基于虛擬現(xiàn)實(shí)的鉆井船設(shè)備 關(guān)鍵部件裝配系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

杜鵬 石江超 韓兵兵

摘 要：開展鉆井船設(shè)備關(guān)鍵部件虛擬裝配技術(shù)研究，對(duì)提升鉆井船設(shè)備研發(fā)質(zhì)量、縮短周期、降低成本和減少風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義?；赩R技術(shù)進(jìn)行環(huán)境虛擬平臺(tái)搭建、模型體系構(gòu)建、虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證，開發(fā)基于虛擬設(shè)計(jì)與虛擬試驗(yàn)的鉆井船設(shè)備關(guān)鍵部件虛擬裝配研發(fā)平臺(tái)，開發(fā)面向沉浸式、交互式的虛擬裝配系統(tǒng)。結(jié)果表明：該系統(tǒng)對(duì)設(shè)備實(shí)際裝配工作能夠起到指導(dǎo)作用，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：鉆井船;關(guān)鍵部件;虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類號(hào)：TH3? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）02-0044-3

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，VR）是指通過計(jì)算機(jī)抓取現(xiàn)實(shí)物體的物理屬性特征，按其特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)虛擬場景中的三位模型重建，完成仿造現(xiàn)實(shí)的技術(shù)。近年來，VR技術(shù)得到不斷發(fā)展并趨于成熟，作為在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的交叉融合學(xué)科，其利用仿真手段在用戶和計(jì)算機(jī)之間構(gòu)成了一個(gè)完整的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一定程度上解決了工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)前期的結(jié)構(gòu)、性能、功能、工藝甚至維護(hù)等問題[2]，在實(shí)施前期，進(jìn)行虛擬模擬，能夠?qū)Ξa(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性進(jìn)行有效驗(yàn)證[3]。

目前，船舶領(lǐng)域中VR技術(shù)大部分集中在巡檢及操作方面。國外對(duì)船舶行業(yè)VR技術(shù)的應(yīng)用研究較早，英國通過輪機(jī)模擬器嵌入系統(tǒng)場景，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶輪機(jī)設(shè)備的仿真操作;美國的VESUB工程通過技術(shù)分段和語音識(shí)別、位置跟蹤等多種高新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了船舶的綜合操作模擬[4]。國內(nèi)，大連海事大學(xué)利用三維仿真重建技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了DMS-2000型輪機(jī)運(yùn)動(dòng)模擬及機(jī)艙漫游 [5];付澤民[6]等闡述了基于VR技術(shù)的船舶虛擬裝配的關(guān)鍵性技術(shù)，并通過SUN工作站和圖形設(shè)計(jì)軟件，驗(yàn)證了虛擬裝配技術(shù)實(shí)際生產(chǎn)時(shí)的有效性。陳寧[7]論述了Vega虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)船舶設(shè)備裝配仿真應(yīng)用程序的方法及關(guān)鍵技術(shù)。

目前，對(duì)于船舶設(shè)備中的虛擬現(xiàn)實(shí)裝配研究較少，尤其對(duì)特種作業(yè)船舶（如鉆井船、科考船等）作業(yè)裝配的虛擬仿真的實(shí)現(xiàn)鮮有研究。本文基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，針對(duì)海洋鉆井船舶設(shè)備，進(jìn)行虛擬裝配環(huán)境搭建、模型體系構(gòu)建、虛擬試驗(yàn)驗(yàn)證，開發(fā)基于虛擬設(shè)計(jì)與虛擬試驗(yàn)的鉆井船設(shè)備關(guān)鍵部件虛擬裝配研發(fā)平臺(tái)，開發(fā)面向沉浸式、交互式的虛擬裝配系統(tǒng)。該系統(tǒng)的建立對(duì)鉆井船設(shè)備實(shí)際裝配、維護(hù)具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

1 環(huán)境虛擬平臺(tái)搭建

鉆井船設(shè)備關(guān)鍵部件虛擬裝配仿真前，應(yīng)對(duì)虛擬裝配仿真環(huán)境進(jìn)行必要的設(shè)置，主要包括：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、裝配場景初始化、操作仿真及過程規(guī)劃。

1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

基于Solidworks平臺(tái)，對(duì)設(shè)備關(guān)鍵部件的三維模型進(jìn)行構(gòu)建，并完成關(guān)鍵部件模型優(yōu)化及輕量化處理;其次，對(duì)裝配工具進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)際尺寸建模，并對(duì)裝配空間進(jìn)行照片級(jí)構(gòu)建。最后，將關(guān)鍵部件模型與裝配工具共同導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中。

