基于OSG虚拟现实的转向架车间布局规划

林蓝，姜良奎，付建林，张恒志，江海凡

基于OSG虚拟现实的转向架车间布局规划

林蓝1，姜良奎1，付建林2，张恒志1，江海凡2

（1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266000；2.西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

针对动车组转向架生产车间布局规划问题，结合三维仿真技术、虚拟现实技术和人机交互设备，建立基于OSG的虚拟现实转向架车间布局规划系统，将物理生产车间映射到虚拟现实空间中，建立与真实一致的三维可视化转向架车间模型，基于OSG虚拟现实平台和人机交互手段，进行转向架虚拟车间的可视化展示与漫游、虚拟车间布局规划评审，阐述了基于OSG虚拟现实车间布局规划系统的组成、结构与关键实现技术。实际应用效果证明了方法的正确性和有效性。

OSG；虚拟现实；转向架；车间布局

车间布局规划对于车间生产线的运行性能有重大的影响，车间生产线一旦建成，再改变布局较为困难，因此，一般企业在建线前都会对车间生产线进行细致的布局规划。但目前车间规划主要停留在经验方面，也有使用布局工具进行规划的，但不直观不形象，人机交互体验差，布局规划效率不高。而三维仿真技术以及虚拟现实（Virtual Reality，VR）提供了直观的可视化效果以及沉浸式人机交互体验，可以建立虚拟的三维可视化车间场景，进行沉浸式交互评审，直观高效地进行车间布局规划。通过虚拟现实技术对设施布局问题进行逼真的三维可视化仿真，能够有效弥补传统布局方法过于抽象、不够准确等缺点，从而大幅度提高布局设计方案的可行性，以达到节省投资成本和节约时间的目的[1]。已经有学者进行了这方面的尝试，杨凡[2]以锚杆钻机为研究对象，将开源三维图形渲染引擎OSG（OpenSceneGraph）和MFC结合起来创建锚杆钻机的交互式仿真培训平台，可以通过各个不同视角之间的快捷切换满足培训者的不同需求；贾坤[3]对基于OSG虚拟现实平台的交互式三维工艺布局技术进行了研究，分别从三维模型的拾取技术、操纵技术、场景交互式漫游技术和路径漫游技术四个方面对三维虚拟环境下的交互式布局关键技术进行了研究；李琳琳[4]利用OSG虚拟现实技术建立叉车驾驶场景实体三维模型，模拟叉车驾驶中的各种操作，实现了叉车操作仿真培训；杜骆铭[1]利用OSG开发了虚拟设施布局系统，提供一个三维虚拟环境来检验布局设计方案的可行性和潜在问题；马思群[5]基于Unity3D引擎开发了动车转向架虚拟拆装培训系统，具有真实的培训场景及操作、交互性强、培训效果明显等特点；夏文文[6]应用OSG技术，针对典型起重机，开发了交互式虚拟拆卸系统，实现对起重机的虚拟拆卸；苍松[7]利用OSG建立了动车组转向架虚拟装配系统的虚拟现实环境，实现了对动车组转向架虚拟拆装的功能；谷成伟[8]基于OSG运用立体显示、网络协同、碰撞检测等技术，设计并开发了采煤机虚拟装配试验系统，能够利用轨迹球、数据手套及位置跟踪器实现虚拟装配人机交互；王学文[9]基于OSG、Cegui、VC++等软硬件设备，搭建了交互性好、沉浸感强的某型号电牵引采煤机虚拟现实装配应用系统。高颖[10]针对航空发动机虚拟教学研究了基于数据手套与碰撞检测的人机交互式虚拟装配、基于立体眼睛与头盔的立体显示等技术。范岩萍[11]研究了立体视觉在虚拟训练仿真系统中的应用，能够从立体听觉和视觉上增强虚拟训练的沉浸性和实用性。可见，利用三维图形技术、计算机仿真技术能够对研究对象进行虚拟仿真，结合虚拟现实技术能够提供沉浸式体验。但当前研究中尚未有利用三维仿真技术和虚拟现实技术对转向架生产车间进行布局规划研究，本文以某动车组转向架生产车间为对象，将物理车间映射到虚拟现实空间中，建立与真实一致的三维可视化转向架车间模型，利用虚拟现实人机交互手段，进行转向架虚拟车间的可视化展示与漫游、虚拟车间布局规划评审。

