黃豆醬生產(chǎn)3D虛擬仿真平臺的構(gòu)建與運行

李志江 戴凌燕 王艷紅 張寧 王長遠 張東杰

摘要：為真實模擬黃豆醬生產(chǎn)過程，構(gòu)建了黃豆醬工廠化生產(chǎn)3D平臺系統(tǒng)并進行應用。該平臺利用三維可視化技術(shù)，采用虛擬仿真現(xiàn)實方法，依據(jù)黃豆醬生產(chǎn)工廠場景構(gòu)建模型，按黃豆醬生產(chǎn)過程完成交互和評分，實現(xiàn)了黃豆醬生產(chǎn)工藝過程的在線模擬，主要包括認知學習、衛(wèi)生規(guī)范和仿真學習3個模塊，涵蓋黃豆醬工廠化生產(chǎn)的原料預處理、制曲、發(fā)酵和包裝等關(guān)鍵工藝控制和設(shè)備操作，具有多維度、高仿真、交互操作、全程參與、過程評價、實時信息反饋與指導等特點。通過應用該平臺，可以達到虛擬仿真實踐操作、模擬豆醬工廠化生產(chǎn)和企業(yè)宣傳等良好效果。

關(guān)鍵詞：黃豆醬；虛擬仿真；三維可視化技術(shù)；實踐教學

中圖分類號：TS264.24? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1000-9973（2023）07-0142-05

Abstract： In order to truly simulate the production process of soybean paste， a 3D platform system for the industrialized production of soybean paste is constructed and applied.Through the three-dimensional visualization technology and virtual stimulation reality method， a model is built based on the scene of soybean paste production factory. The interaction and scoring are completed according to the production process of soybean paste. Online simulation of the soybean paste production process is achieved， which mainly includes three modules such as cognitive learning， hygiene regulation and simulation learning， covering the key process control and equipment operation such as pre-treatment of raw material， koji making， fermentation and packaging in the industrialized production of soybean paste. It is characterized by many dimensions， high simulation， interactive operation， whole process participation， process evaluation， real-time information feedback and guidance. By applying this platform， good results such as virtual simulation of practical operation， simulation of factory production of soybean paste and enterprise publicity can be achieved.

Key words： soybean paste; virtual simulation; three-dimensional visualization technology; practice teaching

黃豆醬又稱大豆醬、豆醬，是以黃豆為主要原料，經(jīng)微生物發(fā)酵釀制的傳統(tǒng)醬類調(diào)味品（GB/T 24399—2009）?！吨袊圃?025》和《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》均明確提出了食品行業(yè)的智能化和綠色制造升級，隨著釀造技術(shù)的進步，黃豆醬生產(chǎn)已由傳統(tǒng)手工制作發(fā)展至工業(yè)“3.0時代”[1]。食品生產(chǎn)是一個復雜的系統(tǒng)工程，包括原料選擇和處理、設(shè)備選型、工藝和質(zhì)量控制、包裝等內(nèi)容，可采用數(shù)字化方式鏡像食品生產(chǎn)工藝、物理車間和設(shè)備等，建立由“物”及“數(shù)”的聯(lián)網(wǎng)映射，實現(xiàn)虛擬環(huán)境再現(xiàn)模擬食品的生產(chǎn)過程[2]。通過采集數(shù)據(jù)進行虛擬化處理，研究人員構(gòu)建了白酒釀造工藝仿真體系，操作人員在虛擬仿真場景中學習了白酒固態(tài)發(fā)酵步驟和流程[3]。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，研究人員開發(fā)了面包、魷魚圈、濃縮果汁、香菇湯、油炸果蔬脆片和干酪等食品生產(chǎn)仿真平臺，使用者在視覺和聽覺感官方面猶如身臨其境，系統(tǒng)掌握了食品的工廠化生產(chǎn)過程[4]。借助計算機仿真，開發(fā)者構(gòu)建了啤酒和葡萄酒生產(chǎn)的發(fā)酵控制系統(tǒng)，操作者體驗了虛擬的單元操作仿真環(huán)境，為學習人員創(chuàng)造了便利[5]。

