新型水泥生產裝備虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)

吳飛　黃威

摘 要：由于水泥生產現(xiàn)場環(huán)境惡劣、生產過程中使用的設備種類繁多、到現(xiàn)場參與實習的費用巨大以及到現(xiàn)場安全風險較高等問題，學生無法通過傳統(tǒng)的實驗教學方法了解水泥生產設備的組成和工作原理，也無法真正了解水泥生產的工藝流程。為解決以上問題，通過功能強大的Unity 3D三維引擎，設計并開發(fā)了一套基于VR（Virtual Reality）技術的三維虛擬水泥生產裝備仿真實驗系統(tǒng)。該虛擬仿真系統(tǒng)能夠準確地展示相關的裝備知識及工藝流程，同時能提升實驗教學質量和教學水平。

關鍵詞：水泥生產裝備;虛擬現(xiàn)實;實驗教學;Unity 3D技術

1 引言

水泥的生產工藝極其復雜，涉及破碎、粉磨、均化、預熱、煅燒、冷卻等工藝流程，生產過程運用多種大型設備，涉及顎式破碎機、立式磨、均化庫、旋風式懸浮預熱器、分解爐、回轉窯、篦式冷卻機、增濕塔、球磨機、電除塵器等，生產現(xiàn)場為高溫、高粉塵、高噪聲的惡劣環(huán)境[1]，生產企業(yè)基本不接受在校學生現(xiàn)場實習，且即使學生到達生產現(xiàn)場，也只能觀察到大型設備的部分外觀，無法深入了解水泥生產設備的組成結構和工作原理，更無法真切了解水泥生產的工藝流程，而學校實驗室則不可能建設真實的水泥生產線，真實實驗平臺根本無法搭建。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality， VR）技術是仿真技術、計算機圖形學人機接口技術、多媒體技術、傳感技術、網(wǎng)絡技術等技術的交叉技術，它具有： 交互性、多媒體信息感知性、沉浸感、自主性等特點[2]。利用VR技術可以用可靠安全和經(jīng)濟的逼真虛擬實驗項目替代了高危險性、高成本和部分不可操作的實物實驗。自2013年教育部啟動全國虛擬仿真實驗教學中心建設以來，許多高校相繼開展建設了虛擬仿真實驗教學中心，VR技術技術在工學、理學、農學、醫(yī)學、管理學等11個主要學科領域都得到廣泛應用[3-6]。

本項目以真實現(xiàn)代化大型水泥生產企業(yè)線為原型，利用虛擬仿真技術直觀展現(xiàn)當前最先進的新型干法水泥生產工藝。綜合運用水泥生產工藝流程認知、關鍵設備結構認知與分析等實驗內容，引導學生在虛擬仿真環(huán)境中完成對新型干法水泥生產工藝與裝備從認識分析到實踐學習全過程。另外，該項目已獲批2018年國家級虛擬仿真實驗項目。

2 開發(fā)工具及開發(fā)流程

Unity3D游戲開發(fā)工具能輕松創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等互動內容[7]。將Unity3D應用于三維虛擬水泥生產裝備仿真實驗系統(tǒng)開發(fā)能提高虛擬仿真實驗的仿真程度。

虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)流程有：建模、交互設計、測試與修改等，如圖1所示。

2.1 水泥廠場景模型建模

在水泥廠場景模型建模前，首先拍攝和搜集了水泥廠實物照片，并對照其三維實物模型確定其各尺寸數(shù)據(jù)。

整個虛擬仿真系統(tǒng)的逼真程度由場景模型的建模、貼圖和渲染等效果直接決定。常見的建模軟件有SolidWorks、AutoCAD、Sketch、Maya、3Ds Max等。綜合考慮建模逼真程度、學習難易程度、硬件系統(tǒng)要求等因素，開發(fā)過程中選擇使用3Ds Max建模。

在完成模型建模和相應的模型貼圖后，將模型格式轉化為Unity3D引擎所支持的.fbx格式，以便后續(xù)添加交互操作。

2.2 交互設計

在Unity3D工程中，三維模型以及相應的模型貼圖都存放在Assert文件夾中。在向模型添加交互前將前期準備好的模型和貼圖導入Assert文件夾，Unity3D會自動兼容這些資源的格式。

作為用戶的第一印象，UI界面的設計很重要。在本系統(tǒng)中，使用UGUI控件來完成整個系統(tǒng)的界面設計。其中的窗口、按鈕、輸入框、文本框等外觀則由Photoshop繪制，繪制完成后將資源導入Assert文件夾中以備使用。

為了防止操作兩個對象時出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，需要在虛擬環(huán)境中使用碰撞檢測技術。常見的碰撞檢測方法可從時間域和空間域兩個角度歸類，從時間域角度可分為靜態(tài)碰撞檢測算法、離散碰撞檢測算法和連續(xù)碰撞檢測算法，從空間域角度可分為物體空間和圖像空間兩個方向，其中物體空間方向有均勻劃分、八叉樹、BSP樹、包圍盒等碰撞檢測算法[8]。由于包圍盒算法能將碰撞的測試時間復雜度降為[9]。因此在本系統(tǒng)中使用常見的包圍盒算法來對物體對象進行碰撞檢測。

