基于AR技術(shù)的5G智慧工廠培訓(xùn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

1 引言

在卷煙廠中，壓縮空氣用量非常大，為了保證設(shè)備工作效率，空壓機(jī)等重要設(shè)備在無故障出現(xiàn)時(shí)需要持續(xù)保持運(yùn)行的狀態(tài)，且由于設(shè)備價(jià)格昂貴，不便于經(jīng)常拆卸維修。這導(dǎo)致企業(yè)對(duì)員工培訓(xùn)時(shí)，無法對(duì)設(shè)備內(nèi)部元器件進(jìn)行直觀的操作展示和實(shí)操培訓(xùn)。員工在判斷設(shè)備故障時(shí)，只能通過記錄每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)后再與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以判斷是否有故障出現(xiàn)，這使得查看設(shè)備故障較為不便。當(dāng)需要對(duì)員工進(jìn)行設(shè)備的使用和故障維護(hù)方面進(jìn)行培訓(xùn)時(shí)，只能通過查看設(shè)備圖紙或?qū)φ赵O(shè)備進(jìn)行介紹等間接的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)員無法進(jìn)行操作或拆卸等直觀的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。

針對(duì)以上問題柳州卷煙廠，提出了一套結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬系統(tǒng)，來幫助員工直觀的了解設(shè)備構(gòu)造等信息。在此系統(tǒng)中對(duì)設(shè)備進(jìn)行建模，通過AR眼鏡完成空壓設(shè)備零部件的實(shí)體掃描，呈現(xiàn)出相應(yīng)設(shè)備的三維結(jié)構(gòu)，然后在該系統(tǒng)中提供對(duì)設(shè)備中各個(gè)元器件及其功能進(jìn)行直觀的展示，且可進(jìn)行拆卸設(shè)備、安裝設(shè)備等操作。方便了員工對(duì)設(shè)備的學(xué)習(xí)，在企業(yè)對(duì)員工進(jìn)行特殊設(shè)備培訓(xùn)方面提供了實(shí)際的參考。并且通過將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、連接設(shè)備與5G通信進(jìn)行結(jié)合，方便工作人員在可以在工廠內(nèi)隨時(shí)隨地進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備學(xué)習(xí)和設(shè)備狀態(tài)查看。

2 AR技術(shù)簡(jiǎn)介

AR技術(shù)即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是一種在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，可以將虛擬物體或虛擬場(chǎng)景與現(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)景進(jìn)行結(jié)合的一種技術(shù)。它可以將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體或場(chǎng)景等信息與真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行疊加，強(qiáng)化人們對(duì)真實(shí)場(chǎng)景的體驗(yàn)，更加直觀理解場(chǎng)景內(nèi)容。AR概念最早于1990年提出，隨著電子產(chǎn)品運(yùn)算能力的提升，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的用途越來越廣。由于AR是將虛擬現(xiàn)實(shí)與真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行結(jié)合的一種展示方式，并未切斷用戶與真實(shí)世界的聯(lián)系，使得用戶的交互方式更貼近于真實(shí)世界。[1-3]

現(xiàn)在AR技術(shù)的應(yīng)用范圍隨著科技的進(jìn)步逐漸廣泛，如在電力行業(yè)中將AR技術(shù)常應(yīng)用于設(shè)備巡檢等場(chǎng)景中[4-7]，可以將故障信息及時(shí)上傳至專業(yè)人員出進(jìn)行處理。文獻(xiàn)[8]和[9]中則是以融媒體角度從輔助展示方面對(duì)AR技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[10]中對(duì)AR技術(shù)對(duì)煙草行業(yè)的促進(jìn)作用進(jìn)行了分析，但由于煙草行業(yè)與其他行業(yè)的區(qū)別，AR技術(shù)應(yīng)用于煙草業(yè)的案例較少。文獻(xiàn)[11]中對(duì)此進(jìn)行了應(yīng)用上的描述，但是并沒有對(duì)系統(tǒng)具體的展開分析。本文以卷煙廠的空壓設(shè)備為例設(shè)計(jì)了一套基于AR技術(shù)的虛擬系統(tǒng)，對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煙草行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了具體的分析和展示。

在此系統(tǒng)中還實(shí)現(xiàn)了AR技術(shù)與5G通信技術(shù)的結(jié)合，利用5G網(wǎng)絡(luò)的高速率、廣連接、低延時(shí)的三大特點(diǎn)[12]，在云端進(jìn)行模型的渲染，然后通過5G網(wǎng)絡(luò)下發(fā)到AR設(shè)備中進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示。通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)企業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)經(jīng)驗(yàn)固化，制造資源的集聚與共享[13]。將AR技術(shù)應(yīng)用于卷煙廠的空壓機(jī)設(shè)備的培訓(xùn)和實(shí)時(shí)監(jiān)控中，將設(shè)備的結(jié)構(gòu)和傳感器數(shù)據(jù)在AR設(shè)備上進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示，便于員工在設(shè)備不停機(jī)的情況下學(xué)習(xí)空壓設(shè)備結(jié)構(gòu)，練習(xí)故障的修理操作和監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

