基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的煙草工程三維設(shè)計(jì)平臺(tái)研究與開(kāi)發(fā)

黃啟錄　魏斌　陶智麟　陶鐵托　陳飛宇　李超

摘 ?要：為解決煙草工程傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法難以多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、計(jì)算與繪圖不能結(jié)合等問(wèn)題，研究虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煙草工程三維設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，并開(kāi)發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的煙草工程三維設(shè)計(jì)平臺(tái)。設(shè)計(jì)平臺(tái)具備三維工廠建模、可視化設(shè)計(jì)、作業(yè)過(guò)程模擬、虛擬漫游等功能，在實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)計(jì)效率大幅提高，構(gòu)建了所見(jiàn)即所得的虛擬在線工廠，并實(shí)現(xiàn)虛擬監(jiān)控與虛擬教學(xué)。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);煙草工程;三維設(shè)計(jì);虛擬工廠

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

Research and Development of Three-dimensional Design Platform for

Tobacco Engineering based on Virtual Reality Technology

HUANG Qilu1，2， WEI Bin2， TAO Zhilin1，2， TAO Tietuo1，2， CHEN Feiyu2， LI Chao2

（1.Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC， Zhengzhou 450001， China;

2.Zhengzhou Yisheng Tobacco Engineering Design Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450001， China）

huangqiluztri@126.com; 512296358@qq.com; taozhilin75@126.com;

hqlztri@126.com; hql198652@126.com; ysyclichao@163.com

Abstract： In this paper， application of virtual reality technology in the 3D design of tobacco engineering is studied and then a three-dimensional design platform for tobacco engineering is developed. This study aims at the problems with traditional two-dimensional design method in tobacco engineering， such as difficulty in multi-specialty collaborative design and inability of combining calculation and drawing in designing. The proposed 3D design platform has functions of 3D factory modeling， visual design， operation process simulation， operation plan simulation， 3D roaming and so on. In practical use， design efficiency are substantially improved， a virtual online factory is constructed， and virtual monitoring and virtual teaching are also realized.

Keywords： virtual reality; tobacco engineering; three-dimensional design; virtual factory

1 ? 引言（Introduction）

傳統(tǒng)的煙草工程設(shè)計(jì)使用計(jì)算機(jī)繪圖軟件，通常只進(jìn)行二維平面設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)中的相關(guān)計(jì)算只能單獨(dú)完成，無(wú)法與繪圖工作結(jié)合。隨著設(shè)計(jì)內(nèi)容的增加和多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的開(kāi)展，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已無(wú)法滿足新的設(shè)計(jì)需要。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)等一批新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，為新型煙草工程設(shè)計(jì)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)提供了技術(shù)支撐。為擴(kuò)大設(shè)計(jì)范圍，提高設(shè)計(jì)效率，提升設(shè)計(jì)水平，本文研究基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的煙草工程三維設(shè)計(jì)平臺(tái)。

2 ? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual reality technology）

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心，生成與一定范圍真實(shí)環(huán)境在視、聽(tīng)、觸感等方面近似的數(shù)字化環(huán)境[1，2]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立人工構(gòu)造的三維虛擬環(huán)境，用戶以自然的方式與虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行交互作用、相互影響，極大擴(kuò)展了人類認(rèn)識(shí)世界，模擬和適應(yīng)世界的能力。近年來(lái)，在仿真訓(xùn)練、工業(yè)設(shè)計(jì)、交互體驗(yàn)等多個(gè)領(lǐng)域解決了一些重大或普遍性需求，目前在理論研究與應(yīng)用開(kāi)展等方面都取得了很大進(jìn)展[3，4]。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，其在仿真實(shí)訓(xùn)、展示體驗(yàn)、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行了應(yīng)用。張波等[5]將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到了船舶消防訓(xùn)練系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，黃勇等[6]對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事院校實(shí)戰(zhàn)化教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