1.2 裝配場景初始化

基于Unity 3D平臺(tái)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)模型、環(huán)境模型和用戶模型數(shù)據(jù)，并對(duì)虛擬裝配的仿真應(yīng)用場景進(jìn)行模型導(dǎo)入，生成環(huán)境場景，其中包括軟硬件系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)置、裝配模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入設(shè)置、裝配環(huán)境模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入設(shè)置、用戶模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入設(shè)置等[8]。

1.3 關(guān)鍵部件模型序列分析

首先，鉆井船設(shè)備關(guān)鍵部件主要包括：STC閥組件、泵頭組件、管柱組件、液貨法蘭組件。其次，部件裝配需進(jìn)行序列的分析與修正，包括過程流名稱、部件屬性、裝配各環(huán)節(jié)信息以及裝配要求，其中，鉆井船設(shè)備裝配流分析與修正主要采用如下方法：組件識(shí)別法、裝配優(yōu)先約束法、知識(shí)求解法、拆卸法[4]。

1.4 操作仿真及過程規(guī)劃

在虛擬裝配環(huán)境中，針對(duì)裝配部件三維模型的各裝配單元，利用人機(jī)交互式設(shè)備進(jìn)行裝配過程的仿真操作，或進(jìn)行整體模型的拆卸過程仿真操作，并且，記錄操作過程中的數(shù)據(jù)信息，以供后期裝配過程分析及規(guī)劃。數(shù)據(jù)信息主要包括：模型單元的裝配序列信息、模型單元裝配路徑規(guī)劃信息、虛擬環(huán)境模型與裝配模型單元相對(duì)位置信息。模型裝配過程規(guī)劃包括：模型單元裝配順序與運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃、模型單元間干涉與碰撞分析、裝配環(huán)境操作空間分析等，最終獲得裝配模型最佳裝配序列與運(yùn)動(dòng)路徑[9]。

模型裝配操作仿真流程如圖1所示。

2 虛擬裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)與方法

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鉆井船設(shè)備關(guān)鍵部件虛擬裝配系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程主要包括部件裝配序列規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃等，并考慮裝配工藝性、裝配可行性、人機(jī)交互等，遵循預(yù)先設(shè)計(jì)規(guī)則，對(duì)裝配模型劃類分層逐級(jí)、自下而上對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行虛擬裝配操作。虛擬裝配設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

裝配順序規(guī)劃包括裝配前零件檢查與處理、零部件及組件裝配、整體裝配及安裝試驗(yàn)工裝。裝配路徑是零件從布放位置到組裝位置所經(jīng)過的無物理碰撞接觸的運(yùn)動(dòng)軌跡，合理的裝配路徑能夠避免零件干涉，同時(shí)保證裝配的合理性和可操作性，最終可以有效降低裝配難度和工作量，提升整體工作效率。

2.2 系統(tǒng)物理屬性

三維模型物理屬性的設(shè)置，可使其更接近現(xiàn)實(shí)事物，具有逼真效果。在Unity 3D 中模型物理屬性設(shè)置包括剛體、物理材料、力場以及物理關(guān)節(jié)等。利用Unity 3D中的Nvidias PhysX 物理引擎，使模型運(yùn)動(dòng)滿足實(shí)際物理定律。本文使用剛體組件和物理材料來增強(qiáng)設(shè)備系統(tǒng)的物理效果和裝配效果，實(shí)現(xiàn)完全模擬現(xiàn)實(shí)情況的物理效應(yīng)。 在具備物理引擎支持后，部件裝配碰撞檢測及障礙物阻擋功能的設(shè)定，能夠在虛擬環(huán)境場景中，避免出現(xiàn)物體“穿透而過”的不科學(xué)情況。

3 虛擬裝配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

本文通過HTC VIVE虛擬顯示設(shè)備觸發(fā)GUI（人機(jī)交互）按鍵執(zhí)行相關(guān)命令，完成對(duì)裝配環(huán)節(jié)的控制，實(shí)現(xiàn)了三維實(shí)體模型和數(shù)學(xué)模型的有機(jī)結(jié)合。鉆井船設(shè)備虛擬裝配系統(tǒng)的GUI設(shè)計(jì)，以UI邏輯關(guān)系為依托，配合腳本語言，利用Unity 3D內(nèi)置圖形用戶界面開發(fā)模塊，繪制主界面和各個(gè)子界面，明確各個(gè)界面的功能，實(shí)現(xiàn)各功能開發(fā)及界面切換。人機(jī)交互界面UI邏輯關(guān)系如圖3所示。

3.2 交互方式測試與優(yōu)化

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)完成后，仍需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以保證系統(tǒng)運(yùn)行的流暢性、操作的靈敏性以及整體的穩(wěn)定性。除模型和虛擬環(huán)境本身的優(yōu)化外，還須對(duì)系統(tǒng)程序進(jìn)行優(yōu)化，主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）精簡程序代碼，刪除冗余腳本，提升搜索效率;