3 AR系統(tǒng)簡(jiǎn)介

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中設(shè)備模型的搭建如圖1所示。首先需要在AR系統(tǒng)中按照設(shè)備的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理建立設(shè)備的虛擬模型，主要包括設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造、各個(gè)元器件的功能以及設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及原理，來達(dá)到通過AR設(shè)備操作空壓設(shè)備，收集空壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)，分析空壓設(shè)備故障原因的目的。其中設(shè)備結(jié)構(gòu)和設(shè)備中元器件的信息是通過設(shè)備圖紙的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)體設(shè)備照片在虛擬系統(tǒng)中進(jìn)行還原和搭建。在上述基礎(chǔ)上搭建起虛擬系統(tǒng)之后，根據(jù)實(shí)際的需求將虛擬系統(tǒng)劃分為了3個(gè)主要部分，分別為設(shè)備原理部分、設(shè)備故障部分和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)部分。這3個(gè)部分方便員工對(duì)設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)、曾經(jīng)出現(xiàn)過的故障以及日常的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行學(xué)習(xí)和分析。這些部分均通過AR技術(shù)進(jìn)行展示和操作。

系統(tǒng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸可分為WIFI和5G通信技術(shù)傳輸兩種方式，以傳輸在云端渲染后的圖像信息。在培訓(xùn)教室等WIFI覆蓋的區(qū)域，可以選擇其中一種方式接入系統(tǒng)平臺(tái)。而廠區(qū)內(nèi)其他位置則是通過專用5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，保證在廠區(qū)任意位置均可連接系統(tǒng)，方便員工隨時(shí)查看設(shè)備結(jié)構(gòu)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，填補(bǔ)了只能在培訓(xùn)教室才能對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)和只有廠區(qū)內(nèi)網(wǎng)才可查看設(shè)備狀態(tài)的不足。

圖1 虛擬系統(tǒng)架構(gòu)圖

模型的導(dǎo)出格式為FBX格式，將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D后進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配，通過基于物理渲染的著色器，將漫反射貼圖、法線貼圖、AO貼圖三張貼圖混合后得到高擬真度的渲染效果。其中通過次世代制作對(duì)資源進(jìn)一步優(yōu)化。即首先以傳統(tǒng)的點(diǎn)面排列方式制作出高精度的包含大量細(xì)節(jié)的模型，以次模型為基礎(chǔ)，拓?fù)湟粋€(gè)外形和結(jié)構(gòu)與模型一致，但細(xì)節(jié)信息較少的低精度模型。然后將高精度模型所有點(diǎn)面的法線信息烘焙到低精度模型的貼圖UV里，使得低精度模型的渲染結(jié)果提高到高精度模型的級(jí)別。經(jīng)過上述處理，通過保留下來的貼圖中的RGB通道直接得到從頂點(diǎn)到像素的表現(xiàn)效果，大量減少了運(yùn)算量，降低了設(shè)備硬件的運(yùn)算壓力，使得如AR眼鏡和手機(jī)等便攜設(shè)備運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)的流暢性和擬真度。

在本系統(tǒng)的界面如圖2所示，其中員工通過AR眼鏡進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)容查看，軟件設(shè)計(jì)是以C#語(yǔ)言為基礎(chǔ)，通過Microsoft Visual Studio工具開發(fā)，使用3DMax，Maya軟件工具制作3D模型，通過Substance Painter軟件工具制作貼圖，最后通過Unity 3D工具進(jìn)行資源整合，輸出軟件產(chǎn)品。最大程度將設(shè)備在虛擬系統(tǒng)中進(jìn)行1:1還原。并且在模型的制作上利用次世代制作和混合貼圖等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)運(yùn)行的流暢性，保證了模型的擬真度，為使用者提供了良好的視覺感受。

圖2 系統(tǒng)界面展示

4 系統(tǒng)功能

4.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

此部分展示了設(shè)備的結(jié)構(gòu)，主要目的在于幫助用戶認(rèn)識(shí)空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)內(nèi)容。設(shè)備結(jié)構(gòu)展示由3個(gè)子部分組成，分別為系統(tǒng)原理、自動(dòng)拆裝和結(jié)構(gòu)拆裝。

