工業(yè)企業(yè)可視化鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

喬輝　劉瑩　游冰　鄭玄

摘要：為解決卷煙廠動(dòng)力車間鍋爐維修培訓(xùn)中普遍存在著的培訓(xùn)形式枯燥單一、缺乏交互性等問題，以典型的WNS型燃?xì)忮仩t為例，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于建筑信息模型（BIM）技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的卷煙廠動(dòng)力車間可視化鍋爐維修培訓(xùn)系統(tǒng)。研究設(shè)計(jì)了系統(tǒng)總體架構(gòu)，闡述了平臺(tái)系統(tǒng)組成并進(jìn)行了系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)。使用BIM設(shè)計(jì)軟件Revit構(gòu)建動(dòng)力車間場景模型，使用Solidworks構(gòu)建WNS型燃?xì)忮仩t設(shè)備模型，利用3D MAX軟件進(jìn)行模型美化和輕量化處理，在Unity3D軟件中進(jìn)行交互邏輯編程。實(shí)踐應(yīng)用表明，該培訓(xùn)系統(tǒng)能夠滿足對(duì)卷煙廠動(dòng)力車間員工進(jìn)行鍋爐日常操作和維修保養(yǎng)模擬培訓(xùn)的要求，培訓(xùn)效果也得到顯著提高。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);WNS型燃?xì)忮仩t;模型美化和輕量化處理;模擬培訓(xùn)

中圖分類號(hào)：TP391.9? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-5383（2019）04-0031-05

Design and Implement of the Visual Simulation Training System

for Boilers in Industrial Enterprises

QIAO Hui， LIU Ying， YOU Bing， ZHENG Xuan

（Industrial and Intelligent Center， SIPPR Engineering Group CO.， Ltd，? Zhengzhou 450007， China）

Abstract：At present， the current training forms of boiler maintenance training in the power plant of the cigarette factory are boring and lack of? interactivity.In this paper， a visual simulation training system based on Building Information Model technology （BIM） and Virtual Reality （VR） technology for boilers in the power plant of cigarette factories was designed and implemented ， taking a typical WNS gas boiler as example. The overall architecture of the system was designed， and the composition of the platform system was explained and the system business process was designed. BIM design software Revit was used to build the power plant scene model， the WNS gas boiler equipment model was built with Solidworks， the 3D MAX software was used for model beautification and lightweight processing， and programmer interactive logic was implemented in Unity3D software. The practical application shows that the visual boiler simulation training system of the cigarette factory designed in this paper can meet the requirements of boiler daily operation and maintenance simulation training for the power plant staff of the cigarette factory， and improve the training effect.

Keywords：Virtual Reality; WNS gas boiler; model beautification and lightweight processing; simulation training

鍋爐作為一種危險(xiǎn)性大、技術(shù)含量高、應(yīng)用范圍非常廣泛的復(fù)雜系統(tǒng)，要求鍋爐操作人員和管理人員不僅具備良好的技術(shù)水平，還需要很高的操作熟練程度[1]。卷煙廠動(dòng)力車間總管全廠能源供給，地位十分重要。鍋爐是動(dòng)力車間中的主要供能設(shè)備，設(shè)備操作要求高，維護(hù)保養(yǎng)人員數(shù)量多。但是，國內(nèi)卷煙廠動(dòng)力車間操作人員的教育培訓(xùn)工作普遍沒有及時(shí)跟進(jìn)[2]。設(shè)備操作人員是最接近設(shè)備的人，他們充分掌握著設(shè)備的各種運(yùn)行習(xí)性和運(yùn)行規(guī)律，對(duì)設(shè)備運(yùn)行的優(yōu)劣起著至關(guān)重要的作用。所以，如何利用最新先進(jìn)技術(shù)，提高操作人員的職業(yè)素養(yǎng)和技能水平對(duì)于提高卷煙廠動(dòng)力車間設(shè)備精益管理水平至關(guān)重要。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）作為一種新型的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，使用計(jì)算機(jī)生成一種虛擬環(huán)境，通過多種虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，使用戶可以沉浸到一個(gè)虛擬環(huán)境中，和虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互，產(chǎn)生身臨其境的感覺[3]。

