基于AR技术的5G智慧工厂培训系统的设计及实现

1 引言

在卷烟厂中，压缩空气用量非常大，为了保证设备工作效率，空压机等重要设备在无故障出现时需要持续保持运行的状态，且由于设备价格昂贵，不便于经常拆卸维修。这导致企业对员工培训时，无法对设备内部元器件进行直观的操作展示和实操培训。员工在判断设备故障时，只能通过记录每个传感器的数据后再与标准数据进行比对，以判断是否有故障出现，这使得查看设备故障较为不便。当需要对员工进行设备的使用和故障维护方面进行培训时，只能通过查看设备图纸或对照设备进行介绍等间接的方式进行学习，学员无法进行操作或拆卸等直观的方式进行学习。

针对以上问题柳州卷烟厂，提出了一套结合增强现实技术的虚拟系统，来帮助员工直观的了解设备构造等信息。在此系统中对设备进行建模，通过AR眼镜完成空压设备零部件的实体扫描，呈现出相应设备的三维结构，然后在该系统中提供对设备中各个元器件及其功能进行直观的展示，且可进行拆卸设备、安装设备等操作。方便了员工对设备的学习，在企业对员工进行特殊设备培训方面提供了实际的参考。并且通过将增强现实系统、连接设备与5G通信进行结合，方便工作人员在可以在工厂内随时随地进入系统进行设备学习和设备状态查看。

2 AR技术简介

AR技术即增强现实技术，是一种在虚拟现实基础上发展起来的，可以将虚拟物体或虚拟场景与现实中的场景进行结合的一种技术。它可以将计算机生成的虚拟物体或场景等信息与真实场景进行叠加，强化人们对真实场景的体验，更加直观理解场景内容。AR概念最早于1990年提出，随着电子产品运算能力的提升，增强现实的用途越来越广。由于AR是将虚拟现实与真实场景进行结合的一种展示方式，并未切断用户与真实世界的联系，使得用户的交互方式更贴近于真实世界。[1-3]

现在AR技术的应用范围随着科技的进步逐渐广泛，如在电力行业中将AR技术常应用于设备巡检等场景中[4-7]，可以将故障信息及时上传至专业人员出进行处理。文献[8]和[9]中则是以融媒体角度从辅助展示方面对AR技术的应用进行了探讨。文献[10]中对AR技术对烟草行业的促进作用进行了分析，但由于烟草行业与其他行业的区别，AR技术应用于烟草业的案例较少。文献[11]中对此进行了应用上的描述，但是并没有对系统具体的展开分析。本文以卷烟厂的空压设备为例设计了一套基于AR技术的虚拟系统，对增强现实技术在烟草行业中的应用进行了具体的分析和展示。

在此系统中还实现了AR技术与5G通信技术的结合，利用5G网络的高速率、广连接、低延时的三大特点[12]，在云端进行模型的渲染，然后通过5G网络下发到AR设备中进行实时的显示。通过5G网络实现企业工业互联网的实现，实现了企业经验固化，制造资源的集聚与共享[13]。将AR技术应用于卷烟厂的空压机设备的培训和实时监控中，将设备的结构和传感器数据在AR设备上进行实时的显示，便于员工在设备不停机的情况下学习空压设备结构，练习故障的修理操作和监控设备的运行状态。

3 AR系统简介

增强现实系统中设备模型的搭建如图1所示。首先需要在AR系统中按照设备的结构和运行原理建立设备的虚拟模型，主要包括设备内部构造、各个元器件的功能以及设备的运行状态及原理，来达到通过AR设备操作空压设备，收集空压系统数据，分析空压设备故障原因的目的。其中设备结构和设备中元器件的信息是通过设备图纸的数据进行分析，并结合实体设备照片在虚拟系统中进行还原和搭建。在上述基础上搭建起虚拟系统之后，根据实际的需求将虚拟系统划分为了3个主要部分，分别为设备原理部分、设备故障部分和设备运行状态部分。这3个部分方便员工对设备的组成结构、曾经出现过的故障以及日常的运行状态进行学习和分析。这些部分均通过AR技术进行展示和操作。

系统平台的数据传输可分为WIFI和5G通信技术传输两种方式，以传输在云端渲染后的图像信息。在培训教室等WIFI覆盖的区域，可以选择其中一种方式接入系统平台。而厂区内其他位置则是通过专用5G网络进行数据的传输，保证在厂区任意位置均可连接系统，方便员工随时查看设备结构和设备运行状态，填补了只能在培训教室才能对设备结构学习和只有厂区内网才可查看设备状态的不足。