目前還未有將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到煙草工程設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到煙草工程設(shè)計(jì)中，構(gòu)建三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，可使設(shè)計(jì)人員和用戶身臨設(shè)計(jì)的虛擬場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)交互設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。

3 ? 設(shè)計(jì)平臺(tái)需求（Requirement of design platform）

研究開(kāi)發(fā)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的煙草工程三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，可建立煙草生產(chǎn)線數(shù)字化模型并進(jìn)行仿真，從而對(duì)生產(chǎn)線的規(guī)劃布局、生產(chǎn)和物流設(shè)備配置、物流系統(tǒng)合理性和有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)和選優(yōu)。另外，打造逼真的仿真視覺(jué)效果，實(shí)現(xiàn)交互設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程管理。

（1）模型庫(kù)。建立煙草行業(yè)生產(chǎn)及其他設(shè)備3D模型庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)快速連接，快速修改;建立其他輔助模型，可構(gòu)建虛擬工廠環(huán)境，提升3D漫游和VR漫游的體驗(yàn)效果。

（2）分析計(jì)算。提供計(jì)算校核、數(shù)據(jù)分析等工具，計(jì)劃排產(chǎn)、路徑優(yōu)化等算法，可完成數(shù)據(jù)分析或方案優(yōu)化。

（3）虛擬仿真。在設(shè)計(jì)階段，可對(duì)生產(chǎn)線能力與作業(yè)計(jì)劃等進(jìn)行仿真，在運(yùn)行階段，可對(duì)生產(chǎn)效率和能源計(jì)劃等進(jìn)行仿真。

（4）擴(kuò)展功能。設(shè)計(jì)平臺(tái)需具有擴(kuò)展功能和接口，兼容性好，可與MES系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

4 ? 設(shè)計(jì)平臺(tái)研究與開(kāi)發(fā)（Research and development of design platform）

4.1 ? 平臺(tái)總體架構(gòu)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的煙草工程三維設(shè)計(jì)平臺(tái)由主控窗口程序、3D虛擬工廠窗口及數(shù)據(jù)庫(kù)模塊三個(gè)部分組成。3D虛擬工廠窗口以內(nèi)嵌進(jìn)程方式運(yùn)行在主控窗口程序中，數(shù)據(jù)庫(kù)模塊獨(dú)立運(yùn)行，主控窗口程序提供針對(duì)虛擬仿真平臺(tái)特性的關(guān)鍵數(shù)據(jù)查看/管理界面?？傮w架構(gòu)如圖1所示。

4.2 ? 平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

三維建模。系統(tǒng)中所有的模型具備雙重屬性：視覺(jué)模型和數(shù)值模型。視覺(jué)模型包括3D模型、貼圖和動(dòng)作。設(shè)備三維模型采用三維繪圖軟件建模，然后在美術(shù)軟件中添加視覺(jué)效果。3D模型導(dǎo)入系統(tǒng)后，為其設(shè)置數(shù)值屬性和管理屬性。

模型布局。在模型庫(kù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)一個(gè)可視化的生產(chǎn)線布局界面，將已經(jīng)建好的模型，通過(guò)可視化的操作方法，布置成一個(gè)完整的虛擬工廠。布局界面包括一個(gè)可視化設(shè)備列表，以及一個(gè)空白的工廠地面畫(huà)布;支持用鼠標(biāo)拖拽設(shè)備到達(dá)布局畫(huà)布，并可調(diào)整設(shè)備的位置和形狀參數(shù);通過(guò)雙擊或者右鍵進(jìn)行屬性操作，可以彈出設(shè)備屬性編輯器;通過(guò)鼠標(biāo)連接，可以設(shè)置兩個(gè)設(shè)備之間的連接關(guān)系，定義輸入端口和輸出端口，從邏輯上將兩個(gè)設(shè)備連接起來(lái)。

