基于VR技术的船舶智能制造虚拟仿真实训系统的开发

张 伟

（武汉交通职业学院，武汉 430065）

虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）又称灵境技术，是20世纪发展起来的一项全新的实用技术，并逐步成为一个新的科学技术领域[1]。随着VR技术的发展，船舶与海洋工程装备制造产业也逐步在设计建造、教育培训等领域开始对其进行应用。美国的迈尔船厂在2004年实施的船舶虚拟制造计划，采用IBM公司开发的产品全寿命期管理系统，缩短了30%的船舶设计时间，减少了20%的建造时间下降和50%的产品目录。在国内，七一九所在2017年8月建成船舶行业首个沉浸式虚拟现实系统（CAVE随系统）。2019年3月，江南造船集团有限公司下水了国内首条完全通过数字化建造的船舶，通过三维体验平台进行设计和VR建造模型，建造效率提高30%，返工率大幅下降了60%以上。刘铸等人利用VR技术探讨并有效解决船舶建造装配式施工产生的旋转约束问题，使舶建造装配式施工中运动路径旋转量降低29%，旋转距离权值降低22%[2]。蒋革等人结合现代造船模式和VR技术的特点，提出了一个船舶VR设计系统框架，并对其关键技术进行了研究和探讨[3]。刘雅丽等人利用VR技术对船舶零部件进行设计研究，提高了16.7%的船舶零件的契合度[4]。舶与海洋工程装备制造是建造、机械设备、电子电气设备等重型机械装配一体化作业的重工行业。学校由于资金、场地等方面的制约，不可能完全复制企业的生产环境。以往主要通过校企联合的培养模式进行教学，但是这种模式有其局限性，如地域的影响、时间的影响等。本文通过VR技术对船舶智能制造虚拟仿真实训系统进行设计与开发，探讨当前出现的难题，提供了一种新的解决思路。

1 系统开发流程简介

第一，设计系统的整体方案，确定系统各个模块及要实现的功能。第二，通过调研、分析各个模块的功能，利用摄像的各种功能采集材质纹理贴图和真实场景的平面模型。第三，通过3D图形处理软件如Photoshop、MAYA、3D Max）处理纹理和构建真实场景的三维模型，因此虚拟场景都是真实场景通过软件处理进行的真实的在现。建模是构建场景的关键因素之一，完成后还要进行再优化。第四，导入到Unity3D构建虚拟平台。在Unity3D平台通过音效、图形界面、插件、灯光设置渲染。渲染是系统的关键因素，基本渲染都是通过插件来实现的。第五，基于高端虚拟设备头盔等设备编写接口程序，开发全沉浸虚拟交互虚拟仿真实训系统，并应用虚实融合设备实现整个实验过程。

2 系统架构与功能模块

2.1 参考原型选择

根据工业和信息化部2017年发布的《2017年制造业与互联网融合发展试点示范项目名单》，南通中远川崎公司因“基于两化深度融合的智能船厂建设”项目，成为国内船舶行业唯一家智能工厂解决方案试点示范项目的企业。目前，南通中远川崎公司已构建了一套智能高效的制造执行系统，在自动化/智能化生产线、流水线的基础上，持续推进智能车间、智能工厂的建设。它先后投产了型钢自动生产线、条材机器人生产线、先行小组立机器人焊接线以及小组材机器人焊接线等智能化和自动化生产线，使得相应工序的生产效率提高了70%左右，大幅度提高了生产效率，降低了产品不良品率，改善了作业环境，减轻了劳动强度，减少了人工成本，节约了场地资源。本系统部分借鉴中远川崎船舶智能制造的相关工序，并在此基础上进行了拓展和延伸。

2.2 系统架构开发

开发船舶智能制造虚拟仿真实训系统是一项复杂的虚拟操作系统工程。本系统主要包括船厂虚拟仿真、智慧船厂管控平台展示、船舶装配虚拟实训系统、船舶放样虚拟实训系统、AR工业机器人装配实训、虚拟搭载系统和船体涂装仿真实训系统7大子系统。