1 虚拟现实转向架车间布局规划

基于OSG虚拟现实的转向架车间布局规划技术思路如下：首先对转向架生产车间进行数字化建模，构建面向虚拟布局的转向架车间数字化模型；然后将转向架车间数字化模型导入OSG虚拟现实平台，开发三维可视化的车间布局场景，实现车间可视化展示；最后在虚拟现实交互系统的支持下，进行转向架虚拟车间的交互式漫游、布局规划验证和评审。具体技术路线如图1所示。

首先，转向架车间建模将以转向架某生产车间为对象，基于1:1真实性建模原则，采用CATIA三维建模软件，对车间生产线各类资源进行数字化三维建模，重点针对关键工艺环节进行各类自动化生产线建模，其余从物流角度简化建模即可，建模内容包括加工设备、装配设备、立体仓库、桁架机械手、机器人、AGV/RGV小车、工人等资源，由于数据量较大，需要进行相关的模型轻量化处理，最终形成转向架生产数字化车间模型。然后，通过三维图形引擎OSG导入转向架数字车间模型，在OSG中进行虚拟现实可视化展示漫游的编辑与开发，转向架虚拟车间布局规划仿真的编辑与开发。最后，在虚拟现实软硬件平台和虚拟现实立体投影系统的支持下，让人进入虚拟车间环境中，通过立体眼镜、三维鼠标等虚拟交互设备实现用户对虚拟车间场景的沉浸式体验与交互，进行转向架虚拟车间布局规划仿真验证与评审。

图1 基于OSG虚拟现实的转向架车间布局技术路线

2 关键实现技术

2.1 基于OSG的转向架车间可视化展示与漫游

转向架车间布局规划是以虚拟现实技术为基础的，而其中最重要的就是虚拟环境的构建，这也是用户获得逼真感和沉浸感的保证。虚拟环境的构建通常是对某种三维渲染引擎进行二次开发以满足自身需求，OSG是一款开源高效的三维图形渲染引擎，使用OpenGL技术开发，是一套基于C++平台的应用程序接口，能够更加快速、便捷地创建高性能、跨平台的交互式图形程序。它采用面向对象、基于组件式的开发框架，通过图来组织和管理场景，具有丰富的类库和插件工具，是一个成熟、稳定的开源图形引擎。本文从可扩展性、许可性、性能和可移植性等多个方面综合考虑，最终选取了OSG来构建转向架车间的虚拟布局场景。

（1）基于OSG的转向架车间展示与漫游架构

基于OSG的转向架车间可视化展示与漫游架构如图2所示，分为四层，分别为数据层、中间层、应用层和表现层。

分四步实施，分别为前期素材准备、工艺流程梳理、图形场景渲染和应用功能实现。前期素材准备、工艺流程梳理对应系统数据层的构建和实现，图形场景渲染对应系统中间层的构建和实现，应用功能实现对应系统应用层和表现层。前期素材准备是可视化实施的基础与关键，素材的丰富性、真实性、准确性决定了可视化的视觉效果和用户体验，关键技术有三维建模技术、图像处理技术、模型轻量化技术、数据库技术，主要通过现场调研和利用三维建模软件CATIA、模型处理软件3DMAX、图像处理软件PhotoShop及数据库管理软件ACCESS实现。图形场景渲染是系统的核心部分，关键技术有真实感光照技术、纹理烘焙技术、场景组织技术、面向对象技术、动画动作编辑技术，主要通过OSG（三维渲染引擎）和C++编程实现。应用功能实现提供对外人机交互接口和系统主体功能，关键技术有可视化仿真技术、虚拟漫游技术、碰撞检测技术、UI（用户接口）设计技术、C++编程技术等，主要通过OSG和MFC编程实现。