图1 虚拟系统架构图

模型的导出格式为FBX格式，将模型导入Unity 3D后进行统一调配，通过基于物理渲染的着色器，将漫反射贴图、法线贴图、AO贴图三张贴图混合后得到高拟真度的渲染效果。其中通过次世代制作对资源进一步优化。即首先以传统的点面排列方式制作出高精度的包含大量细节的模型，以次模型为基础，拓扑一个外形和结构与模型一致，但细节信息较少的低精度模型。然后将高精度模型所有点面的法线信息烘焙到低精度模型的贴图UV里，使得低精度模型的渲染结果提高到高精度模型的级别。经过上述处理，通过保留下来的贴图中的RGB通道直接得到从顶点到像素的表现效果，大量减少了运算量，降低了设备硬件的运算压力，使得如AR眼镜和手机等便携设备运行系统时的流畅性和拟真度。

在本系统的界面如图2所示，其中员工通过AR眼镜进入系统进行内容查看，软件设计是以C#语言为基础，通过Microsoft Visual Studio工具开发，使用3DMax，Maya软件工具制作3D模型，通过Substance Painter软件工具制作贴图，最后通过Unity 3D工具进行资源整合，输出软件产品。最大程度将设备在虚拟系统中进行1:1还原。并且在模型的制作上利用次世代制作和混合贴图等多种技术实现了系统运行的流畅性，保证了模型的拟真度，为使用者提供了良好的视觉感受。

图2 系统界面展示

4 系统功能

4.1 设备结构

此部分展示了设备的结构，主要目的在于帮助用户认识空压机的结构内容。设备结构展示由3个子部分组成，分别为系统原理、自动拆装和结构拆装。

系统原理部分属于按照空压机的工作流程对其内部系统进行拆分展示。其包括了四个模块，分别为油路、水路、驱动系统和安全阀，其目的在于展示空压设备内部系统的结构。例如在油路部分，在用户按顺序点击相关组件后，系统会以动画的形式模拟润滑油在设备运行过程中流动路径。

自动拆装可以为用户提供快捷的查看方式，更加完整的对模块结构中的各个部分进行了展示。

系统中的结构拆装模块为核心模块，提供结构零件的拆解与安装，目的是帮助用户认识空压机的内部结构。其中包括快速拆解功能可以针对熟练掌握机械结构的用户提供快捷操作，便于进行后续操作；此外还包括了二次拆解功能，对于机械内部的核心部件，可以进行更详细的拆解，帮助用户深入理解核心部件的组成和构造；在拆解完成后，用户可以使用安装功能按照顺序逐个安装机械部件，将空压设备进行组装还原。

4.2 故障维修

故障维修部分则对空压机中常见故障及处理方式进行了展示，使用红色标识对每个故障进行标识，用户可以点击任意标识查看对应的故障内容以及针对此故障的处理方式。根据对以往出现的故障进行统计和分析，将出现过的8种故障分为了2类，分别为参数故障和表现故障。参数故障是一类可以通过参数判定的故障，将收集到的设备中各个传感器的运行参数与标准参数进行对比分析判断是否存在故障。如当润滑油的油温超过55 ℃时，系统出现油温过高的故障提示，其在系统中的表现方式是列出参数的标准范围。图3所示为空滤压差高于标准值-0.0044 Mpa时的故障界面。表现故障则是无法通过传感器收集数据的一类故障统称，如油质发黑等故障。表现故障由于没有参数进行评判，其展现方式为出现故障时的故障位置处的图片或视频展示，以及作为参照的正常情况下该位置的图片或视频展示。通过故障可视化对比，让培训人员更加直观的对设备故障进行学习和判断。

图3 空滤压差故障展示

4.3 设备运行状态

设备运行状态部分为设备运行的实时数据的展示，此部分通过对硬件的实时状态进行监控并保持与虚拟系统的通讯，以获得准确准时的设备运行数据信息。员工可以通过实时状态数据对设备运行时的情况直观的学习。并且工作人员可以通过此部分对空压机进行实时监视，以发现是否有故障发生。如出现故障，工作人员可以在设备故障部分迅速查询出现的故障的解决方案，以快速且准确的方式完成故障的处理指令的下发，缩短了故障响应时间。

5 结束语

在本文中对目前卷烟厂空压机设备存在问题的分析，提出了基于AR技术的解决方案。实现了让员工以AR的方式直观深入的了解空压机的结构和故障，解决了当前空压机设备存在培训难，故障不易排查的问题。通过对空压设备增强现实系统的搭建，以点带面为企业之后实现整个厂区内设备的智能化和可视化提供了经验。将AR设备和5G技术相结合，实现了在厂区内实时监测设备运行状态，一定程度上减少了对硬件设备的依赖，为AR技术在实现工厂智能化和数字化的过程中提供了一种新的思路。