當前，傳統(tǒng)黃豆醬生產(chǎn)主要集中于生產(chǎn)工藝控制、微生物和風味品質(zhì)等的科學研究[6]，以及教學方法和實習實踐等[7]，而關(guān)于黃豆醬生產(chǎn)虛擬仿真平臺方面鮮有報道。筆者曾對“豆醬的生產(chǎn)與質(zhì)量控制”虛擬仿真實驗教學提出了構(gòu)建設(shè)想，但僅提出了教學方面的特色，未對工廠化黃豆醬生產(chǎn)虛擬仿真平臺系統(tǒng)進行細化[8]。因此，在互聯(lián)網(wǎng)時代背景下，進一步探討基于3D虛擬仿真技術(shù)的黃豆醬生產(chǎn)平臺構(gòu)建，將有助于指導我國黃豆醬生產(chǎn)智能化制造水平。

本文以黑龍江省某知名大型黃豆醬企業(yè)生產(chǎn)實際為例，建設(shè)了黃豆醬生產(chǎn)3D虛擬仿真平臺并進行了操作運行，以期解決黃豆醬生產(chǎn)的虛擬仿真信息化建設(shè)難題，推動我國黃豆醬生產(chǎn)智能化水平，輔助食品科學與工程專業(yè)學生實驗教學和專業(yè)技術(shù)人員培訓。

1 黃豆醬生產(chǎn)3D虛擬仿真平臺的開發(fā)與特色

1.1 建設(shè)目標

黃豆醬生產(chǎn)3D虛擬仿真平臺以企業(yè)生產(chǎn)實際為模型，應用了企業(yè)技術(shù)標準、配套設(shè)備和質(zhì)量規(guī)程等，通過仿真技術(shù)和工具建立由實物及數(shù)字的仿真平臺。旨在構(gòu)建多維度、高仿真度、高交互操作、全程參與式、可提供實時信息反饋與操作指導、虛擬的仿真平臺，真實再現(xiàn)黃豆醬生產(chǎn)全過程，設(shè)計路線圖見圖1。

操作人員通過在本平臺上的訓練，進一步熟悉黃豆醬生產(chǎn)專業(yè)基礎(chǔ)知識，掌握黃豆醬生產(chǎn)的操作步驟、設(shè)備原理、相關(guān)參數(shù)控制，為操作人員充分掌握黃豆醬生產(chǎn)做準備。

1.2 開發(fā)技術(shù)和工具

1.2.1 開發(fā)技術(shù)

通過3D仿真技術(shù)實現(xiàn)虛擬教學仿真。在Windows平臺下，3D引擎通過DirectX技術(shù)實現(xiàn)黃豆醬生產(chǎn)3D模型渲染及材質(zhì)燈光調(diào)節(jié)；通過Animation窗口利用骨骼動畫、關(guān)鍵幀和序列幀動畫進行3D模型動畫制作，利用Particle System特效粒子實現(xiàn)設(shè)備運行特效，通過計算機圖形學和計算幾何學等實現(xiàn)仿真企業(yè)實際操作。利用后臺模塊化模型的搭建和鏈接實現(xiàn)數(shù)據(jù)仿真計算，結(jié)合VR、AR和動作捕捉技術(shù)，實現(xiàn)增強虛擬化變現(xiàn)和交互性，并內(nèi)置評分系統(tǒng)對相關(guān)操作及參數(shù)內(nèi)容進行實時評分。

1.2.2 開發(fā)工具

采用Unity 3D作為3D開發(fā)引擎，利用C#語言并通過Visual Studio工具進行程序開發(fā)；借助Photoshop進行課程相關(guān)知識點圖片及軟件UI的整合制作；結(jié)合SVN、Microsoft Project等工具進行程序版本控制和項目管理；采用次時代建模技術(shù)，使用Maya、3D Max、Substance Painter等工具制作黃豆醬仿真資源模型。操作人員可在常用的電腦端進行注冊和在線使用，操作成績可上傳至平臺教師站進行保存查看。