（2）基于OSG的转向架车间可视化展示

首先将前期建模的车间各类资源模型在OSG环境中进行布局与组装，形成完整的数字化车间模型。一种方式是导入各类设备模型，然后依据布局尺寸手动分别进行调整，另外一种方法是导入布局图，按照布局图导入各类设备模型，快速布局。

采用第二种方式更能保障位置准确性，以用户原始CAD布局图为基础，进行简化形成车间模型布局图。将各类主要设备、各类物流设备、各类工装工具设备等组装到车间基本布局里面，按照生产线实际布局再进行各类设备的布置。

图2 基于OSG的转向架车间可视化展示与漫游架构

车间可视化展示主要以二维和三维形式呈现车间真实布局，系统从数据库中导入模型设备，根据实际车间布局情况，确定各个设备之间的连接关系，最终装配成为整个车间模型，然后保存至数据库，这样就能够直接通过加载车间模型来展现车间的真实形态，其中车间可以由单元模块组成，这样能够更加清晰地向用户展现车间的具体结构，各生产线间的连接关系也能清楚地展现。系统能够对转向架车间进行布局设置，可以将车间分为多条生产线/单元区域，并通过树状图显示各生产线/单元区域的设备对象，系统能够单独展示其中的某一条生产线/单元区域，如图3所示。

（3）基于OSG的转向架车间交互漫游

为了便于进行车间布局评审，还需要开发基于OSG的转向架车间交互漫游功能，人机交互式漫游实现用户与虚拟环境之间进行信息交互，通过外部设备向系统发出控制指令，当该指令被系统执行后，虚拟场景中的摄像机会按照用户的操作需求不断的改变位置和朝向，可以满足用户以不同的视角来观察虚拟场景的需求，让用户仿佛置身其中，获得身临其境的直观感受，分为自动漫游和路径漫游。

自动漫游是根据所编辑的漫游路径进行漫游，自动漫游可进行漫游参数的调节，包括漫游速度、漫游的视点高度和漫游路径顺序的调节。

通过自动漫游不仅可以浏览车间内的设备布局和设备外观，而且可以通过漫游过程所添加的工艺说明了解每个设备的作用和加工流程。最后通过调节漫游参数可以增强用户漫游体验。自由漫游是通过使用键盘方向键和鼠标控制漫游方向等参数。自由漫游可根据用户的控制自由移动和停留，可以根据用户需求自主选择参观路径和停留时间。图4为基于OSG的转向架车间交互漫游。

图3 基于OSG的转向架车间可视化展示效果

图4 基于OSG的转向架车间交互漫游

而路径漫游可以对漫游的路径进行灵活管理。在车间漫游布局管理中，可设置车间漫游的路径。首先对创建的路径命名，然后在需要的漫游途径上画出路径，每条路径上有一个方向键，可通过它来更改漫游的方向。此外可以将在普通路径和分段路径间切换，后者可以加入简单操作，对漫游所要经过的区间进行文字性描述，以增强漫游中用户的体验。漫游路径定义好之后转入到三维场景，通过快捷键实现漫游路径的切换、多条漫游路径的先后选择、漫游速度的设置、视点高度的调节等。

2.2 虚拟现实人机交互布局评审

在OSG可视化展示漫游的基础上，将虚拟现实交互设备引入，可进行身临其境沉浸式转向架车间布局规划评审。虚拟现实人机交互车间布局评审如图5所示。需要引入的虚拟现实硬件包括：HPZ800图站，主动红外立体眼镜，主动红外立体发射器，多通道立体投影系统，跟踪定位器（高速传感器，手持跟踪器，眼部跟踪器）等，虚拟现实软件包括：OSG可视化展示漫游软件，虚拟现实支持软件TechViz，多窗口视频信号切换管理软件等。将开发的OSG

可视化展示漫游系统与虚拟现实硬件设备接口，为用户提供一个高度逼真、具有沉浸感的虚拟现实情景，通过交互设备可以进行身如其境的虚拟车间体验。用户在车间虚拟漫游时可以参观转向架车间的生产工艺和物流过程，能够真实再现转向架车间生产过程，实现具有沉浸感的、人机交互好、身临其境的虚拟场景漫游，进而实现转向架车间的布局验证与规划评审。转向架车间布局规划评审内容包括：

