基于Unity3D的交互式虛擬油庫培訓(xùn)系統(tǒng)研發(fā)

劉 洋，滿銀霜，傘博泓，杜勝男，王衛(wèi)強

（遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

油庫中重要生產(chǎn)設(shè)備的操作流程極為復(fù)雜，所以培訓(xùn)是員工上崗前必不可少的一個環(huán)節(jié)。如果在工作現(xiàn)場進(jìn)行技術(shù)和設(shè)備上的培訓(xùn)，不僅會受到運行工況的限制，還增加了培訓(xùn)的風(fēng)險。員工一旦在培訓(xùn)過程中存在誤操作，后果不敢想象[1-2]。傳統(tǒng)的培訓(xùn)方式由于僅限于文字、動畫，不具有實踐操作性，無法讓員工真正地掌握設(shè)備的操作流程[3]。

Unity3D是一個綜合型的虛擬場景開發(fā)平臺，開發(fā)流程簡單、兼容性好，可創(chuàng)建近乎真實的油庫庫區(qū)，使員工能感覺自己在工作現(xiàn)場進(jìn)行培訓(xùn)[4-5]。本文基于Unity3D開發(fā)平臺，以3Dmax等軟件為輔助工具，創(chuàng)建了一套集專業(yè)性、真實性、交互性等特點于一身的虛擬油庫培訓(xùn)系統(tǒng)[6]。討論了系統(tǒng)的設(shè)計模式，實現(xiàn)了包括第一人稱視角漫游、區(qū)域小地圖、精確查詢、設(shè)備交互操作、重要工藝流程仿真等關(guān)鍵技術(shù)。

1 系統(tǒng)整體框架

交互式虛擬油庫培訓(xùn)系統(tǒng)采用Unity3D為開發(fā)平臺，模型數(shù)據(jù)和腳本數(shù)據(jù)均存儲在平臺中，通過數(shù)據(jù)庫訪問設(shè)備屬性及其他信息，最終實現(xiàn)第一人稱視角的交互式培訓(xùn)[7]。系統(tǒng)整體層次框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架Fig.1 Overall framework of the system

2 系統(tǒng)功能設(shè)計

交互式三維油庫培訓(xùn)系統(tǒng)的目的是展現(xiàn)一個具有交互功能的虛擬油庫場景。進(jìn)入虛擬場景后，培訓(xùn)者以第一人稱視角在油庫中行走，同時可實時對重要設(shè)備進(jìn)行屬性查詢、交互操作[8-9]。系統(tǒng)的人機交互界面簡稱UI界面，系統(tǒng)在UI界面上設(shè)置如下功能：精確查詢、集控室內(nèi)的仿真操作。系統(tǒng)全部功能設(shè)計如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能設(shè)計Fig.2 Design of system function

3 系統(tǒng)開發(fā)流程

交互式虛擬油庫培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)分為兩步：一是系統(tǒng)的分析策劃和模型及場景的搜集、整理、制作；第二階段是在Unity3D中進(jìn)行虛擬油庫搭建、UI界面的制作和交互功能的實現(xiàn)，其流程如圖3所示[10]。

（1）從培訓(xùn)者的角度出發(fā)，分析需求內(nèi)容，確定系統(tǒng)將要實現(xiàn)的功能。

（2）實地取景和收集設(shè)備資料。實地取景主要是到油庫現(xiàn)場去拍攝主要建筑和設(shè)備的外部輪廓和局部細(xì)節(jié)圖，作為模型的貼圖。收集的資料主要包括重要設(shè)備的工藝流程資料。

（3）利用3Dmax等建模軟件進(jìn)行油庫模型的制作，之后導(dǎo)出成Unity所支持FBX格式的三維模型文件[11]。

（4）將三維模型文件導(dǎo)入到Unity工程中進(jìn)行油庫的搭建；制作用戶界面，包含系統(tǒng)功能菜單及子功能的交互界面；系統(tǒng)交互功能的開發(fā)[12]。

