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(南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 船舶與海洋工程系，江蘇 南通 226010)

目前國(guó)內(nèi)外船舶建造方面的仿真主要是船舶建造工藝流程的虛擬仿真[1-7]，對(duì)船舶裝配仿真實(shí)訓(xùn)技術(shù)的研究較少。船體裝配仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，是通過(guò)人機(jī)互動(dòng)的方式，對(duì)船體裝配過(guò)程進(jìn)行仿真操作及訓(xùn)練，可改善裝配工人培訓(xùn)條件和培訓(xùn)方式，擴(kuò)大培訓(xùn)規(guī)模，提高培訓(xùn)水平。

1 技術(shù)支持

船體裝配虛擬仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維建模技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)。

1.1 船體裝配仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟件支持

船體裝配仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要是應(yīng)用國(guó)外主流虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)軟件Unity3D和3Dmax進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。

采用3Dmax進(jìn)行船體裝配仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的前期建模，通過(guò)模型制作、貼圖制作、場(chǎng)景合并及優(yōu)化、烘培測(cè)試、烘培場(chǎng)景及調(diào)整烘培貼圖各過(guò)程，完成船體結(jié)構(gòu)、設(shè)備、設(shè)施等三維模型的優(yōu)化。

Unity3D平臺(tái)在虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)過(guò)程中承擔(dān)著三維圖形場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)的建立和應(yīng)用功能的二次開(kāi)發(fā)，是虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的高層API，同時(shí)也是連接VR外設(shè)、建立數(shù)學(xué)模型和應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)平臺(tái)，利用它可以開(kāi)發(fā)出功能完善的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序。其特點(diǎn)是引擎構(gòu)架好，各功能接口豐富，支持多平臺(tái)發(fā)布，并可以捕捉處理用戶互動(dòng)。具有直觀立體、真實(shí)互動(dòng)的效果，用戶可以動(dòng)手進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)操作。通過(guò)Unity3D平臺(tái)開(kāi)發(fā)軟件進(jìn)行船體裝配仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)所有程序的開(kāi)發(fā)，進(jìn)行UI設(shè)計(jì)、UI控制、框架設(shè)計(jì)和程序制作，真實(shí)地模擬船體和設(shè)備等的三維裝配過(guò)程，用戶可以通過(guò)交互方式進(jìn)行船體的三維模擬裝配操作。

1.2 船體裝配仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)應(yīng)用的硬件支持

船體裝配仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的硬件支持要求較高，不能低于以下配置。

電腦采用X64兼容臺(tái)式電腦，操作系統(tǒng)采用Windows7 Enterprise 64位 SP1(Direct X 11),處理器3.4GHz，4核，主板采用華頓P8Z77-V LX2，內(nèi)存為16GB，主硬盤(pán)2TB/7 200 r·min-1，顯卡為2 G，顯示器22英寸，聲卡采用瑞昱ALC887,網(wǎng)卡采用瑞昱RTL8168F PCI-E。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

船體裝配仿真是以實(shí)際的船體裝配為實(shí)戰(zhàn)背景，利用VR技術(shù)在特定環(huán)境條件下模擬裝配過(guò)程。系統(tǒng)基于Unity3D虛擬現(xiàn)實(shí)等大型平臺(tái)軟件，從選擇裝配場(chǎng)地與設(shè)施開(kāi)始，歷經(jīng)零件及部件安裝、胎架選擇與構(gòu)件吊裝、分段舾裝與翻身、大型分段裝配工藝選擇、船臺(tái)畫(huà)線、船臺(tái)吊裝工藝及合龍等的全過(guò)程，模擬將船體零件組合成部件，形成分段、總段、直至整個(gè)船體的工藝過(guò)程。在三維信息空間上創(chuàng)建一個(gè)虛擬信息環(huán)境，能使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有與環(huán)境完善的交互作用能力，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同階段仿真模擬及人機(jī)互動(dòng)模擬訓(xùn)練。

2.1 船體裝配系統(tǒng)概述

船體裝配仿真系統(tǒng)分為部件裝配、分段建造、總段裝配、船體總裝4個(gè)交互模塊，每個(gè)模塊又分為教學(xué)指導(dǎo)以及訓(xùn)練測(cè)評(píng)兩種交互模式。