1.3 平臺軟件啟動與運行模式

1.3.1 平臺軟件啟動

操作人員完成軟件安裝后，經(jīng)開發(fā)人員審核注冊情況，給予使用權(quán)方可運行虛擬仿真軟件。選擇“豆醬生產(chǎn)與質(zhì)量控制虛擬仿真軟件”，點擊“啟動”按鈕，顯示主界面，進入場景后，進行實驗操作（見圖2中A）。啟動軟件后，出現(xiàn)仿真軟件加載頁面，軟件加載完成后進入仿真實驗操作界面。

1.3.2 運行模式

1.3.2.1 練習模式

該模式針對的對象是初學者。相應的步驟有提示，操作人員只有正確完成當前的操作，才會出現(xiàn)下一步操作的提示。

1.3.2.2 考核模式

操作人員使用練習模式后，考核人員可通過考核模式對操作人員的學習效果進行檢測，該模式下無步驟提示，完成相應的步驟得到相應的分值，作為評定標準。

1.4 平臺特色

本平臺采用三維可視化技術(shù)，依據(jù)黃豆醬發(fā)酵工廠實際場景搭建模型，按實際生產(chǎn)過程完成交互，完整再現(xiàn)了黃豆醬生產(chǎn)工藝過程。配有評分系統(tǒng)，操作人員可查看有關(guān)設(shè)備及工藝的相關(guān)知識點，為操作人員提供了自主發(fā)揮的實訓舞臺，特別有利于調(diào)動操作人員動腦思考，培養(yǎng)操作人員的動手能力，同時也增強了學習的趣味性。

1.4.1 三維可視化技術(shù)

利用電腦模擬產(chǎn)生一個3D空間的虛擬世界，構(gòu)建高度仿真的虛擬生產(chǎn)環(huán)境和生產(chǎn)對象，向使用者提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時、沒有限制地360°旋轉(zhuǎn)觀察3D空間內(nèi)的事物，界面友好，互動操作，形式活潑。

1.4.2 智能操作指導

系統(tǒng)能夠模擬生產(chǎn)操作中的每個步驟，并加以文字或語言說明和解釋。

1.4.3 評分系統(tǒng)

系統(tǒng)給出操作提示，操作正確時得分，錯誤時扣分，每個步驟最多扣分3次。

1.4.4 應用價值和應用前景

本平臺由計算機程序設(shè)計人員、三維可視化技術(shù)人員、具有實際經(jīng)驗的一線工程技術(shù)人員、專業(yè)教師合作完成，貼近實際，過程規(guī)范，實用性強，具有較大的可推廣應用價值，適合教育和培訓使用。

2 黃豆醬生產(chǎn)3D虛擬仿真平臺的運行

平臺包括3個模塊：認知學習、規(guī)范性衛(wèi)生操作和仿真學習。

2.1 認知學習模塊

通過圖文的形式將黃豆醬生產(chǎn)的相關(guān)知識點呈現(xiàn)給操作人員，作為認知學習的一部分。主要內(nèi)容包括原輔料簡介、生產(chǎn)設(shè)備簡介、成品簡介、生產(chǎn)工藝學習、原料處理相關(guān)知識點、制曲、黃豆醬發(fā)酵相關(guān)知識、滅菌和包裝的注意事項等。操作人員點擊“知識預習”按鈕，進行理論知識學習。按照操作步驟選擇工藝，人物跳轉(zhuǎn)到該工藝相關(guān)車間并對相關(guān)工藝流程進行知識點學習。點擊“設(shè)備原理”按鈕，選擇相關(guān)設(shè)備，人物跳轉(zhuǎn)至該設(shè)備面前，并對設(shè)備進行知識點學習。點擊“關(guān)鍵參數(shù)”按鈕，選擇查看相關(guān)參數(shù)要點。

2.2 規(guī)范性衛(wèi)生操作模塊

通過認知操作的方式及人物動畫展示，還原操作人員進入工廠之前更衣消毒的標準流程，詳細講解及演示每一步操作。主要內(nèi)容包括換拖鞋、修剪指甲、戴頭套、更衣、粘毛發(fā)、戴工作帽、戴口罩、換工作鞋、對鏡自檢、風淋、洗手、消毒等。

