虛擬現(xiàn)實技術(shù)在船舶吊裝作業(yè)中的應(yīng)用

臧 睿，金 濤

(浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所，浙江 杭州 310027)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在船舶吊裝作業(yè)中的應(yīng)用

臧 睿，金 濤

(浙江大學(xué) 化工機(jī)械研究所，浙江 杭州 310027)

吊裝工序被廣泛地應(yīng)用在快速發(fā)展的船舶建造、橋梁建設(shè)、核電、風(fēng)電、海洋工程、石油化工等行業(yè)的建設(shè)項目中。吊裝作業(yè)能否高效的進(jìn)行，直接影響到整個工程建造的周期和質(zhì)量,從而影響企業(yè)的效益。因此在吊裝工序的過程中進(jìn)行各方資源的合理配置尤為重要。文章通過分析目前國內(nèi)外虛擬吊裝軟件應(yīng)用的總體概況，梳理、總結(jié)了相關(guān)文獻(xiàn)，分析得到現(xiàn)有軟件的一些不足點，擬開展進(jìn)一步的研究。

吊裝；虛擬現(xiàn)實；人機(jī)交互

虛擬現(xiàn)實技術(shù)(簡稱VR)，是一種通過相應(yīng)對應(yīng)反饋來進(jìn)行人機(jī)交互的三維模型仿真技術(shù)，它可以逼真的模擬對象在設(shè)計環(huán)境中各種感覺的反饋，其結(jié)果是使用戶置身于由計算機(jī)模擬得到的虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實技術(shù)突出的特點就是在實時性的反饋基礎(chǔ)上，實現(xiàn)用戶的交互感和沉浸感。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)包含計算機(jī)圖形技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)、多媒體技術(shù)等，是一種綜合性應(yīng)用技術(shù)，廣泛應(yīng)用于諸如航空航天、城市規(guī)劃、建筑設(shè)計、工業(yè)仿真、教育科研等領(lǐng)域，有效地控制了生產(chǎn)和設(shè)計成本，極大地提升了產(chǎn)業(yè)效率。

隨著國家經(jīng)濟(jì)實力的不斷增強，石化、造船、橋梁建筑、核電風(fēng)電等大型工業(yè)規(guī)模不斷發(fā)展，在這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，越來越多的核心設(shè)備和主要裝備也向著大型化、復(fù)雜化的道路邁進(jìn)，吊裝作業(yè)的難度和工作量也不斷地增加。如何在保證安全的前提下提高吊裝效率、降低吊裝成本，成為擺在我們面前亟待解決的難題。

1 船舶吊裝作業(yè)趨勢

船舶制造系統(tǒng)是不同于作業(yè)或流水車間的制造系統(tǒng)，具有批量小單獨化、設(shè)備負(fù)載不平均、干擾因素多等不同于傳統(tǒng)制造體系的特殊性和復(fù)雜性。同時由于船舶建造周期長，存在設(shè)計、建造和采購?fù)瑫r進(jìn)行的特點，因此船舶的建造過程不同于面向庫存的生產(chǎn)方式。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，船舶制造將形成以技術(shù)、管理和信息的計算機(jī)集成為特征，以社會生產(chǎn)要素與世界船舶市場需求相結(jié)合的虛擬造船系統(tǒng)。以人為核心，以計算機(jī)為中介的人機(jī)一體的智能制造模式將替代現(xiàn)有的造船模式，未來的造船模式將充分體現(xiàn)出柔性、智能、靈活化和全球化[1-3]。

船舶CAD技術(shù)已逐漸從傳統(tǒng)的二維設(shè)計向三維虛擬設(shè)計轉(zhuǎn)化。虛擬現(xiàn)實技術(shù)提供了人與計算機(jī)交互的環(huán)境，在這個模擬的現(xiàn)實世界的數(shù)字化多維空間中，操作者可以獲得與環(huán)境相互作用的各種信息，而這種環(huán)境可以代替一個需要耗費大量時間與資源的實際環(huán)境，同時可以使產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)各環(huán)節(jié)表現(xiàn)得更逼真。虛擬現(xiàn)實技術(shù)有3個主要特點:實時性、沉浸性和交互性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅能極大地改善人機(jī)界面的交互方式，而且具有非常廣闊的應(yīng)用前景[4-6]。

