基于AR/VR的船舶制造车间仿真优化应用研究

张国政，李 刚，韩永磊，王 雷，左振波

（中船重工信息科技有限公司，江苏 连云港 222000）

船舶制造存在车间空间尺度大、船舶建造周期相对较长、工艺流程复杂、单件小批量、中间产品种类非标件数量多、物理尺寸差异大、作业环境相对恶劣等问题，为了解决这些问题，将从数字化、网络化、智能化等方面进行升级改造，提高制造效率。同时，依托国家在虚拟现实技术的宏观战略规划，把握VR/AR技术创新带来产业变革的窗口期，发挥虚拟现实带动效应强的特点，以技术创新为支撑，以应用示范为突破，以产业融合为主线，可丰富“VR/AR”船舶制造或整个工业领域的商业模式，并整合虚拟现实产业链资源，构筑“VR/AR”融通发展生态圈[1]。

1 需求分析

船舶制造车间是船厂生产的基本组成单位，按其生产对象或生产性质分，主要有零件制造车间、中小组立车间、分段制造车间、喷涂车间、管加工车间、舾装件制造车间等。具体功能涉及到船体零件切割制造、管子切割加工、分段制造、分段舾装、分段涂装、分段总组等工艺建造过程。传统工艺手段多使用对照显示器二维/三维设计图或平面布局图纸进行图上模拟作业，经常出现由于理解、表述不同导致进度延误、返工设计等不良状况，运用VR/AR技术，将船舶从零件、舾装、船体到总体设计等原理图纸进行采集，并搭建虚拟现实平台对各设备资源进行整合，3D模型的沉浸式展示及虚实结合动态模拟与传统手段相比可以更有效直观地展示设计原理、工艺原理、加工流程等，更有效地减缓实施人员的认知偏差，更有效地解决协同工作效率低下的问题，从而缩短船舶制造周期，减少建造成本[2-3]。

2 基于AR/VR的船舶制造车间仿真优化应用研究

2.1 总体设计

VR/AR终端包括VR/AR眼镜、可展示VR/AR画面的手机及平板电脑等，这类终端可以直接连接5G网络，也可通过CPE的无线网络连接5G网络，同时也可以通过网线连接5G网关设备连接5G网络。针对VR/AR的计算量小的数据处理进程，可在本地进行处理，针对计算量大的渲染操作等，可在云端进行处理。总体架构如图1所示。

图1 总体架构

2.2 仿真优化系统应用研究

本研究通过对船厂制造车间智能管控需求分析和运行流程两方面开展技术研究，构建VR/AR综合演示验证平台。依托车间生产设备的三维模型，形成包含设备动作行为控制脚本、通讯标准等在内的虚拟设备对象，建立生产设备三维制造信息模型库。依托生产设备三维制造信息模型库，研究并实现支持整线或单元快速定制设计的生产过程VR/AR仿真系统；能够模拟整线或单元的配置、布局，并将整线或单元配置及运行过程的优化问题抽象成数学模型，开发专用算法进行求解，能够根据仿真结果对生产设备布局方式、生产流程进行持续优化。同时研究并开发混合现实漫游巡检系统，开发车间VR三维漫游平台，平台具有虚拟现实的沉浸式体验效果，人可在三维虚拟车间场景中漫游并查看当前车间的真实运行状态。通过人机交互可点击每一台设备，显示当前设备状态和订单信息。开发管加车间AR巡检系统，产线管理人员佩戴AR眼镜对产线设备进行扫描识别获取生产数据，帮助管理人员快速了解产线的生产状况，掌控设备的信息，呈现的数据主要包括设备状态和订单信息[4-5]。

2.3 验证方法

可通过VR设备漫游查看车间产线、设备、加工制造流程等。通过交互操作可选中每一台设备，并显示当前设备状态（操作时间、加工件数、故障信息、维修人员及电话）和加工信息。可漫游查看船舶产品的加工场景、流程及加工工艺等。通过佩戴AR眼镜或手持AR设备对产线设备的标签进行扫描识别获取生产数据，能帮助管理人员快速了解产线的生产状况，掌控设备的信息，能够实时呈现包括设备状态和加工信息在内的数据。可通过AR设备进行现实场景和虚拟信息（例如三维操作指引、信息提示框、设备装配原理示例、工艺工法示例等）的融合展示。

网络条件：在5G环境下实现5G终端、CPE、AR/VR设备等的通信。

软件环境：服务器端为云服务器或本地服务器，可自由配置操作系统和数据库等，可针对CPU、硬盘、带宽等参数进行自由配置和弹性扩容。

前端环境：前端系统为安卓或苹果系统。

VR设备：头戴式眼镜设备。

AR功能：基于AR设备或智能手机与平板进行验证。

3 总结

本文通过对船舶制造车间VR/AR需求分析，提出一种基于VR/AR的仿真优化应用方案，实现了管理创新，降低船舶制造成本，同时可以启发其他离散制造行业，推动中国智能制造事业发展。