虚拟仿真技术在纺织领域的应用

唐新军

（新疆工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023）

0 引言

纺织产业是我国的主要产业[1]，纺织品，是人们生活中必不可少的一部分。人们常用的纺织品包括衣服、鞋子、窗帘、坐垫、口罩、毛巾等。除了日用品之外，其他领域也用到了纺织品，如过滤材料、复合纤维板、军用防护服、医用缝合线、土工建筑材料等。纺织领域的发展已经是影响到人们生活以及国家科技进步的重要因素之一。

虚拟仿真是一种新兴的信息技术，它通过创建与人类感官系统交互的虚拟空间，克服现实世界的空间和物理约束，提供一种间接的体验[2]。随着科学技术的进步，虚拟仿真技术也慢慢进入到人们生活的多个方面，在各个领域都有涉及，包括游戏、教育、设计、开发、研究等方面，未来虚拟现实相互结合的应用将会越来越多。在纺织领域，虚拟仿真技术也已经被应用到各个方面，进而促进纺织领域的发展。

1 虚拟仿真技术的特点

1.1 降低成本

随着技术的发展，新技术新设备日新月异，实验室很难保证实验设备的更新换代速度跟得上时代的发展，特别是学校教学设备的跟进缓慢，将直接影响学生的学习效果与其进入社会的实际应用能力。但是快速更新设备又将消耗大额的购置保养费用，并且部分设备占地面积较大，需要增加占地成本。通过建立虚拟仿真实验室，采用虚拟模拟现实的方式，可打破现有的场地以及设备的限制，减少了很多由于机器庞大、占地面积大、设备成本昂贵等造成的问题[3]。此外，传统的设计方法，对设计产品和方法的验证过程多采用实物验证的方法，这种方式验证周期长，耗费人力物力。通过虚拟仿真技术建立模型进行模拟仿真，可以快速简单验证设计产品的好坏，有效地减少产品的投入和降低产品设计成本。

1.2 提升教学效果

传统的教学方式，大多是学生听教师讲，缺少自己的思考探索，并且接受培训人员的思考方式、知识框架、学习能力、心理状态等各有不同，以及需要按照固定的时间进行，每个学生对知识的接受能力存在差异，教师无法做到面面俱到。传统教学方式无法做到差异化教学，教学效果并不理想[4]。通过虚拟仿真的教学，学生可以自行选择时间、地点进行学习培训。不仅学生可以自主进行学习和反复练习，教师也可以有效利用学生的碎片化时间。

1.3 改善体验

虚拟仿真技术是结合现实情境进行设计的，采用虚拟仿真技术完成的三维模型、模拟分析、VR 视频、三维游戏等，可以让人们带上VR 眼镜就有身临其境的感觉。通过运用虚拟仿真技术，人们可以亲身体验操作过程，亲眼看到实物，例如部分机械现场很难观察内部结构，通过虚拟仿真技术可以采用机械拆解、半透明显示等方式实现人们直观观察的目的。传统的教育培训过程多采用视频和图片材料来讲解，很多细节位置和关键部分，由于不好拍摄和展示，很难让学生深入了解机构特点，以及操作流程中存在的问题等，而通过虚拟仿真模拟技术，可以模拟操作过程，进行机械拆解，使学习培训过程有种亲身体验的感受，给学生更直观的认识。

1.4 提高安全性

安全性一直是人们关注的主要因素之一，在部分危险行业一个简单的操作失误可能直接断送一名技术员的生命，所以对于安全管理、安全培训，各个领域都是十分关注的。现在的培训多采用案例介绍方式，通过图片或者简单视频演示操作过程存在的错误以及错误造成的后果，用来警醒培训者，但是这种培训方式无法让学习人员亲自感受，得到的记忆不够深刻。通过虚拟仿真技术让参与人员有身临其境的感受，如电力培训中运用虚拟的实训环境，大大降低了现实中的安全风险，不必担心实训人员对实训对象产生损害，更不用担心由于演练失误造成学员伤亡[5]。

2 虚拟仿真技术在纺织领域的应用

2.1 文物、技艺研究展示

我国自古就是纺织大国，纺织产品生产历史悠久，品种众多，大部分博物馆都有展出相关文物。由于时间的影响，大部分文物已经无法展现出原始模样，很多博物馆或者是科研机构通过虚拟仿真技术对古代纺织品及机械进行虚拟仿真，建立模型库，进行还原，方便后续人员的研究。例如新疆和田出土的汉代文物“五星出东方利中国”这件惊世之作，原是运用老关山汉墓出土时的织机完成的[6]，当时织机出土时很多机构都已经发生老化变形，已经无法展示全貌，考古人员通过虚拟仿真技术将出土的织机全貌进行了还原。湘西土家织锦等传统工艺受到新技术的冲击正逐渐走向衰落，研究人员探索利用虚拟仿真技术将这些传统技艺进行保护[7]。

2.2 教育培训引导

为弥补传统纺织实验教学的不足，很多课程运用虚拟仿真技术配合现代教学方法，减少成本，提高操作安全性，优化学习效果。近几年很多高校探索将虚拟仿真技术融入到教学培训环节，提高学员、学生的学习效果，部分高校开始建立自己的虚拟仿真实验室。鲍劲松教授建立纺织智能制造虚拟仿真实验教学项目，用数字化手段，展现从纱到布再到衣的纺织智能制造流程，拉近大规模生产线与学生的距离，让学生深入了解纺织的智能制造新模式，让学生可以实际动手操作，同时切实保障学生的健康安全。