點擊“衛(wèi)生規(guī)范”，進入更衣消毒車間進行更衣消毒學習。更換拖鞋后，通過“智能訪客管理機”進行“人員進出入登記”。進入更衣間，戴好藍色發(fā)網(wǎng)帶，脫去便服。利用毛發(fā)粘輥去除身上的毛發(fā)。依次戴好工作帽、口罩，更換工作服和工作鞋。對鏡自檢后走出更衣間，再次對工作服進行粘毛發(fā)處理。通過風淋間進行風淋，于洗手池進行洗手消毒和烘干（見圖2中B）。更衣消毒任務(wù)完成后，點擊右側(cè)的返回按鈕回到菜單主頁。本模塊包含的人物動畫主要有換鞋、風淋、洗手消毒、對鏡自檢、粘毛發(fā)等，通過交互三維動畫形式對各步驟進行考核，鍛煉操作人員的判斷能力，鞏固知識的掌握程度。在學習過程中，除了考核操作人員對步驟順序的熟練程度，還內(nèi)置思考題，考察操作人員對不同消毒劑不同用途的掌握程度。

2.3 仿真學習模塊

本模塊是黃豆醬生產(chǎn)3D虛擬仿真平臺的核心。采用仿真技術(shù)和工具，以黃豆醬企業(yè)生產(chǎn)實際為模型，搭建一個高度逼真的黃豆醬生產(chǎn)虛擬場景，包括原料驗收區(qū)、原輔料加工區(qū)、制曲工作區(qū)、發(fā)酵車間、滅菌包裝車間等場景，以及儲糧倉、輸送泵、蒸煮鍋、清洗罐、泡豆罐、制曲池、發(fā)酵池、管式滅菌機、包裝機等生產(chǎn)設(shè)備。操作人員控制虛擬人物在該場景進行仿真操作，任務(wù)流程包括黃豆醬生產(chǎn)的全部流程如原料驗收、輔料加工、原料加工、混合制曲、一次發(fā)酵、二次發(fā)酵和滅菌包裝。

黃豆醬生產(chǎn)原料驗收與預處理操作及車間實踐和仿真過程關(guān)鍵點見圖3。

2.3.1 原料驗收操作與仿真

點擊原料倉，學習原輔料驗收標準。點擊運料車上的大豆和面粉，判斷符合驗收標準的原料（見圖3中A）。原料驗收完畢后，沿地面箭頭進入生產(chǎn)廠房，更衣消毒（已跳過）后進行黃豆醬生產(chǎn)。

2.3.2 面粉蒸煮操作與仿真

在面粉蒸煮車間，首先檢測蒸煮鍋設(shè)備。點擊打開蒸煮鍋排水閥，排出管內(nèi)殘水。排水完畢，關(guān)閉蒸煮鍋排水閥，然后找到控制柜，點擊輸送泵啟動按鈕，將面粉輸送至蒸煮鍋。面粉輸送完畢后，關(guān)閉輸送泵開關(guān)，開啟蒸汽進汽閥門，通入加熱蒸汽。預加熱一段時間后，鍋內(nèi)空氣被排出，關(guān)閉蒸汽進汽閥門。點擊封閉螺絲，擰緊蒸煮鍋封閉螺絲。將蒸煮鍋密封后，再次打開蒸汽進氣閥門進行加熱。點擊蒸煮鍋電機啟動按鈕，對面粉進行旋轉(zhuǎn)加熱。調(diào)節(jié)蒸煮鍋蒸汽進汽閥門，觀察蒸煮鍋壓力表，控制蒸煮壓力在0.18～0.25 MPa，設(shè)置蒸煮時間（見圖3中B）。蒸煮完畢后，關(guān)閉蒸汽進汽閥門，停止加熱。右鍵點擊蒸煮鍋，旋轉(zhuǎn)180°，倒出面粉，打開絞龍?zhí)嵘龣C啟動，粉碎按鈕，將粉碎后的熟面粉送入風冷機。對熟面粉進行質(zhì)量檢測，將熟面粉吸入旋風分離器進行旋風分離。

