基于OSG虛擬現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)向架車間布局規(guī)劃

林藍(lán)，姜良奎，付建林，張恒志，江海凡

基于OSG虛擬現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)向架車間布局規(guī)劃

林藍(lán)1，姜良奎1，付建林2，張恒志1，江海凡2

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

針對動車組轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)車間布局規(guī)劃問題，結(jié)合三維仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和人機(jī)交互設(shè)備，建立基于OSG的虛擬現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)向架車間布局規(guī)劃系統(tǒng)，將物理生產(chǎn)車間映射到虛擬現(xiàn)實(shí)空間中，建立與真實(shí)一致的三維可視化轉(zhuǎn)向架車間模型，基于OSG虛擬現(xiàn)實(shí)平臺和人機(jī)交互手段，進(jìn)行轉(zhuǎn)向架虛擬車間的可視化展示與漫游、虛擬車間布局規(guī)劃評審，闡述了基于OSG虛擬現(xiàn)實(shí)車間布局規(guī)劃系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)。實(shí)際應(yīng)用效果證明了方法的正確性和有效性。

OSG；虛擬現(xiàn)實(shí)；轉(zhuǎn)向架；車間布局

車間布局規(guī)劃對于車間生產(chǎn)線的運(yùn)行性能有重大的影響，車間生產(chǎn)線一旦建成，再改變布局較為困難，因此，一般企業(yè)在建線前都會對車間生產(chǎn)線進(jìn)行細(xì)致的布局規(guī)劃。但目前車間規(guī)劃主要停留在經(jīng)驗(yàn)方面，也有使用布局工具進(jìn)行規(guī)劃的，但不直觀不形象，人機(jī)交互體驗(yàn)差，布局規(guī)劃效率不高。而三維仿真技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）提供了直觀的可視化效果以及沉浸式人機(jī)交互體驗(yàn)，可以建立虛擬的三維可視化車間場景，進(jìn)行沉浸式交互評審，直觀高效地進(jìn)行車間布局規(guī)劃。通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對設(shè)施布局問題進(jìn)行逼真的三維可視化仿真，能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)布局方法過于抽象、不夠準(zhǔn)確等缺點(diǎn)，從而大幅度提高布局設(shè)計方案的可行性，以達(dá)到節(jié)省投資成本和節(jié)約時間的目的[1]。已經(jīng)有學(xué)者進(jìn)行了這方面的嘗試，楊凡[2]以錨桿鉆機(jī)為研究對象，將開源三維圖形渲染引擎OSG（OpenSceneGraph）和MFC結(jié)合起來創(chuàng)建錨桿鉆機(jī)的交互式仿真培訓(xùn)平臺，可以通過各個不同視角之間的快捷切換滿足培訓(xùn)者的不同需求；賈坤[3]對基于OSG虛擬現(xiàn)實(shí)平臺的交互式三維工藝布局技術(shù)進(jìn)行了研究，分別從三維模型的拾取技術(shù)、操縱技術(shù)、場景交互式漫游技術(shù)和路徑漫游技術(shù)四個方面對三維虛擬環(huán)境下的交互式布局關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究；李琳琳[4]利用OSG虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立叉車駕駛場景實(shí)體三維模型，模擬叉車駕駛中的各種操作，實(shí)現(xiàn)了叉車操作仿真培訓(xùn)；杜駱銘[1]利用OSG開發(fā)了虛擬設(shè)施布局系統(tǒng)，提供一個三維虛擬環(huán)境來檢驗(yàn)布局設(shè)計方案的可行性和潛在問題；馬思群[5]基于Unity3D引擎開發(fā)了動車轉(zhuǎn)向架虛擬拆裝培訓(xùn)系統(tǒng)，具有真實(shí)的培訓(xùn)場景及操作、交互性強(qiáng)、培訓(xùn)效果明顯等特點(diǎn)；夏文文[6]應(yīng)用OSG技術(shù)，針對典型起重機(jī)，開發(fā)了交互式虛擬拆卸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對起重機(jī)的虛擬拆卸；蒼松[7]利用OSG建立了動車組轉(zhuǎn)向架虛擬裝配系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了對動車組轉(zhuǎn)向架虛擬拆裝的功能；谷成偉[8]基于OSG運(yùn)用立體顯示、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同、碰撞檢測等技術(shù)，設(shè)計并開發(fā)了采煤機(jī)虛擬裝配試驗(yàn)系統(tǒng)，能夠利用軌跡球、數(shù)據(jù)手套及位置跟蹤器實(shí)現(xiàn)虛擬裝配人機(jī)交互；王學(xué)文[9]基于OSG、Cegui、VC++等軟硬件設(shè)備，搭建了交互性好、沉浸感強(qiáng)的某型號電牽引采煤機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)裝配應(yīng)用系統(tǒng)。高穎[10]針對航空發(fā)動機(jī)虛擬教學(xué)研究了基于數(shù)據(jù)手套與碰撞檢測的人機(jī)交互式虛擬裝配、基于立體眼睛與頭盔的立體顯示等技術(shù)。范巖萍[11]研究了立體視覺在虛擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠從立體聽覺和視覺上增強(qiáng)虛擬訓(xùn)練的沉浸性和實(shí)用性。可見，利用三維圖形技術(shù)、計算機(jī)仿真技術(shù)能夠?qū)ρ芯繉ο筮M(jìn)行虛擬仿真，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠提供沉浸式體驗(yàn)。但當(dāng)前研究中尚未有利用三維仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)車間進(jìn)行布局規(guī)劃研究，本文以某動車組轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)車間為對象，將物理車間映射到虛擬現(xiàn)實(shí)空間中，建立與真實(shí)一致的三維可視化轉(zhuǎn)向架車間模型，利用虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互手段，進(jìn)行轉(zhuǎn)向架虛擬車間的可視化展示與漫游、虛擬車間布局規(guī)劃評審。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)轉(zhuǎn)向架車間布局規(guī)劃