建筑信息模型技術(shù)（Building Information Modeling，BIM）已經(jīng)廣泛應(yīng)用于卷煙廠建設(shè)中[4]，并結(jié)合VR技術(shù)開始在卷煙廠設(shè)施運(yùn)維方面進(jìn)行探索[5]。本文將BIM技術(shù)和VR技術(shù)應(yīng)用到動(dòng)力車間鍋爐的虛擬維修培訓(xùn)中，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套面向卷煙廠動(dòng)力車間的可視化鍋爐仿真培訓(xùn)系統(tǒng)（以下簡稱培訓(xùn)系統(tǒng)）。然后基于某卷煙廠動(dòng)力車間BIM模型構(gòu)建真實(shí)全尺寸動(dòng)力車間環(huán)境，對(duì)鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型按照真實(shí)尺寸進(jìn)行部件級(jí)建模，并對(duì)模型進(jìn)行渲染，保證模擬培訓(xùn)場景和員工實(shí)際工作環(huán)境保持一致。通過佩戴穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，受訓(xùn)人員可以從任何角度觀察車間及鍋爐的全部構(gòu)造，沉浸式體驗(yàn)鍋爐設(shè)備運(yùn)行原理和操作過程。

1 培訓(xùn)系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

培訓(xùn)系統(tǒng)重點(diǎn)以動(dòng)力車間常用的WNS型燃?xì)忮仩t為研究對(duì)象，通過組件級(jí)建模構(gòu)建鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)，支持受訓(xùn)人員進(jìn)行動(dòng)力車間可視化漫游巡視及鍋爐維護(hù)保養(yǎng)模擬操作，同時(shí)會(huì)對(duì)模擬操作結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)估。該系統(tǒng)可模擬卷煙廠動(dòng)力車間實(shí)際作業(yè)環(huán)境，還可對(duì)操作人員的操作進(jìn)行評(píng)估，從而提高培訓(xùn)效率，增強(qiáng)培訓(xùn)效果，降低實(shí)際作業(yè)過程中發(fā)生誤操作的風(fēng)險(xiǎn)概率。

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)功能模塊包括：

1）場景渲染（包括動(dòng)力車間虛擬場景、WNS虛擬鍋爐）;

2）虛擬車間巡視（包括動(dòng)力車間虛擬空間室內(nèi)漫游、視角切換）;

3）

虛擬操作界面（包括WNS型燃?xì)忮仩t結(jié)構(gòu)展示、原理展示、設(shè)備操作、檢修保養(yǎng)、事故處理）;

4）后臺(tái)數(shù)據(jù)庫（包括鍋爐拆裝結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、作業(yè)流程數(shù)據(jù)、日志、用戶信息）。

用戶通過VR交互設(shè)備向系統(tǒng)傳遞操作命令，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)判斷用戶操作意圖，執(zhí)行操作命令，系統(tǒng)執(zhí)行運(yùn)算后將執(zhí)行結(jié)果反饋給用戶。系統(tǒng)交互流程如圖1所示。

1.2 開發(fā)及運(yùn)行環(huán)境

培訓(xùn)系統(tǒng)基于Unity3D 5.6.4版本進(jìn)行開發(fā)，三維建模軟件采用Revit，模型處理軟件采用3D MAX，開發(fā)語言采用C#語言，發(fā)布平臺(tái)是Win10系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境軟件包括：培訓(xùn)平臺(tái)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫和VR資源庫等。硬件包括HTC VIVEVR頭戴式設(shè)備、高性能電腦、顯示大屏、定位器三角支架輔助設(shè)備等，培訓(xùn)系統(tǒng)通過HTC VIVE設(shè)備進(jìn)行交互操作和可視化內(nèi)容展示。