东华大学郁崇文教授的慕课《纺纱学》课程，充分利用仿真技术协助教学，制作三维仿真模拟动画、重点机械原理的仿真动画，帮助学生进一步了解学习内容。罗海林[8]根据聚酯熔融纺丝试验机各机构的整体结构及内部构造采集详细的尺寸数据，建立三维模型、制作实验动画、搭建仿真实验环境，完成纺丝工程实验课程虚拟仿真环境的建设。高婵娟等人[9]构建了一种清梳联仿真实验平台，减少了纺织院校对清梳联设备投入的成本，一定程度上解决了部分院校厂地实验设备落后、场地不足等问题，有利于帮助学生掌握和理解清梳联工序的结构和工作原理，有效提高纺纱清梳联部分的教学效果。

吴新丽等人[10]提出基于云平台的纺织机械类虚拟仿真实验教学改革，利用虚拟仿真实验，帮助学生拓宽纺织装备知识结构、形象了解织造设备及工艺原理、掌握科学和便捷的检测手段，极大地提升学生在纺织装备方面的综合应用能力和创新能力，并可为教师提供科研条件。

2.3 产品销售讲解

纺织企业也开始应用虚拟仿真技术展示自己的产品，通过虚拟仿真技术模拟产品运行状态、运行效果、产品特点等，展示自己企业产品的技术特点，通过仿真加实物的演示给消费者更直观的视觉冲击。瑞士立达纺织机械有限公司，通过结合虚拟仿真技术制作产品模型，以图片、动画、视频等方式展示出自己的产品特色，客户和参观人员可以通过进入官网或者点击相关视频查看。卓朗纺机也利用虚拟仿真制作图片来展示说明自己的产品，如粗细纱之间的固定式输送FixFlow，给客户以直观的表述。格罗茨贝克特公司通过仿真模拟展示针齿的差异，展示产品的特点和优势。经纬纺机在官网上建立VR 展厅，充分将仿真技术与纺织相关产品有机结合，提高产品认知效率。

2.4 产品设计分析

虚拟仿真技术的应用，为产品设计分析提供了一种新的方法，利用虚拟制造技术建立的仿真系统，对虚拟样机的运动学、动力学和控制等行为进行仿真，可以大大节省资金、人力和物力的投入[11]。通过对纺织机械进行仿真模拟建立相关模型，并通过虚拟仿真相关软件分析，对设计的模型进行验证，有效减少开发时间、设计成本，提高决策水平，以及提高产品效率和质量。杜虎兵等人[12]通过虚拟实验，进行参数更改，参数优化，从而缩短电子提花横机选针设计周期。宋莹[13]建立仿真优化模型，利用先进的智能软件Flexsim 对旗袍单件生产流水线进行虚拟仿真优化，使流水线生产平衡率得到大幅度提升。邱海飞等人[14]针对津田驹ZAX 型喷气织机，开发出电子送经卷取机构的虚拟样机，为其传动系统研究改造提供了新的平台支持。

3 虚拟仿真技术在纺织领域的展望

3.1 互联共享

大多数纺织类虚拟仿真产品都是在各自院校，或者说在各自企业手里。由于创建虚拟仿真产品需要花费大量的人力和物力，特别是一些高水准、高标准的仿真产品，很少存在共享学习的情况。并且在多种因素的影响下，虚拟仿真技术的发展不均衡，纺织的虚拟仿真研究主要集中在沿海一些纺织高校。在纺织领域很多高校或者企业重复购买或者制作相似模型，产生了很多重复劳动，阻碍了技术推进发展。实现虚拟仿真实验教学示范中心优质资源的有效开放与共享，是急需解决的重要问题[15]。通过互联共享的方式可以在一定程度上减少这种地域环境的差异，有效整合资源，提高资源利用效率。对于一些非保密产品，如果可以有效地整合这些资源，则有利于缩短企业新产品的设计周期，以及有利于院校教学办学质量的提高，有效地弥补了资源的不足，有利于人才的快速培养。

3.2 虚实有机结合

虚拟技术的快速发展，带来一系列的技术革新，很多新技术、新方法结合虚拟技术得到新的发展，但也存在了一些过度应用虚拟技术的情况，抛弃了实际，也有一些只是将虚拟与现实进行简单的堆叠，没有进行有机的整合，达不到应有的效果。并且要谨防实训人员只认虚拟提示，忽视实际操作的危险意识。因此，要将虚拟技能培训与真实生产有机结合起来，利用虚实技能培训强化实际操作技能，以便其在实际操作时更好地完成工作。根据纺织领域的特点，探索企业合作新途径，将纺织企业实践与虚拟仿真教学有机结合在一起也是一个新途径。

3.3 建立完整的纺织虚拟仿真系统

现有的纺织虚拟仿真资源分散在各个学校和企业手里，互联共享程度较低，很难将有效资源进行合理整合形成一套系统完整的纺织虚拟仿真系统。建立系统完整的纺织虚拟仿真系统，需要基于互联共享，进行资源的集中优化管理，优化数据输出，增强相互关联，促进纺织虚拟仿真资源的有效利用，将高速推动纺织领域的技术创新，有效地减少重复劳动及无效劳动，提高教学培训质量，缩短学习时间。完整的纺织虚拟仿真系统将为纺织人才的培养提供有力支持。

4 结语

虚拟仿真技术在计算机技术高速发展、互联网广泛普及的大环境下，得到了广泛的应用。虚拟仿真技术的应用有效降低了投资开发成本，为教育教学提供了新方式、新方法，并减少了因为特殊工序或者机械操作带来的风险。在纺织领域中，虚拟仿真技术在文物和技艺研究展示、教育培训引导、产品介绍、产品的设计分析等方面的应用已经普及，但是虚拟仿真技术在纺织领域中的应用还存在一些不足之处，如共享不足、结合不强、整合性不理想等。通过新技术、新思想的引入，相信未来虚拟仿真技术可以和纺织领域更好结合，给纺织领域带来新的发展。