基于OSG虛擬現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)向架車間布局規(guī)劃技術(shù)思路如下：首先對轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)車間進(jìn)行數(shù)字化建模，構(gòu)建面向虛擬布局的轉(zhuǎn)向架車間數(shù)字化模型；然后將轉(zhuǎn)向架車間數(shù)字化模型導(dǎo)入OSG虛擬現(xiàn)實(shí)平臺，開發(fā)三維可視化的車間布局場景，實(shí)現(xiàn)車間可視化展示；最后在虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)的支持下，進(jìn)行轉(zhuǎn)向架虛擬車間的交互式漫游、布局規(guī)劃驗(yàn)證和評審。具體技術(shù)路線如圖1所示。

首先，轉(zhuǎn)向架車間建模將以轉(zhuǎn)向架某生產(chǎn)車間為對象，基于1:1真實(shí)性建模原則，采用CATIA三維建模軟件，對車間生產(chǎn)線各類資源進(jìn)行數(shù)字化三維建模，重點(diǎn)針對關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行各類自動化生產(chǎn)線建模，其余從物流角度簡化建模即可，建模內(nèi)容包括加工設(shè)備、裝配設(shè)備、立體倉庫、桁架機(jī)械手、機(jī)器人、AGV/RGV小車、工人等資源，由于數(shù)據(jù)量較大，需要進(jìn)行相關(guān)的模型輕量化處理，最終形成轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)數(shù)字化車間模型。然后，通過三維圖形引擎OSG導(dǎo)入轉(zhuǎn)向架數(shù)字車間模型，在OSG中進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)可視化展示漫游的編輯與開發(fā)，轉(zhuǎn)向架虛擬車間布局規(guī)劃仿真的編輯與開發(fā)。最后，在虛擬現(xiàn)實(shí)軟硬件平臺和虛擬現(xiàn)實(shí)立體投影系統(tǒng)的支持下，讓人進(jìn)入虛擬車間環(huán)境中，通過立體眼鏡、三維鼠標(biāo)等虛擬交互設(shè)備實(shí)現(xiàn)用戶對虛擬車間場景的沉浸式體驗(yàn)與交互，進(jìn)行轉(zhuǎn)向架虛擬車間布局規(guī)劃仿真驗(yàn)證與評審。

