張 偉

（武漢交通職業(yè)學院，武漢 430065）

虛擬現(xiàn)實技術（Virtual Reality，VR）又稱靈境技術，是20世紀發(fā)展起來的一項全新的實用技術，并逐步成為一個新的科學技術領域[1]。隨著VR技術的發(fā)展，船舶與海洋工程裝備制造產(chǎn)業(yè)也逐步在設計建造、教育培訓等領域開始對其進行應用。美國的邁爾船廠在2004年實施的船舶虛擬制造計劃，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%的船舶設計時間，減少了20%的建造時間下降和50%的產(chǎn)品目錄。在國內(nèi)，七一九所在2017年8月建成船舶行業(yè)首個沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)（CAVE隨系統(tǒng)）。2019年3月，江南造船集團有限公司下水了國內(nèi)首條完全通過數(shù)字化建造的船舶，通過三維體驗平臺進行設計和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)約束問題，使舶建造裝配式施工中運動路徑旋轉(zhuǎn)量降低29%，旋轉(zhuǎn)距離權值降低22%[2]。蔣革等人結(jié)合現(xiàn)代造船模式和VR技術的特點，提出了一個船舶VR設計系統(tǒng)框架，并對其關鍵技術進行了研究和探討[3]。劉雅麗等人利用VR技術對船舶零部件進行設計研究，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、機械設備、電子電氣設備等重型機械裝配一體化作業(yè)的重工行業(yè)。學校由于資金、場地等方面的制約，不可能完全復制企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境。以往主要通過校企聯(lián)合的培養(yǎng)模式進行教學，但是這種模式有其局限性，如地域的影響、時間的影響等。本文通過VR技術對船舶智能制造虛擬仿真實訓系統(tǒng)進行設計與開發(fā)，探討當前出現(xiàn)的難題，提供了一種新的解決思路。

1 系統(tǒng)開發(fā)流程簡介

第一，設計系統(tǒng)的整體方案，確定系統(tǒng)各個模塊及要實現(xiàn)的功能。第二，通過調(diào)研、分析各個模塊的功能，利用攝像的各種功能采集材質(zhì)紋理貼圖和真實場景的平面模型。第三，通過3D圖形處理軟件如Photoshop、MAYA、3D Max）處理紋理和構(gòu)建真實場景的三維模型，因此虛擬場景都是真實場景通過軟件處理進行的真實的在現(xiàn)。建模是構(gòu)建場景的關鍵因素之一，完成后還要進行再優(yōu)化。第四，導入到Unity3D構(gòu)建虛擬平臺。在Unity3D平臺通過音效、圖形界面、插件、燈光設置渲染。渲染是系統(tǒng)的關鍵因素，基本渲染都是通過插件來實現(xiàn)的。第五，基于高端虛擬設備頭盔等設備編寫接口程序，開發(fā)全沉浸虛擬交互虛擬仿真實訓系統(tǒng)，并應用虛實融合設備實現(xiàn)整個實驗過程。

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)展試點示范項目名單》，南通中遠川崎公司因“基于兩化深度融合的智能船廠建設”項目，成為國內(nèi)船舶行業(yè)唯一家智能工廠解決方案試點示范項目的企業(yè)。目前，南通中遠川崎公司已構(gòu)建了一套智能高效的制造執(zhí)行系統(tǒng)，在自動化/智能化生產(chǎn)線、流水線的基礎上，持續(xù)推進智能車間、智能工廠的建設。它先后投產(chǎn)了型鋼自動生產(chǎn)線、條材機器人生產(chǎn)線、先行小組立機器人焊接線以及小組材機器人焊接線等智能化和自動化生產(chǎn)線，使得相應工序的生產(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，減輕了勞動強度，減少了人工成本，節(jié)約了場地資源。本系統(tǒng)部分借鑒中遠川崎船舶智能制造的相關工序，并在此基礎上進行了拓展和延伸。

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訓系統(tǒng)是一項復雜的虛擬操作系統(tǒng)工程。本系統(tǒng)主要包括船廠虛擬仿真、智慧船廠管控平臺展示、船舶裝配虛擬實訓系統(tǒng)、船舶放樣虛擬實訓系統(tǒng)、AR工業(yè)機器人裝配實訓、虛擬搭載系統(tǒng)和船體涂裝仿真實訓系統(tǒng)7大子系統(tǒng)。

2.3 系統(tǒng)功能模塊開發(fā)

2.3.1 虛擬場景展示

在虛擬場景模塊中，系統(tǒng)基于最新的三維虛擬軟硬件技術，全方位無死角展示整個智慧船廠和智慧船廠管控平臺，包括環(huán)境、布局、車間研究設備等。通過自動規(guī)劃導覽路徑，帶領用戶身臨其境地體驗船舶智能制造的整個流程，包括鋼材入庫、鋼材預處理、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、船臺裝配和下水。在虛擬場景模塊中，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、場景切換。在體驗方式上，主要分為VR版和大屏版。VR版操作流程即戴上頭顯設備進入VR船廠場景后，系統(tǒng)出現(xiàn)UI引導，并對操作方法進行介紹。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到3D立體效果的真實船廠場景，且如同3D電影一般帶領參觀者瀏覽整個船廠和船舶生產(chǎn)建造工藝流程。

2.3.2 演示視頻

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

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備、工具等（數(shù)據(jù)手套/位置跟蹤器、鼠標/鍵盤、力反饋操作設備等）來實現(xiàn)在真實環(huán)境中一樣的操作。例如，在船舶虛擬搭載模塊中，學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程。

2.3.4 教學考核系統(tǒng)

本系統(tǒng)通過各種虛擬仿真軟件配合交互式虛擬場景進行認知和學習，還引入了良好的評分機制，能檢測實訓操作系統(tǒng)的各個操作階段和環(huán)節(jié)，自動進行實驗評分。

2.3.5 VR資源庫

系統(tǒng)提供多個豐富多元的、實時更新的VR資源庫，如內(nèi)裝資源庫和典型船舶結(jié)構(gòu)資源庫。內(nèi)裝資源庫提供內(nèi)裝所需要的所有種類的素材供學員在模擬內(nèi)裝時使用，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、化學品船、油船以及集裝箱船等。

3 系統(tǒng)應用

3.1 硬件配置

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

表1 船舶智能制造虛擬仿真實訓系統(tǒng)主要硬件配置

3.2 用戶體驗

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

4 結(jié)語

本文介紹的基于VR船舶智能制造虛擬仿真實訓系統(tǒng)開發(fā)是為學生建立開放式實驗教學環(huán)境，通過建立多種虛擬場景，讓學生能在三維場景中進行學習和實訓，實現(xiàn)人機互動。學生能夠自行查看學習效果和評分，不受時間、空間和其他各種條件的限制。船舶智能制造虛擬仿真實訓系統(tǒng)作為傳統(tǒng)教學資源的一種有效補充，虛實結(jié)合，提供了一種有危險性的裝備實驗新的實驗教學和考核模式，有助于改善存在的教學手段缺乏改革創(chuàng)新、學生學習興趣不高等問題，讓學生掌握新工具和新環(huán)境，從而更好地能夠適應時代變化，拓展獲取知識的渠道和能力。