所有的裝配實(shí)現(xiàn)方式都要經(jīng)過(guò)前期菜單的交互選擇，只有經(jīng)過(guò)相應(yīng)的匹配選擇生成相應(yīng)的交互流程后，才能進(jìn)入相應(yīng)的場(chǎng)景中進(jìn)行所生成交互流程的交互模擬操作。系統(tǒng)部分功能點(diǎn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)部分功能點(diǎn)

2.2 系統(tǒng)組成

2.2.1 主菜單架構(gòu)

系統(tǒng)主要有演示和交互兩大部分，其中交互部分包括鋼料加工和船體裝配兩個(gè)模塊。船體裝配系統(tǒng)是整個(gè)船舶建造仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)交互模式的第二個(gè)模塊，系統(tǒng)入口見(jiàn)圖1。

圖1 主菜單構(gòu)架

點(diǎn)擊船體裝配，即可進(jìn)入裝配系統(tǒng)的操作選擇，這時(shí)候會(huì)彈出該系統(tǒng)的分支內(nèi)容，分為部件裝配、分段建造、總段建造、船體總裝4大類(lèi)。點(diǎn)擊各個(gè)類(lèi)別即可進(jìn)入相應(yīng)的操作流程，見(jiàn)圖2。

圖2 局部頁(yè)面

2.2.2 子菜單架構(gòu)

進(jìn)入相應(yīng)的裝配類(lèi)別后，首先要進(jìn)行的是操作模式的選擇，整個(gè)裝配系統(tǒng)的操作模式分為教學(xué)模式和測(cè)試模式。

教學(xué)模式用于教師教學(xué)。該模塊在場(chǎng)景中的操作可以返回進(jìn)行重新操作，并且每一步的操作均不做評(píng)分。

訓(xùn)練模式用于學(xué)生操作訓(xùn)練。學(xué)生根據(jù)內(nèi)容可選擇自認(rèn)為正確的裝配場(chǎng)地、方法、設(shè)施、操作步驟，由評(píng)分系統(tǒng)進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定。在所有的交互完成之后，評(píng)分系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)為參與評(píng)定的整個(gè)操作進(jìn)行等級(jí)評(píng)定并且列出錯(cuò)誤與正確的步驟。

3 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

3.1 主要內(nèi)容

船體裝配系統(tǒng)主要有部件裝配、分段建造、總段裝配和船體總裝幾部分內(nèi)容。系統(tǒng)采用人機(jī)互動(dòng)的方式，在操作中使用者要正確選擇裝配場(chǎng)地、裝配方式、設(shè)施和工具，進(jìn)行正確的裝配判斷，進(jìn)行模擬操作。人機(jī)互動(dòng)操作時(shí)，如裝配順序及方法不正確，則裝不上去。此外，系統(tǒng)操作過(guò)程中還設(shè)置多種選項(xiàng)，如裝配過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方案、工藝參數(shù)、建造精度控制等進(jìn)行選擇。

3.1.1 部件裝配(小組立)子系統(tǒng)

給定幾種典型部件進(jìn)行模擬裝配，根據(jù)圖紙?zhí)峁┥珊侠淼难b配工藝，工藝內(nèi)容包括從畫(huà)線、安裝、定位焊到焊接、吊離等整個(gè)過(guò)程。

1)首頁(yè)出現(xiàn)裝配場(chǎng)地及設(shè)施、工具等供選擇，并列出組成部件的零件。

2)選擇要裝配的部件種類(lèi)、場(chǎng)地、設(shè)施及工具。

3)選好后即出現(xiàn)安裝模擬場(chǎng)地，進(jìn)行部件的人機(jī)互動(dòng)模擬裝配，將構(gòu)件安裝到位。

4)部件安裝結(jié)束后會(huì)出現(xiàn)正確的部件裝配工藝流程框圖。

3.1.2 分段裝配(中組立)子系統(tǒng)

選船體中部幾種典型分段進(jìn)行模擬裝配。根據(jù)分段的類(lèi)型及分段圖上相關(guān)數(shù)據(jù)等，列出合理裝配方式，并生成分段合理的裝配工藝。

1)首頁(yè)出現(xiàn)分段裝配場(chǎng)所、裝配方式、裝配工裝設(shè)施及工具等供選擇，并列出組成分段的各部分結(jié)構(gòu)(包括零、部件)，供裝配采用。