2 培訓(xùn)系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備建模

為滿足在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行動(dòng)力車間鍋爐設(shè)備模擬仿真培訓(xùn)的要求，本文把WNS型燃?xì)忮仩t設(shè)備建模分為幾何建模、結(jié)構(gòu)建模和流程建模3部分，分別滿足可視化展示、結(jié)構(gòu)拆解、運(yùn)行模擬和維修保養(yǎng)虛擬交互模擬的要求。幾何建模主要包括設(shè)備的物理特性建模，比如形狀、尺寸、材質(zhì)等;結(jié)構(gòu)建模主要包括進(jìn)行爆炸圖變化的鍋爐組件結(jié)構(gòu)建模;流程建模主要包括正常作業(yè)、維護(hù)保養(yǎng)、異常事故處理交互流程建模。WNS設(shè)備幾何模型、結(jié)構(gòu)模型和交互流程模型（以開爐為例）分別如圖2、圖3、表1所示。

2.2 場景建模

本文選用BIM設(shè)計(jì)軟件Revit作為動(dòng)力車間場景建模軟件，選用3D MAX作為模型美化和輕量化處理軟件，選用Unity3D作為場景環(huán)境處理軟件，建模流程如圖4所示。

首先，根據(jù)某卷煙廠動(dòng)力車間實(shí)際竣工圖紙，構(gòu)建動(dòng)力車間設(shè)計(jì)模型，包括建筑、結(jié)構(gòu)、管道等專業(yè)模型，如圖5所示。

在完成設(shè)計(jì)模型構(gòu)建后，現(xiàn)場采集模型素材，如門窗、外墻、內(nèi)墻、管道等;將設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入到3D MAX軟件中，利用減面插件進(jìn)行輕量化處理，然后利用現(xiàn)場拍攝的材質(zhì)照片對(duì)模型進(jìn)行紋理貼圖渲染，如圖6所示。

最后，將動(dòng)力車間環(huán)境模型與鍋爐設(shè)備模型在Unity3D軟件中進(jìn)行合并，設(shè)置天空盒、太陽光和室內(nèi)光等環(huán)境要素，進(jìn)行烘焙渲染，固化光影效果，最終完成動(dòng)力車間場景模型構(gòu)建，如圖7所示。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

如圖8所示，培訓(xùn)系統(tǒng)主要包括動(dòng)力車間展示、鍋爐結(jié)構(gòu)拆解、鍋爐燃燒過程、鍋爐水循環(huán)、鍋爐開爐停爐、鍋爐維修保養(yǎng)和鍋爐事故處理7個(gè)模塊。

動(dòng)力車間展示可以讓用戶在虛擬場景中任意移動(dòng)，對(duì)動(dòng)力車間的結(jié)構(gòu)和設(shè)施進(jìn)行瀏覽。

鍋爐結(jié)構(gòu)拆解提供鍋爐手動(dòng)拆裝和自動(dòng)拆裝兩種模式，并對(duì)鍋爐各個(gè)結(jié)構(gòu)功能進(jìn)行描述，引導(dǎo)用戶學(xué)習(xí)鍋爐的結(jié)構(gòu)組成。

鍋爐燃燒過程展示鍋爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使用火焰和蒸汽等特效直觀演示鍋爐三回程的燃燒過程。

鍋爐水循環(huán)展示鍋爐內(nèi)部上升管和下降管中，不同狀態(tài)的水循環(huán)過程。

鍋爐開爐停爐，按照鍋爐正常開爐停爐操作流程，按照步驟引導(dǎo)用戶操作，使用動(dòng)畫和特效等方式，當(dāng)用戶操作之后給予反饋，設(shè)置操作指示面板，當(dāng)前步驟操作完成之后提示下一步操作，直到操作流程結(jié)束。

鍋爐維修保養(yǎng)，按照維修周期劃分為不同的維修模塊，用戶自主選擇需要學(xué)習(xí)的維修保養(yǎng)模塊進(jìn)行學(xué)習(xí)。

鍋爐事故處理模擬了鍋爐發(fā)生缺水事故時(shí)的事故現(xiàn)象和事故處理流程。

3 培訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

3.1 虛擬操作交互開發(fā)技術(shù)路線

培訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力車間鍋爐結(jié)構(gòu)拆解、運(yùn)行原理、日常操作、維修保養(yǎng)和事故處理過程進(jìn)行仿真模擬。如圖9所示，本文基于Redis構(gòu)建本地?cái)?shù)據(jù)庫，利用C#語言定義數(shù)據(jù)訪問接口，基于JSON語言定義傳遞數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過C#語言和JavaScript語言編寫業(yè)務(wù)交互腳本，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力車間虛擬場景與仿真培訓(xùn)系統(tǒng)的交互連接。

3.2 虛擬操作交互功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上文2.3所述，培訓(xùn)系統(tǒng)主要包括動(dòng)力車間展示、鍋爐結(jié)構(gòu)拆解、鍋爐燃燒過程、鍋爐水循環(huán)、鍋爐開爐停爐、鍋爐維修保養(yǎng)和鍋爐事故處理7個(gè)模塊。如圖10所示，本文設(shè)計(jì)了漫游模塊和仿真模塊實(shí)現(xiàn)虛擬操作交互主要功能，其中漫游模塊包括角色控制和視角切換，仿真模塊包括鍋爐拆解過程仿真、鍋爐燃燒過程仿真、鍋爐水循環(huán)過程仿真、鍋爐作業(yè)過程仿真。

場景漫游模塊如圖11所示，在地面設(shè)置傳送點(diǎn)，用戶移動(dòng)到傳送點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)場景切換。在動(dòng)力車間虛擬場景中用戶可以自由切換視角，可以從任何角度查看動(dòng)力車間內(nèi)部環(huán)境和鍋爐設(shè)備模型。

鍋爐結(jié)構(gòu)拆解模塊如圖12所示，將鍋爐按照拆解組裝工藝要求，使用XML文件配置零件自動(dòng)拆解順序和拆解移動(dòng)坐標(biāo)，用戶可隨時(shí)修改拆解流程。

鍋爐燃燒過程模塊如圖13所示，根據(jù)鍋爐內(nèi)部燃燒過程原理[6]，將鍋爐內(nèi)部分為3個(gè)回程，使用動(dòng)畫和特效等方式進(jìn)行演示，用戶在操作面板上自主選擇需要觀看學(xué)習(xí)的回程，點(diǎn)擊相應(yīng)的按鈕，即可對(duì)鍋爐內(nèi)部工作原理進(jìn)行學(xué)習(xí)。

鍋爐水循環(huán)過程如圖14所示，按照鍋爐內(nèi)部工作時(shí)，自然循環(huán)鍋爐的工作原理[7]，將鍋爐內(nèi)部水分為上升管和下降管，使用戶直觀地觀察鍋爐內(nèi)部水循環(huán)過程。

鍋爐作業(yè)操作模塊如圖15所示，包括開爐停爐、維修保養(yǎng)和故障處理模塊，系統(tǒng)內(nèi)部規(guī)定固定的操作流程[8]，用戶必須按照正確的操作流程操作才能進(jìn)行下一步操作，防止用戶誤操作，保證學(xué)習(xí)的正確性。

4 結(jié)束語

近年來，仿真培訓(xùn)廣泛應(yīng)用于航空、軌道交通[9]等行業(yè)，本文結(jié)合工業(yè)企業(yè)動(dòng)力車間鍋爐維修培訓(xùn)現(xiàn)狀和實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)需求，提出將BIM技術(shù)和VR技術(shù)應(yīng)用到鍋爐維修培訓(xùn)中，使受訓(xùn)人員可以在與實(shí)際工作環(huán)境基本一致的虛擬培訓(xùn)場景中進(jìn)行模擬訓(xùn)練，增強(qiáng)了模擬培訓(xùn)場景的真實(shí)性，提高了受訓(xùn)人員對(duì)虛擬培訓(xùn)的認(rèn)可度，因此有效提升了培訓(xùn)效果。同時(shí)，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)屬于可交互軟件系統(tǒng)，發(fā)布之后的產(chǎn)品，操作人員可以無限制地重復(fù)使用，并且可以有針對(duì)性地進(jìn)行學(xué)習(xí)。通過在企業(yè)實(shí)際項(xiàng)目中進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐，本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以極大地降低培訓(xùn)成本，提高操作人員的學(xué)習(xí)積極性，減少學(xué)員學(xué)習(xí)時(shí)間，提高學(xué)員培訓(xùn)效率。

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收稿日期：2019-04-28

第一作者簡介：喬輝（1987—），男，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，電子郵箱：johnxiao2005@sina.com。