（5）最終生成可執(zhí)行的程序。

圖3 系統(tǒng)開發(fā)流程圖Fig.3 Flow chart of system development

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 漫游技術(shù)

在使用交互式虛擬油庫培訓(xùn)系統(tǒng)時，為了使用戶產(chǎn)生真實的培訓(xùn)效果，用戶需要通過控制角色以第一人稱視角漫游整個庫區(qū)。交互式虛擬油庫培訓(xùn)系統(tǒng)為實現(xiàn)上述功能，制作了角色控制器，在場景中代表了用戶本身。如圖4所示，首先在Unity3D的場景中加入Capsule（膠囊體）作為父物體，在該膠囊體上繼續(xù)創(chuàng)建攝像機（攝像機組件的視角即為程序運行后用戶視角）為子物體，觀察右下方，適當(dāng)調(diào)整距離使用戶有良好的第一視角漫游體驗。

腳本（script）是Unity3D核心組件，用來定義物體的各種行為。分析需求功能之后，將想要實現(xiàn)的算法和行為轉(zhuǎn)化為C#語言的腳本，綁定到角色控制器上運行程序即可。為了使用戶有更好的使用體驗，第一人稱移動腳本具有如下功能：采用了鍵盤鼠標(biāo)配合操作的漫游移動方式，W、S、A、D分別控制角色的前后左右移動，Q、E控制角色視角的左右旋轉(zhuǎn)，鼠標(biāo)的移動在一定范圍內(nèi)與角色目光移動一致。實現(xiàn)上述功能腳本的部分重要代碼如下：

if(Input.GetKey(Key Code.W))//按下W鍵

{

m_Transform.Translate(Vector3.forward *2.0f,Space.Self);//角色向前移動

}

if(Input.GetKey(Key Code.S))//按下S鍵

{

m_Transform.Translate(Vector3.back*2.0f,Space.Self);//角色向后移動

}

if(Input.GetKey(KeyCode.A))//按下A鍵

{

m_Transform.Translate(Vector3.left*2.0f,Space.Self);//角色向左移動

}

if(Input.GetKey(KeyCode.D))//按下D鍵

{

m_Transform.Translate(Vector3.right*2.0f,Space.Self);//角色向右移動

}

if(Input.GetKey(Key Code.Q))//按下Q鍵

{

m_Transform.Rotate(Vector3.up,-1.0f);//角色向左旋轉(zhuǎn)

}

if(Input.GetKey(Key Code.E))//按下E鍵

{

m_Transform.Rotate(Vector3.up,1.0f);//角色向右旋轉(zhuǎn)

}

圖4 角色控制器Fig.4 Role controller

4.2 區(qū)域小地圖

油庫場景較大，培訓(xùn)者初次使用本系統(tǒng)時對建筑、設(shè)備位置不了解，漫游時不清楚自己的當(dāng)前位置。系統(tǒng)利用渲染攝像機視角及分層顯示技術(shù)，可以讓用戶隨時看到自己所處位置，并且可以概覽油庫內(nèi)建筑和設(shè)備的位置。首先創(chuàng)建攝像機置于油庫場景正上方，調(diào)整角度使其能看到油庫全景；其次在Unity中創(chuàng)建Render Texture（渲染貼圖）組件，在攝像機的檢視面板中將字段改為Render Texture，這樣Render Texture就會顯示該攝像機視角內(nèi)的景象，在漫游界面上創(chuàng)建UI元素Raw Image作為小地圖顯示的載體；最后在控制器上添加足夠大的三維紅色球體，在屬性面板中把它劃分為新的Layer（層級），設(shè)置讓小地圖攝像機顯示該層級且主攝像機不顯示該層級，這樣在小地圖上易于觀察用戶位置，但是漫游視角內(nèi)不會出現(xiàn)用作標(biāo)識的紅色球體，如圖5所示。

