，如零件加工到小組立建造、中組立建造、分段建造、總組以及搭載等過(guò)程中。參觀者可以通過(guò)交互方式觀看典型船舶從小到大、從局部到整體的整個(gè)加工和裝配過(guò)程的動(dòng)畫視頻。

2.3.3 虛擬交互系統(tǒng)

虛擬交互系統(tǒng)允許用戶使用各類交互設(shè)備、工具等（數(shù)據(jù)手套/位置跟蹤器、鼠標(biāo)/鍵盤、力反饋操作設(shè)備等）來(lái)實(shí)現(xiàn)在真實(shí)環(huán)境中一樣的操作。例如，在船舶虛擬搭載模塊中，學(xué)員可以交互添加船體局部受力，模擬船體的多種受力情況。船體受力后，系統(tǒng)展示船體的形狀變化和傳遞過(guò)程。

2.3.4 教學(xué)考核系統(tǒng)

本系統(tǒng)通過(guò)各種虛擬仿真軟件配合交互式虛擬場(chǎng)景進(jìn)行認(rèn)知和學(xué)習(xí)，還引入了良好的評(píng)分機(jī)制，能檢測(cè)實(shí)訓(xùn)操作系統(tǒng)的各個(gè)操作階段和環(huán)節(jié)，自動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)分。

2.3.5 VR資源庫(kù)

系統(tǒng)提供多個(gè)豐富多元的、實(shí)時(shí)更新的VR資源庫(kù)，如內(nèi)裝資源庫(kù)和典型船舶結(jié)構(gòu)資源庫(kù)。內(nèi)裝資源庫(kù)提供內(nèi)裝所需要的所有種類的素材供學(xué)員在模擬內(nèi)裝時(shí)使用，包括材質(zhì)、家具以及附件等。典型船舶結(jié)構(gòu)資源庫(kù)提供在AR環(huán)境中展示多種船型及其結(jié)構(gòu)形式，如散貨船、化學(xué)品船、油船以及集裝箱船等。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 硬件配置

船舶智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的主要硬件系統(tǒng)配置及功能實(shí)現(xiàn)，如表1所示。

表1 船舶智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要硬件配置

3.2 用戶體驗(yàn)

系統(tǒng)提供了多種方式與用戶進(jìn)行交互，可以使用虛擬頭盔、手柄（或者鼠標(biāo)鍵盤）等虛擬外設(shè)完全“沉浸”在虛擬系統(tǒng)中，獲得更逼真的虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，并在部分系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)評(píng)分。例如，虛擬裝配是雙向數(shù)字耦合的一種數(shù)字制造工藝，是實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。虛擬裝配利用VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)真實(shí)環(huán)境虛擬化，用戶使用各類交互設(shè)備、工具等（數(shù)據(jù)手套/位置跟蹤器、鼠標(biāo)/鍵盤、力反饋操作設(shè)備等）來(lái)實(shí)現(xiàn)在真實(shí)環(huán)境中一樣的船體裝配操作。虛擬裝配系統(tǒng)有助于學(xué)員掌握船體裝配工的實(shí)際操作技術(shù)，達(dá)到船體裝配工的實(shí)操水平，包括船體部件裝配和船體一般分段裝配、較復(fù)雜的船體部件和分段的裝配、總段裝配和船臺(tái)裝配、裝配后變形的火工矯正技能[5]、船臺(tái)總裝的吊裝程序及裝配工藝方法、船臺(tái)裝焊的變形及處理方法、船臺(tái)裝配常見的誤差及缺陷的修正方法、復(fù)雜錨穴和球鼻艏導(dǎo)流裝置等結(jié)構(gòu)的裝配、大型或特殊船舶的船臺(tái)裝配。用戶能夠分析船體的可裝配性，驗(yàn)證和規(guī)劃裝配序列，培訓(xùn)裝配操作人員等。裝配結(jié)束后，系統(tǒng)能夠記錄裝配過(guò)程的所有信息，并生成評(píng)審報(bào)告、視頻錄像等，以供后續(xù)的分析使用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹的基于VR船舶智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)是為學(xué)生建立開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，通過(guò)建立多種虛擬場(chǎng)景，讓學(xué)生能在三維場(chǎng)景中進(jìn)行學(xué)習(xí)和實(shí)訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。學(xué)生能夠自行查看學(xué)習(xí)效果和評(píng)分，不受時(shí)間、空間和其他各種條件的限制。船舶智能制造虛擬仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)作為傳統(tǒng)教學(xué)資源的一種有效補(bǔ)充，虛實(shí)結(jié)合，提供了一種有危險(xiǎn)性的裝備實(shí)驗(yàn)新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)和考核模式，有助于改善存在的教學(xué)手段缺乏改革創(chuàng)新、學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高等問(wèn)題，讓學(xué)生掌握新工具和新環(huán)境，從而更好地能夠適應(yīng)時(shí)代變化，拓展獲取知識(shí)的渠道和能力。