為了使以上的資源在Unity3D擁有動態(tài)的行為，還需要編寫相應的腳本程序。在Unity3D中編寫腳本程序可使用的是其內部集成的MonoDevelop編輯器，而腳本語言則用C#和JavaScript語言編寫。

2.3 測試與修改

交互設計完成后，需要將系統(tǒng)按照需求在Unity3D的界面File菜單中Build Setting設置生成應用程序，以便后續(xù)的測試與修改[10]。測試主要是為了檢查交互設計中的功能是否運行正常、操作過程中是否存在Bug、UI界面是否協(xié)調等。測試中發(fā)現(xiàn)不合理的地方只需返回交互設計中的相應部分修改。完成測試與修改部分后即可發(fā)布應用程序完成系統(tǒng)。

3 虛擬仿真實驗系統(tǒng)

3.1 實驗系統(tǒng)總體框架

水泥生產工藝復雜，裝備眾多，相比其他單一功能的虛擬仿真系統(tǒng)，水泥生產裝備虛擬仿真系統(tǒng)需要能實現(xiàn)多種實驗以適應教學需求。在水泥生產的實驗中，各實驗之間相互聯(lián)系小，可獨立成一個模塊。本文的虛擬仿真實驗系統(tǒng)框架設計如圖2所示。由圖可看出，本文的虛擬仿真實驗系統(tǒng)中，用戶可通過輸入/輸出設備（鼠標、鍵盤等）在圖形用戶界面（GUI）進入其中一個獨立的虛擬仿真實驗，在有序完成該實驗各步驟后才能正常退出。

3.2 實驗功能模塊設計

本文的虛擬仿真系統(tǒng)現(xiàn)包括漫游功能和顎式破碎機仿真兩個主要功能模塊，在后續(xù)也可在已有的基礎上根據(jù)需求開發(fā)出新的功能模塊，其總體功能規(guī)劃圖如下圖3所示。

3.2.1 漫游功能

漫游模式中使用者可改變觀察距離及角度，以便宏觀了解新型水泥生產線的基本構成。漫游模式主界面圖如圖4所示。

漫游模式設計為：流程漫游、場景俯視、上帝視角和自由漫游四個功能。流程漫游中配有畫面及語音講解，以便熟悉新型水泥生產工藝流程、設備結構組成、設備工作原理及物料發(fā)生的物理化學變化情況。場景俯視中可直觀地觀察水泥生產企業(yè)的設備布局及工藝流程。上帝視角中能對整個廠區(qū)的放大、縮小、旋轉和平移等操作。自由漫游中可以使用類似網(wǎng)絡游戲的操作模式，完成在虛擬廠區(qū)的自由走動，自行選擇學習和觀察對象。

查看感興趣的設備時，可進入三維模型展示區(qū)，并能對三維模型進行旋轉、放大、縮小等操作。如圖5左側為顎式破碎機的結構展示，右側為知識點查看區(qū)。知識點查看區(qū)中展示該設備的用途、結構及工作原理、主要類型、實物圖片和視頻動畫。

3.2.2 顎式破碎機拆裝及設計

顎式破碎機拆裝及設計模塊設計為爆炸圖、引導式分步拆裝、自主拆裝和關鍵設計尺寸等不同的模式。顎式破碎機拆裝及設計實驗中可通過爆炸圖模式直觀地了解破碎機的結構組成，然后以觀察破碎機的運動仿真動畫、查看文字資料等方式學習顎式破碎機工作原理，如圖6所示為顎式破碎機的結構展示爆炸圖。

引導式分步拆裝模式中引導學習拆裝基本知識，進行分步拆裝訓練，在掌握破碎機結構組成、零部件之間的裝配關系及正確的拆裝順序后，方可自主拆裝，起到教學示范作用。

關鍵尺寸設計模塊中主要是對嚙角、動顎水平行程、偏心距、連桿、動顎長度和推力板長度五個關鍵參數(shù)進行設計計算。由于關鍵參數(shù)在設計和計算過程中具有一定的先后關系，因此必須按照嚙角-動顎水平行程-偏心距-連桿、動顎長度-推力板長度的先后順序依次進行計算。如圖7所示，為嚙角的設計懸浮框。

通過類似形式，可完成動顎水平行程、偏心距、連桿、動顎長度和推力板長度的尺寸設計。

4 結語

在虛擬仿真實驗教學項目場景中，通過無死角查看新型干法水泥生產各設備組成結構及生產過程，并結合文字、圖片、語音等資料，學習設備用途、結構及工作原理等內容，配合透過設備外觀觀察到的設備內部物料發(fā)生的物理、化學變化，掌握水泥生產工藝流程，不僅減少了經(jīng)費投入、節(jié)約了場地，同時還避免了去現(xiàn)場實習的安全風險，更重要的是該系統(tǒng)能夠不受時間和空間的限制，準確、直觀地展示教學內容，提升了教學質量。

參考文獻：

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