作業(yè)計(jì)劃仿真。作業(yè)計(jì)劃包含制梗絲線、制葉絲線和卷接包線作業(yè)計(jì)劃。其中制梗絲線和制葉絲線作業(yè)計(jì)劃帶有流體生產(chǎn)的特點(diǎn)，而卷接包線作業(yè)計(jì)劃兼有連續(xù)和離散的特點(diǎn)。研究計(jì)劃排產(chǎn)有關(guān)算法，并根據(jù)生產(chǎn)線特點(diǎn)設(shè)置約束和仿真規(guī)則，形成數(shù)值模型。

生產(chǎn)線仿真。生產(chǎn)線仿真包含兩個(gè)層次：?jiǎn)卧抡婧驼€仿真。單元仿真包括展示設(shè)備及工藝流程、調(diào)試、驗(yàn)證工藝參數(shù)、設(shè)備編程測(cè)試、設(shè)備聯(lián)調(diào)測(cè)試、虛擬教學(xué)等。整線仿真包括生產(chǎn)線規(guī)劃與布局的設(shè)計(jì)驗(yàn)證、作業(yè)計(jì)劃的制定與驗(yàn)證、物流系統(tǒng)的分析與改善、生產(chǎn)線效率的分析與改善、虛擬培訓(xùn)等。生產(chǎn)線仿真時(shí)圖形仿真和數(shù)值仿真同時(shí)進(jìn)行，圖形仿真展示生產(chǎn)過(guò)程中物料流的變化、主機(jī)的運(yùn)動(dòng)、倉(cāng)庫(kù)的變化、物流設(shè)備的運(yùn)動(dòng)等，數(shù)值仿真模擬連續(xù)系統(tǒng)仿真時(shí)數(shù)值實(shí)時(shí)變化和離散系統(tǒng)的數(shù)值變化。

虛擬漫游。漫游分為3D漫游和VR漫游。漫游功能依賴高效率、高品質(zhì)的3D圖形渲染。3D漫游以第一人稱視角觀察虛擬工廠。通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤的操作來(lái)移動(dòng)視角、轉(zhuǎn)動(dòng)視角。通過(guò)對(duì)所有模型進(jìn)行碰撞體設(shè)置，避免漫游過(guò)程中出現(xiàn)穿插、穿墻等不合理的操作?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)平臺(tái)VR漫游功能。通過(guò)將3D場(chǎng)景渲染成左右眼視角兩幅畫(huà)面，在VR眼鏡中給用戶帶來(lái)沉浸式視覺(jué)體驗(yàn)，讓用戶以直觀的方式觀察生產(chǎn)線的實(shí)況。

4.3 ? 平臺(tái)功能模塊

4.3.1 ? 模型庫(kù)管理

該模塊用于建立模型庫(kù)信息并維護(hù)。美術(shù)人員做好3D模型后，在該模塊中添加模型說(shuō)明，設(shè)置參數(shù)，關(guān)聯(lián)模型文件。使用者可以預(yù)覽模型的外形，查閱、修改模型參數(shù)。

4.3.2 ? 生產(chǎn)線布局

該模塊用于生產(chǎn)線建模，設(shè)計(jì)人員調(diào)用模型庫(kù)設(shè)備模型，在界面上設(shè)置各類設(shè)備的外形、位置、動(dòng)作等參數(shù)。生產(chǎn)線布局模塊的功能主要有：檢驗(yàn)產(chǎn)品生產(chǎn)線上各生產(chǎn)要素是否齊備;檢驗(yàn)生產(chǎn)原料堆放場(chǎng)地是否合理利用，適用何種運(yùn)輸工具;檢驗(yàn)生產(chǎn)線的布局是否符合流水化作業(yè)進(jìn)程，生產(chǎn)加工機(jī)械布局是否高效，是否能夠形成流水作業(yè)閉環(huán);檢驗(yàn)貨架暫存、倉(cāng)儲(chǔ)及轉(zhuǎn)運(yùn)空間是否足夠、布局是否合理等;檢驗(yàn)運(yùn)輸通道是否流暢，運(yùn)輸工具是否適，三維空間運(yùn)輸是否存在交叉沖突;優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境等其他因素。