2 行業(yè)現(xiàn)狀

隨著船舶制造的大型化，重達(dá)數(shù)百噸甚至數(shù)千噸的超大型設(shè)備的吊裝越來越多，工作現(xiàn)場環(huán)境越發(fā)復(fù)雜，2臺乃至多臺起重機(jī)協(xié)同作業(yè)的情況也越來越多，在這種情況下,為了能夠安全順利地進(jìn)行吊裝作業(yè)，統(tǒng)籌安排起重機(jī)資源，對吊裝方案設(shè)計的精確性、合理性、高效性和可靠性都提出了更高的要求。目前，吊裝方案的制定主要是以人工方式進(jìn)行，設(shè)計人員通過實地考察分析，研究并分析作業(yè)環(huán)境，根據(jù)作業(yè)工序和實施方案，查閱相關(guān)技術(shù)文檔和吊機(jī)手冊，選擇適合的相應(yīng)工裝和設(shè)備，最終制定吊裝方案。由于吊車、索具、吊耳等輔助設(shè)備繁多，各種設(shè)備參數(shù)，現(xiàn)場構(gòu)件大小、質(zhì)量、場地、空間等數(shù)據(jù)量復(fù)雜繁多，僅憑手工校核計算和選擇制定吊裝工藝方案不能滿足要求，并且不能看到吊裝方案實施的效果，自然談不上分析吊裝的效率、可行性和安全性[7]。

3 國內(nèi)外主要虛擬吊裝軟件

隨著計算機(jī)硬件系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，目前國際上各種先進(jìn)的船舶CAD/CAM系統(tǒng)有了較大的發(fā)展。

1)德國Liebherr公司的Liccon系統(tǒng)，Demag公司的IC-1系統(tǒng)和Manitowoc公司的EPic系統(tǒng)，這些系統(tǒng)均是公司獨立研發(fā)的輔助吊裝方案選擇的工具，可以對公司生產(chǎn)的起重機(jī)進(jìn)行吊裝方案選擇，并能對選中的吊裝方案進(jìn)行簡單的二維演示，但由于是針對自己本公司的產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)和設(shè)計，不具有開放性，系統(tǒng)的通用性不強[1-6]。

2) Vortex Simulation Platform是加拿大CM-LABS公司開發(fā)的一個用于現(xiàn)實物理系統(tǒng)建模與仿真的開發(fā)平臺，實現(xiàn)了物體與物體/離子系統(tǒng)的耦合作用，可跨平臺支持Windows、Linux操作平臺，適用于交互式、實時性操作的虛擬仿真。該軟件可以考慮任意復(fù)雜拓?fù)湎到y(tǒng)的多體動力學(xué)，具有豐富的碰撞檢測性能，同時支持任意的圖形引擎，包括 OpenSceneGraph、Virtools、Vega Prime等[1-6]；但該系統(tǒng)主要側(cè)重于動力學(xué)方面的模擬，對于側(cè)重于吊裝演示的吊裝企業(yè)來說，匹配度不是很高，并且該軟件需要昂貴的硬件支持，對于一般的工程公司也是難以承擔(dān)的。

3) Professional Training simulator是一款專業(yè)吊裝培訓(xùn)模擬器。通過操作手柄輸入，可以在屏幕上顯示的三維場景，是一種沉浸型虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)[2-7]；這款設(shè)備側(cè)重于對吊裝施工人員的培訓(xùn)和演練，并不能夠很好的處理復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境中的吊裝路徑規(guī)劃和模擬工作，并且該模擬器的價格不菲，不能很好的滿足施工單位的需求。