（1）空间距离的合理性。对产品、设备、工装工具、围栏等各类资源相互距离，空间相对位置的合理性进行评审。

（2）人员操作通畅性。对涉及到有人工操作的工位进行工人操作畅通性评审。

（3）各类设备的碰撞干涉。对产品、设备、工装工具、物流设备等相互碰撞干涉进行评审。

（4）工装工具的可达性。对工装工具的可达性进行评审。

（5）物流通畅性。对各类工况下各类资源的物流通畅性进行评审。

图5 虚拟现实人机交互车间布局评审

3 结论

本文提出的基于OSG虚拟现实的转向架车间布局规划方法，将车间各类资源按照1:1方式建模，导入OSG场景中，建立了三维可视化虚拟车间布局模型，在此基础上开发了虚拟车间可视化展示与漫游功能，结合虚拟现实软硬件设备实现了虚拟车间的沉浸式交互体验，进而实现了转向架虚拟车间的布局验证与评审。以某转向架车间为实例，验证了方法的有效性，所提出的方法可以用于解决大多数车间的布局规划问题，具有普遍适用性，为解决智能制造数字化工厂的布局规划问题提供了解决思路。

[1]杜骆铭. 基于OSG的虚拟设施布局系统的研究与设计[D]. 青岛：山东大学，2011.

[2]杨凡. 基于虚拟现实技术的锚杆钻机培训系统的研究[D]. 西安：西安建筑科技大学，2016.

[3]贾坤. 基于OSG的交互式三维工艺布局系统的研究与开发[D].安徽：合肥工业大学，2014.

[4]李琳琳，曹华军，刘菁华. OSG虚拟现实技术在叉车仿真中的应用[J]. 电子技术，2017，46（8）：38-40.

[5]马思群，王开顺，李健，等. 基于Unity3D的动车转向架虚拟拆装培训系统研究[J]. 铁路计算机应用，2017，26（8）：33-37.

[6]夏文文，杨艳芳. 基于OSG的起重机虚拟拆卸系统的实现[J].湖北工业大学学报，2014，29（4）：51-53，56.

[7]苍松. 动车组转向架虚拟装配技术的研究与应用[D]. 大连：大连交通大学，2010.

[8]谷成伟. 采煤机虚拟装配试验系统研究[D]. 太远：太原理工大学，2012.

[9]王学文，秦毅，杨昕宇，等. 采煤机虚拟现实装配仿真系统研究[J]. 图学学报，2015，36（2）：268-273.

[10]高颖，钟啸，许志国，等. 基于VR的航空发动机虚拟教学实验系统设计[J]. 系统仿真学报，2008（11）：2925-2930.

[11]范岩萍. 具有立体视觉的虚拟训练仿真系统的实现[D]. 北京：北方工业大学，2010.

Bogie Workshop Layout Planning Based on OSG Virtual Reality

LIN Lan1，JIANG Liangkui1，FU Jianlin2，ZHANG Hengzhi1，JIANG Haifan2

(1.CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao266000, China; 2.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu610031,China)

In order to solve the layout planning problem in EMU bogie production workshop, a layout planning system based on OSG virtual reality is established, combined with 3D simulation technology, virtual reality technology and human-computer interaction equipment. The production workshop is mapped to a virtual reality space, and then a three-dimensional visualized bogie workshop model consistent with reality is established. Based on OSG virtual reality platform and man-machine interaction means, this paper carries out the visual display, roaming, and review of bogie virtual workshop and layout planning. It further describes the composition, structure and key technology of workshop layout planning system based on OSG virtual reality. The application proves the correctness and validity of the method.

OSG；virtual reality；bogie；workshop layout

TP391.9；U260.331

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.01.002

1006－0316 (2020) 01－0009－05

2019－07－29

山东省重大科技创新工程项目—智能工厂人机协同与虚拟现实增强现实技术（2017CXGC0608）

林蓝（1991－），女，山东青岛人，硕士，工程师，主要研究方向为虚拟制造。