2.3 系统功能模块开发

2.3.1 虚拟场景展示

在虚拟场景模块中，系统基于最新的三维虚拟软硬件技术，全方位无死角展示整个智慧船厂和智慧船厂管控平台，包括环境、布局、车间研究设备等。通过自动规划导览路径，带领用户身临其境地体验船舶智能制造的整个流程，包括钢材入库、钢材预处理、零件加工、小组立装配、中组立装配、分段装配、分段舾装、分段涂装、总组装配、船台装配和下水。在虚拟场景模块中，系统支持第一人称和第三人称漫游虚拟船厂，支持小地图、场景切换。在体验方式上，主要分为VR版和大屏版。VR版操作流程即戴上头显设备进入VR船厂场景后，系统出现UI引导，并对操作方法进行介绍。大屏版操作流程即参观者戴上立体眼镜后，大屏画面可以让观众体验到3D立体效果的真实船厂场景，且如同3D电影一般带领参观者浏览整个船厂和船舶生产建造工艺流程。

2.3.2 演示视频

演示视频在多个系统通过参观者交互呈现，如零件加工到小组立建造、中组立建造、分段建造、总组以及搭载等过程中。参观者可以通过交互方式观看典型船舶从小到大、从局部到整体的整个加工和装配过程的动画视频。

2.3.3 虚拟交互系统

虚拟交互系统允许用户使用各类交互设备、工具等（数据手套/位置跟踪器、鼠标/键盘、力反馈操作设备等）来实现在真实环境中一样的操作。例如，在船舶虚拟搭载模块中，学员可以交互添加船体局部受力，模拟船体的多种受力情况。船体受力后，系统展示船体的形状变化和传递过程。

2.3.4 教学考核系统

本系统通过各种虚拟仿真软件配合交互式虚拟场景进行认知和学习，还引入了良好的评分机制，能检测实训操作系统的各个操作阶段和环节，自动进行实验评分。

2.3.5 VR资源库

系统提供多个丰富多元的、实时更新的VR资源库，如内装资源库和典型船舶结构资源库。内装资源库提供内装所需要的所有种类的素材供学员在模拟内装时使用，包括材质、家具以及附件等。典型船舶结构资源库提供在AR环境中展示多种船型及其结构形式，如散货船、化学品船、油船以及集装箱船等。

3 系统应用

3.1 硬件配置

船舶智能制造虚拟仿真实训系统的主要硬件系统配置及功能实现，如表1所示。

表1 船舶智能制造虚拟仿真实训系统主要硬件配置

3.2 用户体验

系统提供了多种方式与用户进行交互，可以使用虚拟头盔、手柄（或者鼠标键盘）等虚拟外设完全“沉浸”在虚拟系统中，获得更逼真的虚拟现实体验，并在部分系统中实现系统评分。例如，虚拟装配是双向数字耦合的一种数字制造工艺，是实现智能制造的关键技术之一。虚拟装配利用VR技术实现真实环境虚拟化，用户使用各类交互设备、工具等（数据手套/位置跟踪器、鼠标/键盘、力反馈操作设备等）来实现在真实环境中一样的船体装配操作。虚拟装配系统有助于学员掌握船体装配工的实际操作技术，达到船体装配工的实操水平，包括船体部件装配和船体一般分段装配、较复杂的船体部件和分段的装配、总段装配和船台装配、装配后变形的火工矫正技能[5]、船台总装的吊装程序及装配工艺方法、船台装焊的变形及处理方法、船台装配常见的误差及缺陷的修正方法、复杂锚穴和球鼻艏导流装置等结构的装配、大型或特殊船舶的船台装配。用户能够分析船体的可装配性，验证和规划装配序列，培训装配操作人员等。装配结束后，系统能够记录装配过程的所有信息，并生成评审报告、视频录像等，以供后续的分析使用。

4 结语

本文介绍的基于VR船舶智能制造虚拟仿真实训系统开发是为学生建立开放式实验教学环境，通过建立多种虚拟场景，让学生能在三维场景中进行学习和实训，实现人机互动。学生能够自行查看学习效果和评分，不受时间、空间和其他各种条件的限制。船舶智能制造虚拟仿真实训系统作为传统教学资源的一种有效补充，虚实结合，提供了一种有危险性的装备实验新的实验教学和考核模式，有助于改善存在的教学手段缺乏改革创新、学生学习兴趣不高等问题，让学生掌握新工具和新环境，从而更好地能够适应时代变化，拓展获取知识的渠道和能力。