國內(nèi)吊裝行業(yè)起步較晚，主要開發(fā)了校核計算軟件，但進(jìn)行三維仿真的軟件相對較少。國內(nèi)的吊裝軟件主要有如下幾種。

1)吊裝專家Vista，這是一款用于起重機(jī)吊裝工況核算和優(yōu)化的校核軟件，可以進(jìn)行各種設(shè)備的受力、強度等校核計算。其不足之處是不能對復(fù)雜吊裝工件進(jìn)行質(zhì)心計算和吊點位置校核，在有限元計算方面，不能夠?qū)τ捎趯踊蚝附铀a(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行計算和分析，在吊裝演示方面的真實性也不強[1-4]。

2)大連理工大學(xué)與中石化第二建設(shè)公司合作研發(fā)了一款針對吊裝行業(yè)輔助制作吊裝方案并進(jìn)行虛擬仿真的三維吊裝仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了吊裝環(huán)境與設(shè)備的二維繪制、三維模擬、信息反饋、有限元分析和方案輸出，但不能夠進(jìn)行人機(jī)交互方面的演示，對于復(fù)雜的吊裝過程的演示能力不足，無法進(jìn)行參數(shù)化的設(shè)計，系統(tǒng)的完整性不高[6-11]。

除此之外，國內(nèi)一些高校如大連理工大學(xué)、華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)等也開展了吊裝系統(tǒng)的研究，發(fā)表有多篇博士、碩士論文，但僅限于實驗室系統(tǒng)，沒有實現(xiàn)商業(yè)化。一些商業(yè)公司開發(fā)的系統(tǒng)多是以動畫仿真為基礎(chǔ)平臺。

4 現(xiàn)有軟件存在的問題及解決方案

4.1 現(xiàn)有軟件存在的問題

目前，國內(nèi)外公司和船廠開發(fā)的多個船舶虛擬建造軟件，包括吊裝系統(tǒng)，從企業(yè)需要和實用化角度，一些亟需解決的裝配及吊裝問題依然沒有很好地解決。

1) 現(xiàn)有的船舶虛擬建造軟件沒有考慮現(xiàn)實構(gòu)件在制造生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的尺寸偏差會對吊裝工藝產(chǎn)生影響，吊裝裝配仿真實際是船舶分段構(gòu)件設(shè)計尺寸仿真不是實際制造尺寸的裝配，這樣的仿真只能解決吊裝干涉、吊具和吊裝路徑優(yōu)化等問題，不能模擬或觀察由于船板折彎和焊接變形帶來的裝配對中誤差，更重要的是不能計算由于變形帶來的裝配應(yīng)力及變形情況。

2) 現(xiàn)有的船舶虛擬建造軟件與現(xiàn)場實際吊裝工況結(jié)合不能令人滿意，主要是通用軟件設(shè)計和船廠制造現(xiàn)場、設(shè)備及工藝的差距，不能充分考慮各種工藝過程及其相互作用的基本特性，現(xiàn)場實際工況會影響吊裝流程的規(guī)劃及吊裝路徑的選擇，而這些無法映射到船舶虛擬制造系統(tǒng)中。

3) 現(xiàn)有的船舶虛擬建造軟件與有限元仿真軟件不能很好地轉(zhuǎn)接，主要是數(shù)據(jù)格式的問題，因為很多仿真軟件基于動畫平臺軟件開發(fā)，可以做到吊裝逼真，畫面流暢，但和有限元分析軟件的數(shù)據(jù)接口有問題。如果選擇三維造型軟件做吊裝仿真平臺，其數(shù)據(jù)接口和有限元計算可以無縫集成，但仿真畫面效果不如動畫軟件。

4.2 未來軟件的解決方案

根據(jù)系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能以及現(xiàn)有軟件的不足，后期軟件的研發(fā)主要研究解決以下問題：①船舶分段構(gòu)件的幾何建模及修改平臺；②船舶虛擬吊裝、預(yù)裝配仿真平臺和三維建模及實測數(shù)據(jù)通信；③有限元計算平臺選擇及數(shù)據(jù)通信；④吊裝方案制定。