（2）減少宏程序的使用及模塊運(yùn)算，減少GUI函數(shù)操作;

（3）避免創(chuàng)建局部變量，必要時(shí)可使用靜態(tài)變量，但應(yīng)注意控制變量數(shù)量;

（4）盡量用結(jié)構(gòu)來代替類的使用。

3.3 虛擬現(xiàn)實(shí)操作

Unity 3D制作的虛擬現(xiàn)實(shí)內(nèi)容通過虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備展現(xiàn)出來，包括：虛擬現(xiàn)實(shí)生成設(shè)備、輸出設(shè)備和輸入設(shè)備。本文鉆井船設(shè)備關(guān)鍵部件虛擬裝配系統(tǒng)主要使用HTC Vive ，HTC Vive通頭戴式顯示器、單手持控制器、定位系統(tǒng)三大模塊給與使用者提供沉浸式體驗(yàn)，經(jīng)PC端設(shè)備可執(zhí)行程序，可進(jìn)入操作界面，在虛擬環(huán)境中，可用手持設(shè)備拾取各部件進(jìn)行裝配，模擬真實(shí)安裝對(duì)位情況。

通過HTC Vive虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備與Unity3D引擎結(jié)合生成沉浸式的3D運(yùn)維界面，從鉆井船設(shè)備系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備監(jiān)測的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，可以多角度、多方式監(jiān)測，不僅可以通過HTC Vive虛擬設(shè)備沉浸式觀察鉆井船設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的虛擬模型，而且可以在線觀察系統(tǒng)各部件的運(yùn)行參數(shù)，并能在系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)異常時(shí)及時(shí)發(fā)出報(bào)警。

4 結(jié)論

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的裝配仿真，在制造業(yè)的數(shù)字化、智能化發(fā)展中占有重要地位，本文預(yù)先仿真鉆井船設(shè)備關(guān)鍵部件的裝配技術(shù)，對(duì)鉆井船設(shè)備實(shí)際生產(chǎn)制造具有積極意義。主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)鉆井船設(shè)備關(guān)鍵部件進(jìn)行分解處理，研究分析了設(shè)備的結(jié)構(gòu)、組成以及裝配工藝，確定了鉆井船設(shè)備關(guān)鍵部件的虛擬裝配方案、系統(tǒng)功能和實(shí)現(xiàn)方法。

（2）基于三維SolidWorks軟件平臺(tái)，對(duì)鉆井船設(shè)備關(guān)鍵部件進(jìn)行建模與優(yōu)化，利用Unity 3D軟件平臺(tái)進(jìn)行虛擬環(huán)境建模與優(yōu)化，并通過材料賦屬性、環(huán)境賦屬性等引擎技術(shù)增強(qiáng)了虛擬裝配系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)性，最終實(shí)現(xiàn)了鉆井船設(shè)備關(guān)鍵部件的環(huán)境漫游、虛擬裝配操作等功能。

（3）基于VR技術(shù)的鉆井船設(shè)備虛擬裝配軟件平臺(tái)，能夠顯著提高用戶對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)布局、部件位置的空間理解，對(duì)鉆井船現(xiàn)實(shí)裝配工作起到指導(dǎo)作用，從而提升建造效率、質(zhì)量，降低建造成本，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]任鴻翔.基于VR的船舶消防模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究[A].1995-2009航海技術(shù)論文選集.中國航海學(xué)會(huì)，2010.5.

[2]張?zhí)m英.虛擬裝配設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2002，37（04）：37-39.

[3]李蕙.虛擬建設(shè)模式在國際工程管理中的應(yīng)用分析[J].中國水運(yùn)，2010，10（09）：118-119.

[4]郭濤.船舶動(dòng)力艙管系裝配過程虛擬仿真應(yīng)用研究[D].廈門：集美大學(xué)，2016.

[5]郭晨，史成軍，孫建波等.高仿真度的DMS-2000型船舶機(jī)艙模擬器[J].大連海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2002（28）：28-30.

[6]付澤民，王大鎮(zhèn)，姚壽廣.虛擬裝配技術(shù)在船舶設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].船海工程，2006，32（03）：32-35.

[7]陳寧，劉煒.基于接近現(xiàn)實(shí)環(huán)境的船舶設(shè)備虛擬裝配仿真研究[J].造船技術(shù)，2006（05）：37-40.

[8]丁紅宇，張紅旗.機(jī)械產(chǎn)品虛擬裝配標(biāo)準(zhǔn)研究[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2009（11）：52-54.

[9]陳杰，潘康華，王云峰，等.仿真標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證及技術(shù)服務(wù)平臺(tái)建設(shè)探討[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2018（02）：34-39.