2.3.3 大豆預處理操作與仿真

在大豆清洗車間，通過清洗罐清洗大豆，去除洗出的雜質(zhì)，并學習大豆清洗標準（見圖3中C）。打開輸送泵，將清洗完成后的大豆輸送至泡豆罐，向泡豆罐中注入清水。在泡豆罐二樓平臺，將大豆攤平。右鍵點擊泡豆鍋中的大豆，根據(jù)季節(jié)設(shè)置泡豆時間。泡豆完畢后，點擊泡豆鍋內(nèi)大豆，進行質(zhì)量檢測。

泡豆完畢后，點擊1號浸泡罐排料口，打開排料口，將1號浸泡罐中的大豆經(jīng)漏料口漏至蒸煮鍋（操作如面粉蒸煮，見圖3中D）。控制蒸煮壓力在0.15～0.18 MPa，蒸煮溫度在110～130 ℃。蒸煮完畢后排出熟豆，點開輸送履帶按鈕，打開原料輸送履帶，向風冷機中吹入冷風將大豆降溫至35～45 ℃。

依次打開面粉排料按鈕、菌種排料按鈕、混合絞龍按鈕、提升機按鈕，將原料混合輸送至曲室。點擊混合絞龍，測量接種料的溫度。

2.3.4 制曲操作與仿真

在制曲室車間，操作人員選擇進入，利用“耙”工具鋪平曲料。當孢子發(fā)芽期培養(yǎng)時間設(shè)定為8～10 h，設(shè)定曲室適宜溫度。點擊曲池的溫度表，查看品溫，當品溫超過35 ℃時，打開通風閥門，向曲池中通風降溫，控制曲料品溫為34～35 ℃。制曲16 h時，曲料進入菌絲生長期后會有曲料結(jié)塊，此時點擊曲池上面的翻曲機，進行翻曲操作（見圖4中A）。制曲24 h時，曲料發(fā)白并產(chǎn)生裂縫時，點擊曲池上面的翻曲機，進行二次翻曲操作。制曲24 h時，曲料發(fā)白并產(chǎn)生裂縫時，點擊曲池上面的翻曲機，進行二次翻曲操作。制曲完成后，右鍵點擊曲料，將曲池中的成曲通過卸料口排至發(fā)酵池。

2.3.5 發(fā)酵與滅菌操作與仿真

在發(fā)酵車間，點擊卸料槽，將曲料引入發(fā)酵池。選擇“加鹽水”，設(shè)置鹽水濃度及溫度。加鹽水完畢，右鍵點擊1號發(fā)酵池中的物料，設(shè)置前期發(fā)酵參數(shù)（見圖4中B），翻醬操作20 min。前期發(fā)酵完畢，右鍵點擊發(fā)酵池，選擇倒池，將醬料倒至中期發(fā)酵池。倒池完畢，右鍵點擊2號發(fā)酵池中的物料，設(shè)置中期發(fā)酵參數(shù)，翻醬操作15 min。中期發(fā)酵完畢，選擇倒池，將醬料倒至后酵池，翻醬操作15 min。發(fā)酵時間24 h 后，選擇“加鹽水”，設(shè)置黃豆醬參數(shù)。黃豆醬發(fā)酵完畢，點擊發(fā)酵池，選擇倒池，將醬料倒至貯存池。點擊貯存池中的黃豆醬，查看產(chǎn)品質(zhì)量要求。

點擊管式滅菌機蒸汽進口閥，向管式滅菌機中通入蒸汽（見圖4中C）。設(shè)置滅菌機相關(guān)參數(shù)，點擊啟動物料輸送泵，將成品醬輸送至管式滅菌機中進行高溫滅菌。成品醬經(jīng)滅菌后送入無菌暫存罐，請到暫存車間，右鍵點擊無菌暫存罐，查看相關(guān)知識點。設(shè)置無菌罐相關(guān)參數(shù)，點擊打開無菌暫存罐出料閥，點擊打開無菌暫存罐出料泵，將成品醬送至灌裝車間。