圖1 基于OSG虛擬現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)向架車間布局技術(shù)路線

2 關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)

2.1 基于OSG的轉(zhuǎn)向架車間可視化展示與漫游

轉(zhuǎn)向架車間布局規(guī)劃是以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)的，而其中最重要的就是虛擬環(huán)境的構(gòu)建，這也是用戶獲得逼真感和沉浸感的保證。虛擬環(huán)境的構(gòu)建通常是對某種三維渲染引擎進(jìn)行二次開發(fā)以滿足自身需求，OSG是一款開源高效的三維圖形渲染引擎，使用OpenGL技術(shù)開發(fā)，是一套基于C++平臺的應(yīng)用程序接口，能夠更加快速、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺的交互式圖形程序。它采用面向?qū)ο?、基于組件式的開發(fā)框架，通過圖來組織和管理場景，具有豐富的類庫和插件工具，是一個成熟、穩(wěn)定的開源圖形引擎。本文從可擴(kuò)展性、許可性、性能和可移植性等多個方面綜合考慮，最終選取了OSG來構(gòu)建轉(zhuǎn)向架車間的虛擬布局場景。

（1）基于OSG的轉(zhuǎn)向架車間展示與漫游架構(gòu)

基于OSG的轉(zhuǎn)向架車間可視化展示與漫游架構(gòu)如圖2所示，分為四層，分別為數(shù)據(jù)層、中間層、應(yīng)用層和表現(xiàn)層。

分四步實(shí)施，分別為前期素材準(zhǔn)備、工藝流程梳理、圖形場景渲染和應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)。前期素材準(zhǔn)備、工藝流程梳理對應(yīng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)層的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)，圖形場景渲染對應(yīng)系統(tǒng)中間層的構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)對應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)用層和表現(xiàn)層。前期素材準(zhǔn)備是可視化實(shí)施的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，素材的豐富性、真實(shí)性、準(zhǔn)確性決定了可視化的視覺效果和用戶體驗(yàn)，關(guān)鍵技術(shù)有三維建模技術(shù)、圖像處理技術(shù)、模型輕量化技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，主要通過現(xiàn)場調(diào)研和利用三維建模軟件CATIA、模型處理軟件3DMAX、圖像處理軟件PhotoShop及數(shù)據(jù)庫管理軟件ACCESS實(shí)現(xiàn)。圖形場景渲染是系統(tǒng)的核心部分，關(guān)鍵技術(shù)有真實(shí)感光照技術(shù)、紋理烘焙技術(shù)、場景組織技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)、動畫動作編輯技術(shù)，主要通過OSG（三維渲染引擎）和C++編程實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)提供對外人機(jī)交互接口和系統(tǒng)主體功能，關(guān)鍵技術(shù)有可視化仿真技術(shù)、虛擬漫游技術(shù)、碰撞檢測技術(shù)、UI（用戶接口）設(shè)計技術(shù)、C++編程技術(shù)等，主要通過OSG和MFC編程實(shí)現(xiàn)。

（2）基于OSG的轉(zhuǎn)向架車間可視化展示

首先將前期建模的車間各類資源模型在OSG環(huán)境中進(jìn)行布局與組裝，形成完整的數(shù)字化車間模型。一種方式是導(dǎo)入各類設(shè)備模型，然后依據(jù)布局尺寸手動分別進(jìn)行調(diào)整，另外一種方法是導(dǎo)入布局圖，按照布局圖導(dǎo)入各類設(shè)備模型，快速布局。

采用第二種方式更能保障位置準(zhǔn)確性，以用戶原始CAD布局圖為基礎(chǔ)，進(jìn)行簡化形成車間模型布局圖。將各類主要設(shè)備、各類物流設(shè)備、各類工裝工具設(shè)備等組裝到車間基本布局里面，按照生產(chǎn)線實(shí)際布局再進(jìn)行各類設(shè)備的布置。

圖2 基于OSG的轉(zhuǎn)向架車間可視化展示與漫游架構(gòu)