圖5 區(qū)域小地圖Fig.5 Regional small map

4.3 交互技術(shù)

傳統(tǒng)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)功能設(shè)計較為簡單，僅限于漫游、查詢等，操作體驗單一，培訓(xùn)效果不理想。交互式虛擬油庫培訓(xùn)系統(tǒng)利用碰撞感應(yīng)作為交互技術(shù)的核心，使用戶能夠?qū)μ摂M油庫內(nèi)重要的設(shè)備進(jìn)行操作，增強了真實感和培訓(xùn)效果。碰撞器（Collider）是Unity3D組件的一種，模型感應(yīng)外部刺激都要通過碰撞器實現(xiàn)，只有添加了碰撞器模型才能響應(yīng)鼠標(biāo)操作。

以交互功能中的手動開啟閥門為例，功能為鼠標(biāo)左鍵按下后左移后閥門順時針開啟，同時油罐內(nèi)原油按指定路線流動。如圖6、7所示，首先在閥門模型上添加盒式碰撞體，碰撞范圍調(diào)整為鼠標(biāo)按下生效區(qū)域，然后用C#語言編寫閥門交互腳本及原油聯(lián)動兩個腳本綁定到閥門和原油模型上。閥門交互 腳 本 利 用 Input.GetMouseButton()、z=Input.GetAxis("Mouse X")方法實現(xiàn)鼠標(biāo)在碰撞器區(qū)域內(nèi)按下左鍵并且左右橫移后，閥門可以順逆時針轉(zhuǎn)動；原油聯(lián)動腳本void OnMouseDown()、transform.localScale=new Vector3(x,y,z)方法實現(xiàn)在手動將閥門開啟后，模型在規(guī)定方向上延伸來模擬原油流動。上述功能的部分關(guān)鍵代碼如下：

if(Input.GetMouseButton(0))//監(jiān)視鼠標(biāo)左鍵

{

float z=0;

z=Input.GetAxis("Mouse X")*RoatedSpeed*Time.deltaTime;

//鼠標(biāo)X方向移動改變閥門Z方向角度

if(roate)

{obj.transform.Rotate(new Vector3(0,0,z));

void OnMouseDown()//鼠標(biāo)按下

{roate=true;

Debug.Log("collider");//碰撞體內(nèi)發(fā)生事件

}

void OnMouseUp()//鼠標(biāo)抬起

{roate=false;

Debug.Log("Out of collider");//離開碰撞體事件取消

y=Time.deltaTime*speed1;//原油模型流動速度

obj1.transform.localScale+=new Vector3(0,y,0);//y方向上延伸?

圖6 盒式碰撞體Fig.6 Box collider

4.4 數(shù)據(jù)庫訪問

交互式虛擬油庫培訓(xùn)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)庫存儲所有設(shè)備的重要參數(shù)及參加培訓(xùn)人員的個人信息[14-15]。利用SQL Server 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和管理，以C#腳本實現(xiàn)與Unity3D通信。實現(xiàn)過程如下：在Unity安裝目錄下找到System.Data.dll文件，將該文件復(fù)制Unity工作空間下的Asset文件夾內(nèi)，之后在VS開發(fā)環(huán)境下添加此引用（System.Data）,數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)就可以被Unity程序訪問。具體讀取數(shù)據(jù)的形式需要鏈接數(shù)據(jù)庫的腳本Link SQL來規(guī)定,實現(xiàn)自動連接數(shù)據(jù)庫、讀取特定表、輸入數(shù)據(jù)、返回數(shù)據(jù)等。如圖8所示，儲油罐的信息以表的形式儲存到數(shù)據(jù)庫中，設(shè)備在數(shù)據(jù)庫中都有對應(yīng)的編號，輸入編號后系統(tǒng)可以快速讀取設(shè)備數(shù)據(jù)并且顯示在Unity3D的交互界面，實現(xiàn)精確搜索。LinkSQL腳本關(guān)鍵代碼如下：