系統(tǒng)原理部分屬于按照空壓機(jī)的工作流程對(duì)其內(nèi)部系統(tǒng)進(jìn)行拆分展示。其包括了四個(gè)模塊，分別為油路、水路、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和安全閥，其目的在于展示空壓設(shè)備內(nèi)部系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。例如在油路部分，在用戶按順序點(diǎn)擊相關(guān)組件后，系統(tǒng)會(huì)以動(dòng)畫的形式模擬潤(rùn)滑油在設(shè)備運(yùn)行過程中流動(dòng)路徑。

自動(dòng)拆裝可以為用戶提供快捷的查看方式，更加完整的對(duì)模塊結(jié)構(gòu)中的各個(gè)部分進(jìn)行了展示。

系統(tǒng)中的結(jié)構(gòu)拆裝模塊為核心模塊，提供結(jié)構(gòu)零件的拆解與安裝，目的是幫助用戶認(rèn)識(shí)空壓機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其中包括快速拆解功能可以針對(duì)熟練掌握機(jī)械結(jié)構(gòu)的用戶提供快捷操作，便于進(jìn)行后續(xù)操作；此外還包括了二次拆解功能，對(duì)于機(jī)械內(nèi)部的核心部件，可以進(jìn)行更詳細(xì)的拆解，幫助用戶深入理解核心部件的組成和構(gòu)造；在拆解完成后，用戶可以使用安裝功能按照順序逐個(gè)安裝機(jī)械部件，將空壓設(shè)備進(jìn)行組裝還原。

4.2 故障維修

故障維修部分則對(duì)空壓機(jī)中常見故障及處理方式進(jìn)行了展示，使用紅色標(biāo)識(shí)對(duì)每個(gè)故障進(jìn)行標(biāo)識(shí)，用戶可以點(diǎn)擊任意標(biāo)識(shí)查看對(duì)應(yīng)的故障內(nèi)容以及針對(duì)此故障的處理方式。根據(jù)對(duì)以往出現(xiàn)的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，將出現(xiàn)過的8種故障分為了2類，分別為參數(shù)故障和表現(xiàn)故障。參數(shù)故障是一類可以通過參數(shù)判定的故障，將收集到的設(shè)備中各個(gè)傳感器的運(yùn)行參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析判斷是否存在故障。如當(dāng)潤(rùn)滑油的油溫超過55 ℃時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)油溫過高的故障提示，其在系統(tǒng)中的表現(xiàn)方式是列出參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)范圍。圖3所示為空濾壓差高于標(biāo)準(zhǔn)值-0.0044 Mpa時(shí)的故障界面。表現(xiàn)故障則是無法通過傳感器收集數(shù)據(jù)的一類故障統(tǒng)稱，如油質(zhì)發(fā)黑等故障。表現(xiàn)故障由于沒有參數(shù)進(jìn)行評(píng)判，其展現(xiàn)方式為出現(xiàn)故障時(shí)的故障位置處的圖片或視頻展示，以及作為參照的正常情況下該位置的圖片或視頻展示。通過故障可視化對(duì)比，讓培訓(xùn)人員更加直觀的對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行學(xué)習(xí)和判斷。

圖3 空濾壓差故障展示

4.3 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)

設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)部分為設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的展示，此部分通過對(duì)硬件的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控并保持與虛擬系統(tǒng)的通訊，以獲得準(zhǔn)確準(zhǔn)時(shí)的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)信息。員工可以通過實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的情況直觀的學(xué)習(xí)。并且工作人員可以通過此部分對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，以發(fā)現(xiàn)是否有故障發(fā)生。如出現(xiàn)故障，工作人員可以在設(shè)備故障部分迅速查詢出現(xiàn)的故障的解決方案，以快速且準(zhǔn)確的方式完成故障的處理指令的下發(fā)，縮短了故障響應(yīng)時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

在本文中對(duì)目前卷煙廠空壓機(jī)設(shè)備存在問題的分析，提出了基于AR技術(shù)的解決方案。實(shí)現(xiàn)了讓員工以AR的方式直觀深入的了解空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)和故障，解決了當(dāng)前空壓機(jī)設(shè)備存在培訓(xùn)難，故障不易排查的問題。通過對(duì)空壓設(shè)備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的搭建，以點(diǎn)帶面為企業(yè)之后實(shí)現(xiàn)整個(gè)廠區(qū)內(nèi)設(shè)備的智能化和可視化提供了經(jīng)驗(yàn)。將AR設(shè)備和5G技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了在廠區(qū)內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，一定程度上減少了對(duì)硬件設(shè)備的依賴，為AR技術(shù)在實(shí)現(xiàn)工廠智能化和數(shù)字化的過程中提供了一種新的思路。