車間可視化展示主要以二維和三維形式呈現(xiàn)車間真實(shí)布局，系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入模型設(shè)備，根據(jù)實(shí)際車間布局情況，確定各個設(shè)備之間的連接關(guān)系，最終裝配成為整個車間模型，然后保存至數(shù)據(jù)庫，這樣就能夠直接通過加載車間模型來展現(xiàn)車間的真實(shí)形態(tài)，其中車間可以由單元模塊組成，這樣能夠更加清晰地向用戶展現(xiàn)車間的具體結(jié)構(gòu)，各生產(chǎn)線間的連接關(guān)系也能清楚地展現(xiàn)。系統(tǒng)能夠?qū)D(zhuǎn)向架車間進(jìn)行布局設(shè)置，可以將車間分為多條生產(chǎn)線/單元區(qū)域，并通過樹狀圖顯示各生產(chǎn)線/單元區(qū)域的設(shè)備對象，系統(tǒng)能夠單獨(dú)展示其中的某一條生產(chǎn)線/單元區(qū)域，如圖3所示。

（3）基于OSG的轉(zhuǎn)向架車間交互漫游

為了便于進(jìn)行車間布局評審，還需要開發(fā)基于OSG的轉(zhuǎn)向架車間交互漫游功能，人機(jī)交互式漫游實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬環(huán)境之間進(jìn)行信息交互，通過外部設(shè)備向系統(tǒng)發(fā)出控制指令，當(dāng)該指令被系統(tǒng)執(zhí)行后，虛擬場景中的攝像機(jī)會按照用戶的操作需求不斷的改變位置和朝向，可以滿足用戶以不同的視角來觀察虛擬場景的需求，讓用戶仿佛置身其中，獲得身臨其境的直觀感受，分為自動漫游和路徑漫游。

自動漫游是根據(jù)所編輯的漫游路徑進(jìn)行漫游，自動漫游可進(jìn)行漫游參數(shù)的調(diào)節(jié)，包括漫游速度、漫游的視點(diǎn)高度和漫游路徑順序的調(diào)節(jié)。

通過自動漫游不僅可以瀏覽車間內(nèi)的設(shè)備布局和設(shè)備外觀，而且可以通過漫游過程所添加的工藝說明了解每個設(shè)備的作用和加工流程。最后通過調(diào)節(jié)漫游參數(shù)可以增強(qiáng)用戶漫游體驗(yàn)。自由漫游是通過使用鍵盤方向鍵和鼠標(biāo)控制漫游方向等參數(shù)。自由漫游可根據(jù)用戶的控制自由移動和停留，可以根據(jù)用戶需求自主選擇參觀路徑和停留時間。圖4為基于OSG的轉(zhuǎn)向架車間交互漫游。

圖3 基于OSG的轉(zhuǎn)向架車間可視化展示效果

圖4 基于OSG的轉(zhuǎn)向架車間交互漫游

而路徑漫游可以對漫游的路徑進(jìn)行靈活管理。在車間漫游布局管理中，可設(shè)置車間漫游的路徑。首先對創(chuàng)建的路徑命名，然后在需要的漫游途徑上畫出路徑，每條路徑上有一個方向鍵，可通過它來更改漫游的方向。此外可以將在普通路徑和分段路徑間切換，后者可以加入簡單操作，對漫游所要經(jīng)過的區(qū)間進(jìn)行文字性描述，以增強(qiáng)漫游中用戶的體驗(yàn)。漫游路徑定義好之后轉(zhuǎn)入到三維場景，通過快捷鍵實(shí)現(xiàn)漫游路徑的切換、多條漫游路徑的先后選擇、漫游速度的設(shè)置、視點(diǎn)高度的調(diào)節(jié)等。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互布局評審