2)選擇要裝配的分段種類(lèi)、場(chǎng)地、設(shè)施及工具。

3)選好后即出現(xiàn)安裝模擬場(chǎng)地，進(jìn)行分段的人機(jī)互動(dòng)模擬裝配，將零部件安裝到位。

4)分段裝配結(jié)束后出現(xiàn)正確的分段裝配工藝流程框圖。

3.1.3 總段裝配(總組立)子系統(tǒng)

對(duì)船中或艏、艉典型部位總段或大型立體分段進(jìn)行模擬裝配?？偠窝b配系統(tǒng)中列出組成總段的各分段?？筛鶕?jù)選定總段自動(dòng)生成合理的裝配工藝。

1)首頁(yè)出現(xiàn)總裝用的施工場(chǎng)地、裝配方式、工藝裝備設(shè)施及工具等。

2)選定裝配場(chǎng)地、裝配方式、工具及工藝裝備等。

3)選擇正確后，按順序進(jìn)行總段的模擬裝配，包括劃線、定位、裝配、焊接等。點(diǎn)擊需要吊裝的分段，可出現(xiàn)模擬吊裝的場(chǎng)景。當(dāng)正確選定下一個(gè)步驟，即可進(jìn)行該步驟模擬裝配。

4)總段裝配結(jié)束后出現(xiàn)正確的總段裝配工藝流程框圖。

3.1.4 船體總裝(搭載)子系統(tǒng)

在系統(tǒng)里應(yīng)有幾種造船設(shè)施方案供選用。根據(jù)選定的船型在不同造船設(shè)施條件下自動(dòng)選擇船臺(tái)(或船塢)合龍方式及合理(優(yōu)化后)的裝配順序。列出所造船舶的各種分、總段供船臺(tái)(或船塢)吊裝。

1)首頁(yè)出現(xiàn)船臺(tái)(或船塢)裝配場(chǎng)地及吊裝設(shè)備、船臺(tái)設(shè)施、工具及總裝方式等。

2)選定船臺(tái)(或船塢)、總裝設(shè)施及工具以及總裝方式。

3)選擇正確后進(jìn)行模擬船臺(tái)總裝，包括畫(huà)線或船塢鋪墩，模擬船臺(tái)吊裝工藝及合龍順序。點(diǎn)擊要吊裝的分段即進(jìn)行該分段的船臺(tái)吊裝過(guò)程。

4)總裝結(jié)束后出現(xiàn)正確的船臺(tái)裝配工藝流程框圖。

3.2 交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)實(shí)例

該系統(tǒng)中針對(duì)裝配各模塊中的不同子模塊分別進(jìn)行了交互操作內(nèi)容設(shè)計(jì)，現(xiàn)以部件裝配中的拼板為例介紹其交互操作的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)內(nèi)容，其拼板操作頁(yè)面見(jiàn)圖3。

圖3 拼板交互界面

3.2.1 交互操作過(guò)程

完成拼板模塊的UI的選擇后，根據(jù)選擇的情況進(jìn)入相應(yīng)的交互操作場(chǎng)景中進(jìn)行模擬操作。其操作過(guò)程如下。

流程選擇(UI的流程選擇關(guān)系)。拼板(裝配部件)—內(nèi)場(chǎng)(裝配場(chǎng)地)—平裝(裝配方法)—平臺(tái)(工藝裝備)—焊機(jī)、吊具、尺、馬板等(設(shè)備工具)。

交互按鈕。平臺(tái)、鋪鋼板、除銹 、板列定位 、定位焊、板列焊接 、矯正變形 、劃線標(biāo)注 、翻身。

交互操作。主要通過(guò)交互按鈕的順序選擇實(shí)現(xiàn)交互的順序，錯(cuò)誤的按鍵順序也會(huì)被記錄到評(píng)分系統(tǒng)。拼板的場(chǎng)景是在內(nèi)場(chǎng)車(chē)間，交互操作之前場(chǎng)景中攝像機(jī)只能看到廠區(qū)中空余的一塊場(chǎng)地，看不到與拼板相關(guān)的裝備與工具。此時(shí)用戶操作的視角是一個(gè)360°自由查看的視角，通過(guò)按住鼠標(biāo)右鍵并拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)視角的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)鼠標(biāo)滾輪實(shí)現(xiàn)視角遠(yuǎn)近的控制。