整個系統(tǒng)的操作及運用過程如下：從船舶設(shè)計數(shù)據(jù)中提取分段構(gòu)件模型數(shù)據(jù)或重新建模；進(jìn)行虛擬吊裝仿真，計算校核吊裝應(yīng)力，吊具及位置是否正確，吊裝過程的穩(wěn)定性，路徑布置是否合理，制定吊裝方案；船舶分段構(gòu)件預(yù)裝配，根據(jù)分段構(gòu)件制造尺寸，修改再生分段的設(shè)計模型，對構(gòu)件進(jìn)行裝配對接仿真，檢查對接間隙，構(gòu)件變形情況，計算裝配焊接應(yīng)力，對構(gòu)件是否滿足要求進(jìn)行評估，指導(dǎo)超出標(biāo)準(zhǔn)的分段構(gòu)件進(jìn)行修形。

整個系統(tǒng)的選型及開發(fā)架構(gòu)如下：系統(tǒng)基于西門子公司的UG軟件、Unity3D軟件及有限元分析軟件Ansys的平臺上進(jìn)行開發(fā)，UG平臺進(jìn)行分段構(gòu)件三維建模及與其他造船設(shè)計軟件的數(shù)據(jù)交換，吊裝過程仿真和預(yù)裝配仿真利用Unity3D模塊實現(xiàn)，UG軟件和Unity3D可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫集成。吊裝應(yīng)力及穩(wěn)定性計算選擇Ansys軟件進(jìn)行。平臺的基本架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺基本架構(gòu)圖

4.2.1 船舶分段吊裝及預(yù)裝配仿真

船舶分段構(gòu)件虛擬吊裝及預(yù)裝配過程包括構(gòu)件的幾何建模、幾何形狀修改、吊裝過程、干涉檢查、裝配建模、裝配順序規(guī)劃和裝配路徑的規(guī)劃等。

1)構(gòu)件幾何造型和裝配建模。在三維軟件UG進(jìn)行構(gòu)件幾何建模，調(diào)入與確認(rèn)目標(biāo)裝配體，建立裝配模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從模型中提取虛擬裝配所需的基本建模信息。

2)虛擬裝配環(huán)境的建立。這是虛擬裝配技術(shù)準(zhǔn)備的核心模塊，在運動仿真模塊unity 3D中進(jìn)行虛擬裝配環(huán)境的設(shè)置及裝配路徑初始化、設(shè)置裝配路徑、吊具選擇、構(gòu)件的姿態(tài)和位置、裝配過程中構(gòu)件的角度姿態(tài)調(diào)整方式等。

3)裝配過程動畫。在運動仿真模塊unity 3D進(jìn)行虛擬裝配演示設(shè)置后，可進(jìn)行單個構(gòu)件、多個構(gòu)件以及所有組成構(gòu)件沿具體裝配路徑、按設(shè)定的裝配姿態(tài)角度，演示裝配過程和運動動畫效果。

4)吊裝應(yīng)力及吊裝過程穩(wěn)定性計算。在有限元分析軟件Ansys中對裝配模塊進(jìn)行強度校核等，對結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)分析和評估。