4.3.3 ? 作業(yè)計(jì)劃管理

該模塊的功能為：管理生產(chǎn)線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，錄入或制定電子版作業(yè)計(jì)劃，作業(yè)計(jì)劃查詢等?；A(chǔ)設(shè)置功能為將生產(chǎn)線基本信息錄入數(shù)據(jù)庫(kù)并維護(hù)，包括牌號(hào)、摻配物、摻配比例、班次、生產(chǎn)線工段、生產(chǎn)線參數(shù)等。

在生產(chǎn)線基本信息建立后，可制定每個(gè)生產(chǎn)線每日的作業(yè)計(jì)劃。作業(yè)計(jì)劃包括多個(gè)工段/生產(chǎn)線的計(jì)劃，為了建立計(jì)劃的數(shù)值模型，需要對(duì)計(jì)劃與實(shí)體設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。圖2為計(jì)劃數(shù)據(jù)與設(shè)備實(shí)體、工藝過(guò)程的規(guī)劃圖。

4.3.4 ? 運(yùn)行仿真

運(yùn)行仿真模塊既能仿真某條生產(chǎn)線的作業(yè)過(guò)程，又能按照全廠作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行仿真。仿真模塊體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

仿真模塊體系結(jié)構(gòu)由計(jì)劃與調(diào)度模塊、仿真參數(shù)設(shè)置、初始狀態(tài)設(shè)置、約束規(guī)則集、仿真規(guī)則集、仿真引擎及仿真歷史庫(kù)組成。仿真參數(shù)設(shè)置主要對(duì)仿真的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，在仿真中為了加快仿真的速度，設(shè)置時(shí)間比例尺來(lái)調(diào)整仿真的速度。初始狀態(tài)設(shè)置主要用于輸入仿真計(jì)劃執(zhí)行時(shí)生產(chǎn)線初始狀態(tài)信息，在制絲線中主要是設(shè)置各貯絲柜的余量、品牌及批次信息等。約束規(guī)則為仿真過(guò)程中的資源約束，包括制絲線上關(guān)鍵設(shè)備的能力信息及生產(chǎn)狀態(tài)信息。仿真規(guī)則用于控制計(jì)劃仿真執(zhí)行時(shí)的仿真流程及計(jì)劃的執(zhí)行時(shí)間，可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況動(dòng)態(tài)添加。

4.3.5 ? 漫游

3D漫游模塊使設(shè)計(jì)人員或用戶以第一人稱視角，游歷整個(gè)工廠。該視角的高度與人體相仿，可以隨意調(diào)整。通過(guò)鍵盤和鼠標(biāo)，可以移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)視角。如圖4所示。

VR漫游的控制與3D漫游類似。VR眼鏡上帶陀螺儀，可以同步用戶頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)，與VR內(nèi)視角一致。VR渲染的效果如圖5所示。

5 ? 設(shè)計(jì)平臺(tái)應(yīng)用（Design platform application）

在某卷煙廠易地技術(shù)改造項(xiàng)目的總體設(shè)計(jì)中，應(yīng)用了本文所研究開(kāi)發(fā)的基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的煙草工程三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，取得了良好的應(yīng)用效果。

（1）設(shè)計(jì)質(zhì)量提升、設(shè)計(jì)效率提高。在卷煙工廠的設(shè)計(jì)優(yōu)化階段，采用煙草工程三維設(shè)計(jì)平臺(tái)建立煙草生產(chǎn)線的數(shù)字化模型，通過(guò)運(yùn)行仿真、自動(dòng)優(yōu)化、交互設(shè)計(jì)，對(duì)生產(chǎn)線的規(guī)劃布局、設(shè)備配置、工藝流程、物流路線等進(jìn)行評(píng)價(jià)和選優(yōu)，得到最優(yōu)方案。在設(shè)計(jì)階段模擬投產(chǎn)運(yùn)行，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問(wèn)題，避免了設(shè)計(jì)返工和資源浪費(fèi)。圖6為仿真優(yōu)化后擇優(yōu)確定的工廠設(shè)計(jì)方案模型。