3.2.2 交互按扭功能

頁(yè)面下方的一系列菜單是實(shí)現(xiàn)整個(gè)操作過(guò)程的交互按鈕，通過(guò)點(diǎn)擊鼠標(biāo)，即可實(shí)現(xiàn)裝配順序的選擇。

平臺(tái)按鈕。裝配平臺(tái)載入，載入的方式主要是通過(guò)程序控制的位置移動(dòng)方式，從上到下自動(dòng)到達(dá)指定位置。

鋪設(shè)鋼板按鈕。鋼板從上到下到達(dá)平臺(tái)上方。

除銹按鈕。場(chǎng)景中在鋼板的拼接處會(huì)出現(xiàn)除銹的模擬銹跡線，表明除銹過(guò)程，除銹過(guò)程結(jié)束后，銹跡線消失。

板列定位按鈕。鋼板稍有移動(dòng)使一端對(duì)齊，在距板列端一定距離處有檢測(cè)線閃動(dòng)，顯示鋼板對(duì)齊。

定位焊按鈕。通過(guò)先中間再兩邊后密集的方式依次在鋼板的接縫處出現(xiàn)粒子效果，粒子閃爍后就會(huì)自動(dòng)消失，代表定位焊結(jié)束。

焊接按鈕。場(chǎng)景中會(huì)在所有鋼板的縫隙處出現(xiàn)焊接線模擬焊接的過(guò)程，焊接線是從中間向兩邊出現(xiàn)的。

火工矯正按鈕。場(chǎng)景中會(huì)有氧乙炔烘炬在鋼板上方走過(guò)，模擬火工矯正的過(guò)程。

畫(huà)線標(biāo)注按鈕。在焊接好的鋼板上會(huì)出現(xiàn)邊緣線和構(gòu)件安裝線。

翻身按鈕。鋼板自動(dòng)翻身180°，接著再點(diǎn)擊焊接按鈕，在反面進(jìn)行鋼板的封底焊，焊接方向與正面相反，由兩邊向中間依次出現(xiàn)焊接線。

通過(guò)點(diǎn)擊上述按扭完成整個(gè)拼板的交互操作。如果是測(cè)試模式的話，場(chǎng)景中會(huì)自動(dòng)顯示出整個(gè)過(guò)程的評(píng)分結(jié)果，包括評(píng)分等級(jí)以及正確、錯(cuò)誤的步驟；如果是教學(xué)模式的話，在交互過(guò)程的任何時(shí)刻按“B”鍵都可以重新進(jìn)行交互操作。

4 結(jié)束語(yǔ)

船體裝配仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)船廠廠區(qū)、建造設(shè)施、船體結(jié)構(gòu)等進(jìn)行逼真的3D可視化虛擬展示，采用人機(jī)互動(dòng)方式，與虛擬環(huán)境中的船體模型、施工場(chǎng)地及設(shè)施進(jìn)行交互操作，完成船體模擬裝配。該系統(tǒng)的人機(jī)互動(dòng)操作方式在國(guó)內(nèi)船舶建造仿真中是首例，創(chuàng)新了我國(guó)船體裝配操作人員的培訓(xùn)模式。

由于船舶制造的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)任務(wù)多、產(chǎn)品建造的周期較長(zhǎng)、裝配現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)性較大，在企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行員工培訓(xùn)及學(xué)生實(shí)訓(xùn)的條件有限，對(duì)船舶建造過(guò)程缺乏直觀地了解。船體裝配仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，能夠?yàn)榇敖ㄔ焐a(chǎn)、職工培訓(xùn)及教學(xué)等應(yīng)用服務(wù)，可使船體裝配初學(xué)者通過(guò)仿真系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，掌握船舶及海洋工程建造工藝過(guò)程、船體裝配方法、場(chǎng)地設(shè)施和所使用工具。并通過(guò)人機(jī)互動(dòng)的訓(xùn)練方式，在如身臨現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)下，達(dá)到對(duì)船體裝配操作的訓(xùn)練，提高實(shí)際操作能力，從而大大提高裝配人員的培訓(xùn)效率。船體裝配仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)主要是以散貨船的船體裝配操作進(jìn)行的開(kāi)發(fā)，以后還可擴(kuò)展到其他常規(guī)船型船體裝配的仿真訓(xùn)練，并應(yīng)對(duì)船舶舾裝和涂裝方面的仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

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