4.2.2 系統(tǒng)不同數(shù)據(jù)接口及傳輸

船舶分段制造完成后，構(gòu)件實物數(shù)據(jù)和UG及Ansys系統(tǒng)的傳輸。船體分段制造時，由于下料彎曲和焊接等過程中，會造成分段船體變形，以往的虛擬裝配軟件，在進(jìn)行虛擬裝配時依據(jù)的是船體分段的設(shè)計尺寸，這樣的裝配只能檢查設(shè)計誤差。然而，制造誤差才是主要的裝配誤差。嚴(yán)重時，過大的變形會導(dǎo)致裝配應(yīng)力過大，影響船體結(jié)構(gòu)安全。盡管制造中，對變形誤差有控制標(biāo)準(zhǔn)，但具體到裝配哪個部位變形大，導(dǎo)致附近結(jié)構(gòu)應(yīng)力大，目前的裝配工藝不能具體直觀地確定。利用虛擬軟件，可以清楚地觀察分段件對中及間隙情況，利用有限元軟件，可以計算獲得結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小。這樣，船舶分段構(gòu)件制造后的幾何信息獲取就成為關(guān)鍵。變形數(shù)據(jù)實時測量是根據(jù)幾何模型確定測量點，指導(dǎo)現(xiàn)場測量出的大型構(gòu)件實物尺寸，再實時反饋輸入到系統(tǒng)軟件中，驅(qū)動原數(shù)據(jù)模型進(jìn)行幾何參數(shù)的更新，為后面的虛擬裝配和Ansys計算分析做準(zhǔn)備。

根據(jù)幾何數(shù)字模型驅(qū)動數(shù)據(jù)，向產(chǎn)品質(zhì)量檢測人員發(fā)出測量信息，測量信息包括測量點位，關(guān)鍵尺寸等?，F(xiàn)場人員收到信息后，利用全站儀等相關(guān)測量設(shè)備對船體構(gòu)件點位進(jìn)行精確測量，并將測試數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)表通過網(wǎng)絡(luò)通信傳給設(shè)計人員，設(shè)計人員在UG平臺對設(shè)計完成的構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)的尺寸修改，實現(xiàn)參數(shù)模型再生，再生的模型數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)接口輸入到Ansys系統(tǒng)。流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)流程圖

4.2.3 吊裝過程結(jié)構(gòu)受力及穩(wěn)定性計算

在吊裝前對整個吊裝過程進(jìn)行有限元仿真模擬，可以為吊裝過程中吊點、吊具選擇、吊裝安全性和變形提供依據(jù)，進(jìn)行基于吊裝設(shè)備、場地空間、生產(chǎn)工藝的吊裝方案規(guī)劃。吊裝工藝的主要流程圖如圖3所示。

圖3 吊裝工藝流程圖

1)有限元模型的建立。有限元模型通過將UG構(gòu)件數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入Ansys建立，在Ansys軟件中進(jìn)行單元離散，邊界條件建立和載荷施加。

2)有限元吊裝應(yīng)力計算。通過Ansys軟件進(jìn)行有限元解算，重點計算不同吊耳位置，無吊耳時，吊具抓力點的受力情況。根據(jù)構(gòu)件質(zhì)心及結(jié)構(gòu)選擇吊點、起吊過程、干涉檢查等。

3)吊裝過程仿真和穩(wěn)定性計算。吊裝過程仿真通過Unity3D實現(xiàn)，根據(jù)場地布置、空間和吊裝路徑進(jìn)行包括吊車在內(nèi)的吊裝建模，對構(gòu)件吊裝運動過程的穩(wěn)定性、干涉情況進(jìn)行計算分析，以確定吊車行走路徑、運動速度等。預(yù)裝配仿真主要檢查構(gòu)件裝配情況，計算觀察實際尺寸導(dǎo)致的裝配間隙過大對裝配的影響，設(shè)計和確定裝配順序，以及根據(jù)裝配順序安排構(gòu)件場地擺放和吊裝方案。

裝配應(yīng)力通過將裝配模型導(dǎo)入Ansys軟件，建立有限元模型，計算構(gòu)件實際加工變形引起的裝配應(yīng)力大小，進(jìn)行構(gòu)件結(jié)構(gòu)強度校核。

4)吊裝方案制定。根據(jù)有限元仿真計算結(jié)果和吊裝過程及裝配仿真情況，制定船舶構(gòu)件吊裝方案，方案包括吊車選擇、吊點位置確定、吊裝路徑、運動參數(shù)、構(gòu)件堆放順序等。

這部分模塊需要進(jìn)行二次開發(fā)完成，基于UG系統(tǒng)，開發(fā)吊裝數(shù)據(jù)庫管理軟件，軟件可以進(jìn)行吊車、吊具選擇，根據(jù)場地空間，修改和確定路徑。方案確定后，可以動畫模擬吊裝過程，具體吊點位置，吊具抓力點，行走路徑和運動參數(shù)等可以文本圖表方式輸出。

4.2.4 系統(tǒng)集成

除功能模塊外，在UG系統(tǒng)中還需開發(fā)一個統(tǒng)一的吊裝軟件界面，Unity3D和Ansys軟件通過調(diào)用方式打開，在調(diào)用過程中，組織數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)束語

加快虛擬吊裝軟件的設(shè)計和利用是當(dāng)前我國吊裝行業(yè)發(fā)展所急需面臨的一個課題。以上總結(jié)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在吊裝工程中的應(yīng)用情況，以及虛擬吊裝技術(shù)對現(xiàn)實工程實踐的指導(dǎo)意義，分析了現(xiàn)有不同的虛擬吊裝軟件各自的優(yōu)點和存在的需要解決的問題，針對船舶分段制造吊裝及預(yù)裝配的需求，需要開發(fā)設(shè)計一個新的船舶虛擬吊裝平臺，從吊裝迫切需要解決的問題出發(fā)，選擇流行三維CAD/CAE軟件作為軟件平臺，開發(fā)船舶虛擬吊裝系統(tǒng)，系統(tǒng)具有以下功能：船舶構(gòu)件幾何建模及編輯修改、虛擬吊裝仿真、吊裝受力、穩(wěn)定性計算及安全校核、船舶分段構(gòu)件預(yù)裝配仿真及裝配焊接應(yīng)力及變形計算、吊裝方案制定等，開發(fā)真正打通船舶吊裝全流程的虛擬吊裝系統(tǒng)。其創(chuàng)新點如下。

1)基于CAD/CAE軟件開發(fā)船舶構(gòu)件吊裝系統(tǒng)本身就是一個創(chuàng)新，吊裝過程在船舶制造中看似簡單，但吊裝方案制定不當(dāng)，一方面影響效率，嚴(yán)重時導(dǎo)致吊車翻倒，甚至機(jī)毀人亡的事故。項目基于通用CAD平臺開發(fā)，可以保證模型數(shù)據(jù)和有限元軟件的無縫對接，同時也能虛擬實現(xiàn)吊裝過程的仿真。

2)實物裝配模擬，改變以往虛擬裝配用設(shè)計模型裝配的問題，通過實物實際尺寸預(yù)裝配，除可以檢查構(gòu)件加工變形外，還可以計算構(gòu)件對接焊接的變形和焊接應(yīng)力大小，校核船體結(jié)構(gòu)的強度，對矯正構(gòu)件變形提供指導(dǎo)。

3)吊耳吊具的受力計算，通過有限元軟件，可對吊裝過程中的實物質(zhì)心，吊點位置受力，吊耳吊具進(jìn)行應(yīng)力計算，以及吊裝過程穩(wěn)定性校核，制定安全、高效的吊裝方案。

虛擬吊裝系統(tǒng)符合綠色施工的宗旨，能夠極大地提升企業(yè)的生產(chǎn)效率，提高制造工業(yè)的整體水平和產(chǎn)品的質(zhì)量及可靠性，改善工人勞動條件，具有極大的社會效益和極其廣泛的應(yīng)用前景。

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興船報國 創(chuàng)新超越

Hoisting procedure is widely used in the rapid developed projets such as ship-building，bridge-building,nuclear power,wind power generater,offshore projcetion and petrochemical industry.At high-efficient hoisting will influence the period and quality of the project directly,even effectiveness of the enterprise.It's of great importance for hoisting to have rational allocation in various resources.In this paper,analysis and general conclulsion,especially some insufficient points are given in this paper by analyzing the general situation for existing virtual software,carding and concluding.

hoisting;virtual reality(VR);human-computer interaction

臧 睿(1989-)，男，山西長治人，在讀碩士研究生，研究方向為計算機(jī)輔助設(shè)計、機(jī)械設(shè)計。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.02.010

2015-12-15