（2）所見(jiàn)即所得的虛擬工廠。利用三維設(shè)計(jì)平臺(tái)打造逼真的仿真視覺(jué)效果，構(gòu)建了所見(jiàn)即所得的虛擬環(huán)境，使設(shè)計(jì)者和使用者直觀看到了所設(shè)計(jì)的生產(chǎn)線，并看到生產(chǎn)線未來(lái)的運(yùn)行過(guò)程;佩戴VR眼鏡，更能沉浸式的觀察到未來(lái)的工廠。虛擬工廠的效果如圖7所示。

（3）設(shè)計(jì)階段模擬工廠管理。在設(shè)計(jì)方案確定后，利用三維設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)生產(chǎn)線的生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行分析，對(duì)生產(chǎn)線抗干擾和抗故障能力進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)，對(duì)作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行仿真和分析，預(yù)測(cè)生產(chǎn)線在不同作業(yè)計(jì)劃下的性能，通過(guò)智能程序控制下的多次仿真與選優(yōu)，為生產(chǎn)線制定合理的作業(yè)計(jì)劃。

（4）實(shí)現(xiàn)虛擬監(jiān)控與虛擬教學(xué)。三維設(shè)計(jì)平臺(tái)導(dǎo)出的虛擬工

廠系統(tǒng)與企業(yè)的MES系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)“虛擬在線工廠”，即數(shù)字工廠運(yùn)作與真實(shí)工廠同步。管理者無(wú)須到生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)即能監(jiān)控生產(chǎn)線的狀況，通過(guò)佩戴VR眼鏡，員工可沉浸于虛擬環(huán)境，進(jìn)行虛擬教學(xué)。

6 ? 結(jié)論（Conclusion）

隨著煙草工業(yè)企業(yè)技術(shù)改造的不斷深化，工藝、工程技術(shù)的不斷發(fā)展，技術(shù)改造的復(fù)雜程度和系統(tǒng)關(guān)聯(lián)程度大大增加。傳統(tǒng)的煙草工程設(shè)計(jì)方法已明顯落后，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)的新要求。本文對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在煙草工程三維設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，開(kāi)發(fā)出了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的煙草工程三維設(shè)計(jì)平臺(tái)。該平臺(tái)具備三維工廠建模、可視化設(shè)計(jì)、作業(yè)計(jì)劃仿真、運(yùn)行仿真、虛擬漫游等功能，在卷煙廠總體設(shè)計(jì)項(xiàng)目應(yīng)用中，提升了設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高了設(shè)計(jì)效率，擴(kuò)展了設(shè)計(jì)的內(nèi)涵，將工廠的設(shè)計(jì)、管理、運(yùn)維和教學(xué)結(jié)合在一起，為煙草工程設(shè)計(jì)提供了新型設(shè)計(jì)平臺(tái)，同時(shí)為煙草行業(yè)的智能制造建設(shè)提供了有力支持。

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作者簡(jiǎn)介：

黃啟錄（1985-），男，碩士，工程師.研究領(lǐng)域：仿真平臺(tái)與應(yīng)用.

魏 ? 斌（1984-），男，本科，工程師.研究領(lǐng)域：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù).

陶智麟（1975-），男，本科，高級(jí)工程師.研究領(lǐng)域：工程設(shè)計(jì)與管理.

陶鐵托（1982-），男，碩士，高級(jí)工程師.研究領(lǐng)域：工程設(shè)計(jì)與管理.

陳飛宇（1986-），男，本科，工程師.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù).

李 ? 超（1988-），男，本科，工程師.研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù).