杜鵬 石江超 韓兵兵

摘 要：開展鉆井船設備關鍵部件虛擬裝配技術研究，對提升鉆井船設備研發(fā)質量、縮短周期、降低成本和減少風險具有重要意義?；赩R技術進行環(huán)境虛擬平臺搭建、模型體系構建、虛擬試驗驗證，開發(fā)基于虛擬設計與虛擬試驗的鉆井船設備關鍵部件虛擬裝配研發(fā)平臺，開發(fā)面向沉浸式、交互式的虛擬裝配系統(tǒng)。結果表明：該系統(tǒng)對設備實際裝配工作能夠起到指導作用，具有較強的實際應用價值。

關鍵詞：鉆井船;關鍵部件;虛擬現(xiàn)實

中圖分類號：TH3? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）02-0044-3

虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality，VR）是指通過計算機抓取現(xiàn)實物體的物理屬性特征，按其特點實現(xiàn)虛擬場景中的三位模型重建，完成仿造現(xiàn)實的技術。近年來，VR技術得到不斷發(fā)展并趨于成熟，作為在計算機圖形學、仿真技術、人機接口技術等基礎上發(fā)展起來的交叉融合學科，其利用仿真手段在用戶和計算機之間構成了一個完整的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)[1]。虛擬現(xiàn)實技術一定程度上解決了工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)前期的結構、性能、功能、工藝甚至維護等問題[2]，在實施前期，進行虛擬模擬，能夠對產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性進行有效驗證[3]。

目前，船舶領域中VR技術大部分集中在巡檢及操作方面。國外對船舶行業(yè)VR技術的應用研究較早，英國通過輪機模擬器嵌入系統(tǒng)場景，實現(xiàn)了對船舶輪機設備的仿真操作;美國的VESUB工程通過技術分段和語音識別、位置跟蹤等多種高新技術，實現(xiàn)了船舶的綜合操作模擬[4]。國內，大連海事大學利用三維仿真重建技術，實現(xiàn)了DMS-2000型輪機運動模擬及機艙漫游 [5];付澤民[6]等闡述了基于VR技術的船舶虛擬裝配的關鍵性技術，并通過SUN工作站和圖形設計軟件，驗證了虛擬裝配技術實際生產(chǎn)時的有效性。陳寧[7]論述了Vega虛擬現(xiàn)實軟件開發(fā)船舶設備裝配仿真應用程序的方法及關鍵技術。

目前，對于船舶設備中的虛擬現(xiàn)實裝配研究較少，尤其對特種作業(yè)船舶（如鉆井船、科考船等）作業(yè)裝配的虛擬仿真的實現(xiàn)鮮有研究。本文基于虛擬現(xiàn)實技術，針對海洋鉆井船舶設備，進行虛擬裝配環(huán)境搭建、模型體系構建、虛擬試驗驗證，開發(fā)基于虛擬設計與虛擬試驗的鉆井船設備關鍵部件虛擬裝配研發(fā)平臺，開發(fā)面向沉浸式、交互式的虛擬裝配系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建立對鉆井船設備實際裝配、維護具有較強的應用價值。

1 環(huán)境虛擬平臺搭建

鉆井船設備關鍵部件虛擬裝配仿真前，應對虛擬裝配仿真環(huán)境進行必要的設置，主要包括：數(shù)據(jù)準備、裝配場景初始化、操作仿真及過程規(guī)劃。

1.1 數(shù)據(jù)準備

基于Solidworks平臺，對設備關鍵部件的三維模型進行構建，并完成關鍵部件模型優(yōu)化及輕量化處理;其次，對裝配工具進行標準化實際尺寸建模，并對裝配空間進行照片級構建。最后，將關鍵部件模型與裝配工具共同導入Unity 3D虛擬現(xiàn)實軟件中。

1.2 裝配場景初始化

基于Unity 3D平臺導入結構模型、環(huán)境模型和用戶模型數(shù)據(jù)，并對虛擬裝配的仿真應用場景進行模型導入，生成環(huán)境場景，其中包括軟硬件系統(tǒng)運行設置、裝配模型數(shù)據(jù)導入設置、裝配環(huán)境模型數(shù)據(jù)導入設置、用戶模型數(shù)據(jù)導入設置等[8]。

1.3 關鍵部件模型序列分析

首先，鉆井船設備關鍵部件主要包括：STC閥組件、泵頭組件、管柱組件、液貨法蘭組件。其次，部件裝配需進行序列的分析與修正，包括過程流名稱、部件屬性、裝配各環(huán)節(jié)信息以及裝配要求，其中，鉆井船設備裝配流分析與修正主要采用如下方法：組件識別法、裝配優(yōu)先約束法、知識求解法、拆卸法[4]。

1.4 操作仿真及過程規(guī)劃

在虛擬裝配環(huán)境中，針對裝配部件三維模型的各裝配單元，利用人機交互式設備進行裝配過程的仿真操作，或進行整體模型的拆卸過程仿真操作，并且，記錄操作過程中的數(shù)據(jù)信息，以供后期裝配過程分析及規(guī)劃。數(shù)據(jù)信息主要包括：模型單元的裝配序列信息、模型單元裝配路徑規(guī)劃信息、虛擬環(huán)境模型與裝配模型單元相對位置信息。模型裝配過程規(guī)劃包括：模型單元裝配順序與運動路徑規(guī)劃、模型單元間干涉與碰撞分析、裝配環(huán)境操作空間分析等，最終獲得裝配模型最佳裝配序列與運動路徑[9]。

模型裝配操作仿真流程如圖1所示。

2 虛擬裝配系統(tǒng)設計與方法

2.1 系統(tǒng)設計

鉆井船設備關鍵部件虛擬裝配系統(tǒng)設計流程主要包括部件裝配序列規(guī)劃、運動路徑規(guī)劃等，并考慮裝配工藝性、裝配可行性、人機交互等，遵循預先設計規(guī)則，對裝配模型劃類分層逐級、自下而上對設備模型進行虛擬裝配操作。虛擬裝配設計思路如圖2所示。

裝配順序規(guī)劃包括裝配前零件檢查與處理、零部件及組件裝配、整體裝配及安裝試驗工裝。裝配路徑是零件從布放位置到組裝位置所經(jīng)過的無物理碰撞接觸的運動軌跡，合理的裝配路徑能夠避免零件干涉，同時保證裝配的合理性和可操作性，最終可以有效降低裝配難度和工作量，提升整體工作效率。

2.2 系統(tǒng)物理屬性

三維模型物理屬性的設置，可使其更接近現(xiàn)實事物，具有逼真效果。在Unity 3D 中模型物理屬性設置包括剛體、物理材料、力場以及物理關節(jié)等。利用Unity 3D中的Nvidias PhysX 物理引擎，使模型運動滿足實際物理定律。本文使用剛體組件和物理材料來增強設備系統(tǒng)的物理效果和裝配效果，實現(xiàn)完全模擬現(xiàn)實情況的物理效應。 在具備物理引擎支持后，部件裝配碰撞檢測及障礙物阻擋功能的設定，能夠在虛擬環(huán)境場景中，避免出現(xiàn)物體“穿透而過”的不科學情況。

3 虛擬裝配系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 人機交互界面設計

本文通過HTC VIVE虛擬顯示設備觸發(fā)GUI（人機交互）按鍵執(zhí)行相關命令，完成對裝配環(huán)節(jié)的控制，實現(xiàn)了三維實體模型和數(shù)學模型的有機結合。鉆井船設備虛擬裝配系統(tǒng)的GUI設計，以UI邏輯關系為依托，配合腳本語言，利用Unity 3D內置圖形用戶界面開發(fā)模塊，繪制主界面和各個子界面，明確各個界面的功能，實現(xiàn)各功能開發(fā)及界面切換。人機交互界面UI邏輯關系如圖3所示。

3.2 交互方式測試與優(yōu)化

系統(tǒng)功能設計完成后，仍需要對系統(tǒng)進行優(yōu)化，以保證系統(tǒng)運行的流暢性、操作的靈敏性以及整體的穩(wěn)定性。除模型和虛擬環(huán)境本身的優(yōu)化外，還須對系統(tǒng)程序進行優(yōu)化，主要包括以下幾個方面：

（1）精簡程序代碼，刪除冗余腳本，提升搜索效率;

（2）減少宏程序的使用及模塊運算，減少GUI函數(shù)操作;