在OSG可視化展示漫游的基礎(chǔ)上，將虛擬現(xiàn)實(shí)交互設(shè)備引入，可進(jìn)行身臨其境沉浸式轉(zhuǎn)向架車間布局規(guī)劃評審。虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互車間布局評審如圖5所示。需要引入的虛擬現(xiàn)實(shí)硬件包括：HPZ800圖站，主動紅外立體眼鏡，主動紅外立體發(fā)射器，多通道立體投影系統(tǒng)，跟蹤定位器（高速傳感器，手持跟蹤器，眼部跟蹤器）等，虛擬現(xiàn)實(shí)軟件包括：OSG可視化展示漫游軟件，虛擬現(xiàn)實(shí)支持軟件TechViz，多窗口視頻信號切換管理軟件等。將開發(fā)的OSG

可視化展示漫游系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備接口，為用戶提供一個高度逼真、具有沉浸感的虛擬現(xiàn)實(shí)情景，通過交互設(shè)備可以進(jìn)行身如其境的虛擬車間體驗(yàn)。用戶在車間虛擬漫游時可以參觀轉(zhuǎn)向架車間的生產(chǎn)工藝和物流過程，能夠真實(shí)再現(xiàn)轉(zhuǎn)向架車間生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)具有沉浸感的、人機(jī)交互好、身臨其境的虛擬場景漫游，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向架車間的布局驗(yàn)證與規(guī)劃評審。轉(zhuǎn)向架車間布局規(guī)劃評審內(nèi)容包括：

（1）空間距離的合理性。對產(chǎn)品、設(shè)備、工裝工具、圍欄等各類資源相互距離，空間相對位置的合理性進(jìn)行評審。

（2）人員操作通暢性。對涉及到有人工操作的工位進(jìn)行工人操作暢通性評審。

（3）各類設(shè)備的碰撞干涉。對產(chǎn)品、設(shè)備、工裝工具、物流設(shè)備等相互碰撞干涉進(jìn)行評審。

（4）工裝工具的可達(dá)性。對工裝工具的可達(dá)性進(jìn)行評審。

（5）物流通暢性。對各類工況下各類資源的物流通暢性進(jìn)行評審。

圖5 虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互車間布局評審

3 結(jié)論

本文提出的基于OSG虛擬現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)向架車間布局規(guī)劃方法，將車間各類資源按照1:1方式建模，導(dǎo)入OSG場景中，建立了三維可視化虛擬車間布局模型，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了虛擬車間可視化展示與漫游功能，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)軟硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)了虛擬車間的沉浸式交互體驗(yàn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向架虛擬車間的布局驗(yàn)證與評審。以某轉(zhuǎn)向架車間為實(shí)例，驗(yàn)證了方法的有效性，所提出的方法可以用于解決大多數(shù)車間的布局規(guī)劃問題，具有普遍適用性，為解決智能制造數(shù)字化工廠的布局規(guī)劃問題提供了解決思路。

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[3]賈坤. 基于OSG的交互式三維工藝布局系統(tǒng)的研究與開發(fā)[D].安徽：合肥工業(yè)大學(xué)，2014.

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Bogie Workshop Layout Planning Based on OSG Virtual Reality

LIN Lan1，JIANG Liangkui1，F(xiàn)U Jianlin2，ZHANG Hengzhi1，JIANG Haifan2

(1.CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao266000, China; 2.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu610031,China)

In order to solve the layout planning problem in EMU bogie production workshop, a layout planning system based on OSG virtual reality is established, combined with 3D simulation technology, virtual reality technology and human-computer interaction equipment. The production workshop is mapped to a virtual reality space, and then a three-dimensional visualized bogie workshop model consistent with reality is established. Based on OSG virtual reality platform and man-machine interaction means, this paper carries out the visual display, roaming, and review of bogie virtual workshop and layout planning. It further describes the composition, structure and key technology of workshop layout planning system based on OSG virtual reality. The application proves the correctness and validity of the method.

OSG；virtual reality；bogie；workshop layout

TP391.9；U260.331

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.01.002

1006－0316 (2020) 01－0009－05

2019－07－29

山東省重大科技創(chuàng)新工程項(xiàng)目—智能工廠人機(jī)協(xié)同與虛擬現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（2017CXGC0608）

林藍(lán)（1991－），女，山東青島人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樘摂M制造。