2.3.6 包裝操作與仿真

在灌裝車間，點擊內(nèi)灌裝機（見圖4中D），進行全自動灌裝與人工灌裝的對比學習。灌裝完畢后需再次進行滅菌風干操作，進入包裝車間，點擊包裝滅菌機控制柜，調(diào)整滅菌狀態(tài)。打開本控制界面，包括加熱電源、沖淋電源、風機電源、傳動電源等。在功能設(shè)置界面設(shè)置傳動速度及風機功率，在溫度設(shè)置界面設(shè)置殺菌溫度及殺菌時間。右鍵點擊封箱機，查看設(shè)備運行原理。黃豆醬生產(chǎn)任務(wù)完成，回答相關(guān)問題。

3 應用效果

平臺建成3年以來，已在黃豆醬生產(chǎn)企業(yè)進行員工培訓，針對本科生和研究生進行工程實踐，以及在省外高校進行應用，起到了良好的推廣效果。

3.1 用于黃豆醬生產(chǎn)企業(yè)培訓員工和企業(yè)宣傳

經(jīng)建設(shè)和完善，本平臺已獲批“黃豆醬生產(chǎn)與質(zhì)量控制虛擬仿真軟件”著作權(quán)（登記號2022SR0346166）。通過單機單角色、單機多角色、分組單角色和分組多角色等方式，對企業(yè)生產(chǎn)人員、品控人員和銷售人員進行平臺使用培訓和黃豆醬生產(chǎn)培訓，得到了企業(yè)和用戶的好評，有效提升了黃豆醬生產(chǎn)質(zhì)量，宣傳了企業(yè)產(chǎn)品。

3.2 用于本科生和研究生實踐教學

隨著OBE理念和工程教育專業(yè)認證的不斷深入，虛擬仿真平臺與教學符合食品科學與工程專業(yè)“新工科”建設(shè)思想[9]，也適應“新農(nóng)科”建設(shè)對卓越農(nóng)林新型人才的培養(yǎng)需求[10]。2022年6月，本校食品科學與工程專業(yè)接受工程教育專業(yè)認證考核，作為實習實踐環(huán)節(jié)支撐材料，黃豆醬生產(chǎn)3D虛擬仿真平臺對學生工程能力培養(yǎng)起到了重要作用，得到了行業(yè)專家的好評。通過學生操作進行全程評分（見圖5中A），教師通過平臺后臺對交互操作內(nèi)容實時評分，充分了解學生對黃豆醬生產(chǎn)的掌握情況。依據(jù)考試系統(tǒng)（見圖5中B）中的培訓模式、授權(quán)管理、組織考試、統(tǒng)計成績等方式，教師可導出成績、打印成績。同時，疫情期間，專業(yè)碩士通過本平臺也進行了系統(tǒng)訓練，達到了良好的效果。

3.3 在外校推廣應用

目前，在哈爾濱、沈陽和大連等東北地區(qū)部分食品專業(yè)學校進行了平臺的推廣和應用，得到了同行和外校學生的認可。

4 結(jié)論

隨著信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融入食品生產(chǎn)行業(yè)，黃豆醬生產(chǎn)3D虛擬仿真平臺緊密對接企業(yè)生產(chǎn)實際，將黃豆醬生產(chǎn)從企業(yè)引入到虛擬平臺，實現(xiàn)了客戶端的在線仿真操作。在黃豆醬生產(chǎn)3D虛擬仿真平臺中，操作人員既能學習黃豆醬生產(chǎn)工藝、設(shè)備操作和質(zhì)量控制，也能以第一視覺感受車間布局、衛(wèi)生規(guī)范和質(zhì)量管理，并實時考核評價操作水平。操作人員如臨其境、感同身受的實踐操作，有利于其掌握生產(chǎn)本產(chǎn)品或從事本行業(yè)的技能水平。通過應用本平臺，有助于企業(yè)生產(chǎn)人員全程掌握企業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，為本科生和研究生教學方法改革和教學效果提升提供了創(chuàng)新手段。但構(gòu)建的平臺水平并未達到完全的“工業(yè)仿真”程度，尤其是在平臺應用時，虛擬仿真技術(shù)不能完全反映生產(chǎn)實踐中可能出現(xiàn)的技術(shù)問題、操作水平和產(chǎn)品質(zhì)量判別，應注重虛實結(jié)合，才能達到真正的虛擬現(xiàn)實與實踐生產(chǎn)結(jié)合。

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