（3）避免創(chuàng)建局部變量，必要時可使用靜態(tài)變量，但應注意控制變量數(shù)量;

（4）盡量用結構來代替類的使用。

3.3 虛擬現(xiàn)實操作

Unity 3D制作的虛擬現(xiàn)實內容通過虛擬現(xiàn)實硬件設備展現(xiàn)出來，包括：虛擬現(xiàn)實生成設備、輸出設備和輸入設備。本文鉆井船設備關鍵部件虛擬裝配系統(tǒng)主要使用HTC Vive ，HTC Vive通頭戴式顯示器、單手持控制器、定位系統(tǒng)三大模塊給與使用者提供沉浸式體驗，經(jīng)PC端設備可執(zhí)行程序，可進入操作界面，在虛擬環(huán)境中，可用手持設備拾取各部件進行裝配，模擬真實安裝對位情況。

通過HTC Vive虛擬現(xiàn)實設備與Unity3D引擎結合生成沉浸式的3D運維界面，從鉆井船設備系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)實時更新系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實現(xiàn)設備監(jiān)測的實時動態(tài)呈現(xiàn)，可以多角度、多方式監(jiān)測，不僅可以通過HTC Vive虛擬設備沉浸式觀察鉆井船設備系統(tǒng)運行時的虛擬模型，而且可以在線觀察系統(tǒng)各部件的運行參數(shù)，并能在系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)異常時及時發(fā)出報警。

4 結論

基于虛擬現(xiàn)實技術的裝配仿真，在制造業(yè)的數(shù)字化、智能化發(fā)展中占有重要地位，本文預先仿真鉆井船設備關鍵部件的裝配技術，對鉆井船設備實際生產(chǎn)制造具有積極意義。主要結論如下：

（1）對鉆井船設備關鍵部件進行分解處理，研究分析了設備的結構、組成以及裝配工藝，確定了鉆井船設備關鍵部件的虛擬裝配方案、系統(tǒng)功能和實現(xiàn)方法。

（2）基于三維SolidWorks軟件平臺，對鉆井船設備關鍵部件進行建模與優(yōu)化，利用Unity 3D軟件平臺進行虛擬環(huán)境建模與優(yōu)化，并通過材料賦屬性、環(huán)境賦屬性等引擎技術增強了虛擬裝配系統(tǒng)的現(xiàn)實性，最終實現(xiàn)了鉆井船設備關鍵部件的環(huán)境漫游、虛擬裝配操作等功能。

（3）基于VR技術的鉆井船設備虛擬裝配軟件平臺，能夠顯著提高用戶對系統(tǒng)結構、系統(tǒng)布局、部件位置的空間理解，對鉆井船現(xiàn)實裝配工作起到指導作用，從而提升建造效率、質量，降低建造成本，具有較強的實際應用價值。

參考文獻：

[1]任鴻翔.基于VR的船舶消防模擬訓練系統(tǒng)研究[A].1995-2009航海技術論文選集.中國航海學會，2010.5.

[2]張?zhí)m英.虛擬裝配設計系統(tǒng)的研究[J].機械設計與制造，2002，37（04）：37-39.

[3]李蕙.虛擬建設模式在國際工程管理中的應用分析[J].中國水運，2010，10（09）：118-119.

[4]郭濤.船舶動力艙管系裝配過程虛擬仿真應用研究[D].廈門：集美大學，2016.

[5]郭晨，史成軍，孫建波等.高仿真度的DMS-2000型船舶機艙模擬器[J].大連海事大學學報，2002（28）：28-30.

[6]付澤民，王大鎮(zhèn)，姚壽廣.虛擬裝配技術在船舶設計中的應用[J].船海工程，2006，32（03）：32-35.

[7]陳寧，劉煒.基于接近現(xiàn)實環(huán)境的船舶設備虛擬裝配仿真研究[J].造船技術，2006（05）：37-40.

[8]丁紅宇，張紅旗.機械產(chǎn)品虛擬裝配標準研究[J].機械工業(yè)標準化與質量，2009（11）：52-54.

[9]陳杰，潘康華，王云峰，等.仿真標準試驗驗證及技術服務平臺建設探討[J].機械工業(yè)標準化與質量，2018（02）：34-39.