Private string sqlAddress="server=127.0.0.1;database=3d;uid=sa;pwd=123456";//數(shù)據(jù)庫服務(wù)器地址、數(shù)據(jù)庫名稱、用戶名、密碼

string strID = gameObj.GetComponent().text;//想要查詢設(shè)備ID在Inputfield區(qū)域填寫

cmd.CommandText="SELECT id,type,nominal,volume,bore,height,manufacturer,oil FROM Table_1 WHERE name='"+strID+"'";//讀取該設(shè)備的數(shù)據(jù)

string strSCCJ=str1+" "+str2+" "+str3+" "+str4+" "+str5+" "+str6+" "+str7;//數(shù)據(jù)返回的顯示方式

GameObject.Find("searchtext").GetComponent().text=strSCCJ;//數(shù)據(jù)返回位置

圖7 開啟閥門后油路展示Fig.7 Oil display after opening valve

4.5 仿真操作

油庫內(nèi)重要設(shè)備的操作培訓(xùn)難度較大，日常工作中很少有機會去操作這些設(shè)備。傳統(tǒng)仿真培訓(xùn)多為二維數(shù)據(jù)仿真，不夠直觀。交互式虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)利用UI系統(tǒng)來制作油庫DCS系統(tǒng)畫面，按鈕組件（Button）的On Click功能來控制事件發(fā)生，綁定到油體模型上的腳本控制聯(lián)動，通過攝像頭切換技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)控。用戶不但可以在控制面板上操作設(shè)備，還可以實時觀察現(xiàn)場工況，最大程度上理解自己的每一步操作。

圖8 設(shè)備屬性精確搜索Fig.8 Accurate sear ch for device pr operties

用繪圖軟件繪制倒罐操作的DCS畫面，將圖片作為UI面板元素Panel的背景。在畫面上添加Button組件，在組件最下方有一個“On Click”的區(qū)域，點擊該區(qū)域的“+”號，可以添加一個觸發(fā)項，觸發(fā)項前面可以選擇模型，之后添加讓模型變化的腳本，當(dāng)點擊了該按鈕之后就會調(diào)用選擇對象的制定腳本。如圖9、10所示，離心泵開啟按鈕及現(xiàn)場畫面按鈕均添加了點擊事件和相應(yīng)功能的腳本，實現(xiàn)仿真操作。上述功能的腳本主要代碼如下：

Button btn= yourButton.GetComponent();

btn.onClick.Add Listener(Task OnClick);//點擊按鈕

timer+=Time.deltaTime;

if(timer<=42f)

{

transform.Translate(Vector3.down * Time.deltaTime*4/5);//規(guī)定時間內(nèi)原油模型移動

void SwitchCamera(int index)//切換到現(xiàn)場畫面

{int i=0;

for(i=0;i

{

if(i!=index)

{

cameras[i]. GetComponent ().enabled=false;//編號為X的相機失效

}

else

{

cameras[i]. GetComponent ().enabled=true;//編號為X的相機生效

}

圖9 集控室內(nèi)的DCS畫面Fig.9 DCSscr een in a centralized contr ol r oom

圖10 倒罐現(xiàn)場監(jiān)控畫面Fig.10 M onitor scr een of reladling

5 結(jié) 論

開發(fā)的交互式虛擬油庫培訓(xùn)系統(tǒng)以用戶與設(shè)備的交互操作為核心功能，為油庫員工標(biāo)準(zhǔn)化操作、事故應(yīng)急演練等提供近乎真實的操作體驗，使用戶對操作環(huán)境、操作設(shè)備、操作順序、設(shè)備維護(hù)等有了更為直觀的認(rèn)識，避免出現(xiàn)錯誤操作，造成經(jīng)濟損失或者安全事故。本系統(tǒng)為油庫提供一種全新的交互式培訓(xùn)方式，提高了員工的培訓(xùn)效率。

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