基于AR/VR的船舶制造車間仿真優(yōu)化應(yīng)用研究

張國(guó)政，李 剛，韓永磊，王 雷，左振波

（中船重工信息科技有限公司，江蘇 連云港 222000）

船舶制造存在車間空間尺度大、船舶建造周期相對(duì)較長(zhǎng)、工藝流程復(fù)雜、單件小批量、中間產(chǎn)品種類非標(biāo)件數(shù)量多、物理尺寸差異大、作業(yè)環(huán)境相對(duì)惡劣等問(wèn)題，為了解決這些問(wèn)題，將從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等方面進(jìn)行升級(jí)改造，提高制造效率。同時(shí)，依托國(guó)家在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的宏觀戰(zhàn)略規(guī)劃，把握VR/AR技術(shù)創(chuàng)新帶來(lái)產(chǎn)業(yè)變革的窗口期，發(fā)揮虛擬現(xiàn)實(shí)帶動(dòng)效應(yīng)強(qiáng)的特點(diǎn)，以技術(shù)創(chuàng)新為支撐，以應(yīng)用示范為突破，以產(chǎn)業(yè)融合為主線，可豐富“VR/AR”船舶制造或整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域的商業(yè)模式，并整合虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)鏈資源，構(gòu)筑“VR/AR”融通發(fā)展生態(tài)圈[1]。

1 需求分析

船舶制造車間是船廠生產(chǎn)的基本組成單位，按其生產(chǎn)對(duì)象或生產(chǎn)性質(zhì)分，主要有零件制造車間、中小組立車間、分段制造車間、噴涂車間、管加工車間、舾裝件制造車間等。具體功能涉及到船體零件切割制造、管子切割加工、分段制造、分段舾裝、分段涂裝、分段總組等工藝建造過(guò)程。傳統(tǒng)工藝手段多使用對(duì)照顯示器二維/三維設(shè)計(jì)圖或平面布局圖紙進(jìn)行圖上模擬作業(yè)，經(jīng)常出現(xiàn)由于理解、表述不同導(dǎo)致進(jìn)度延誤、返工設(shè)計(jì)等不良狀況，運(yùn)用VR/AR技術(shù)，將船舶從零件、舾裝、船體到總體設(shè)計(jì)等原理圖紙進(jìn)行采集，并搭建虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)對(duì)各設(shè)備資源進(jìn)行整合，3D模型的沉浸式展示及虛實(shí)結(jié)合動(dòng)態(tài)模擬與傳統(tǒng)手段相比可以更有效直觀地展示設(shè)計(jì)原理、工藝原理、加工流程等，更有效地減緩實(shí)施人員的認(rèn)知偏差，更有效地解決協(xié)同工作效率低下的問(wèn)題，從而縮短船舶制造周期，減少建造成本[2-3]。

2 基于AR/VR的船舶制造車間仿真優(yōu)化應(yīng)用研究

2.1 總體設(shè)計(jì)

VR/AR終端包括VR/AR眼鏡、可展示VR/AR畫面的手機(jī)及平板電腦等，這類終端可以直接連接5G網(wǎng)絡(luò)，也可通過(guò)CPE的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接5G網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也可以通過(guò)網(wǎng)線連接5G網(wǎng)關(guān)設(shè)備連接5G網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)VR/AR的計(jì)算量小的數(shù)據(jù)處理進(jìn)程，可在本地進(jìn)行處理，針對(duì)計(jì)算量大的渲染操作等，可在云端進(jìn)行處理。總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)

2.2 仿真優(yōu)化系統(tǒng)應(yīng)用研究

本研究通過(guò)對(duì)船廠制造車間智能管控需求分析和運(yùn)行流程兩方面開展技術(shù)研究，構(gòu)建VR/AR綜合演示驗(yàn)證平臺(tái)。依托車間生產(chǎn)設(shè)備的三維模型，形成包含設(shè)備動(dòng)作行為控制腳本、通訊標(biāo)準(zhǔn)等在內(nèi)的虛擬設(shè)備對(duì)象，建立生產(chǎn)設(shè)備三維制造信息模型庫(kù)。依托生產(chǎn)設(shè)備三維制造信息模型庫(kù)，研究并實(shí)現(xiàn)支持整線或單元快速定制設(shè)計(jì)的生產(chǎn)過(guò)程VR/AR仿真系統(tǒng)；能夠模擬整線或單元的配置、布局，并將整線或單元配置及運(yùn)行過(guò)程的優(yōu)化問(wèn)題抽象成數(shù)學(xué)模型，開發(fā)專用算法進(jìn)行求解，能夠根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)生產(chǎn)設(shè)備布局方式、生產(chǎn)流程進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化。同時(shí)研究并開發(fā)混合現(xiàn)實(shí)漫游巡檢系統(tǒng)，開發(fā)車間VR三維漫游平臺(tái)，平臺(tái)具有虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸式體驗(yàn)效果，人可在三維虛擬車間場(chǎng)景中漫游并查看當(dāng)前車間的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。通過(guò)人機(jī)交互可點(diǎn)擊每一臺(tái)設(shè)備，顯示當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)和訂單信息。開發(fā)管加車間AR巡檢系統(tǒng)，產(chǎn)線管理人員佩戴AR眼鏡對(duì)產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行掃描識(shí)別獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，幫助管理人員快速了解產(chǎn)線的生產(chǎn)狀況，掌控設(shè)備的信息，呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)主要包括設(shè)備狀態(tài)和訂單信息[4-5]。

2.3 驗(yàn)證方法

可通過(guò)VR設(shè)備漫游查看車間產(chǎn)線、設(shè)備、加工制造流程等。通過(guò)交互操作可選中每一臺(tái)設(shè)備，并顯示當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)（操作時(shí)間、加工件數(shù)、故障信息、維修人員及電話）和加工信息?？陕尾榭创爱a(chǎn)品的加工場(chǎng)景、流程及加工工藝等。通過(guò)佩戴AR眼鏡或手持AR設(shè)備對(duì)產(chǎn)線設(shè)備的標(biāo)簽進(jìn)行掃描識(shí)別獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，能幫助管理人員快速了解產(chǎn)線的生產(chǎn)狀況，掌控設(shè)備的信息，能夠?qū)崟r(shí)呈現(xiàn)包括設(shè)備狀態(tài)和加工信息在內(nèi)的數(shù)據(jù)?？赏ㄟ^(guò)AR設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景和虛擬信息（例如三維操作指引、信息提示框、設(shè)備裝配原理示例、工藝工法示例等）的融合展示。

網(wǎng)絡(luò)條件：在5G環(huán)境下實(shí)現(xiàn)5G終端、CPE、AR/VR設(shè)備等的通信。

軟件環(huán)境：服務(wù)器端為云服務(wù)器或本地服務(wù)器，可自由配置操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)等，可針對(duì)CPU、硬盤、帶寬等參數(shù)進(jìn)行自由配置和彈性擴(kuò)容。

前端環(huán)境：前端系統(tǒng)為安卓或蘋果系統(tǒng)。

VR設(shè)備：頭戴式眼鏡設(shè)備。

AR功能：基于AR設(shè)備或智能手機(jī)與平板進(jìn)行驗(yàn)證。

3 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)船舶制造車間VR/AR需求分析，提出一種基于VR/AR的仿真優(yōu)化應(yīng)用方案，實(shí)現(xiàn)了管理創(chuàng)新，降低船舶制造成本，同時(shí)可以啟發(fā)其他離散制造行業(yè)，推動(dòng)中國(guó)智能制造事業(yè)發(fā)展。