基于云端虛擬漫游的多人協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案研究

顧宇杰 張永剛 曾梁

摘 要：在船舶行業(yè)中，由于小批量、高計(jì)劃的性質(zhì)，設(shè)計(jì)顯得尤為重要，而現(xiàn)有的設(shè)計(jì)缺少統(tǒng)一平臺(tái)與高交互性的中間軟件支持，難以實(shí)現(xiàn)多人協(xié)作與開(kāi)放設(shè)計(jì)。本文提出了一種多人協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)想。該設(shè)想基于云端計(jì)算，并以某一虛擬引擎作為中間軟件，在保障了安全性、保密性的基礎(chǔ)上，為虛擬建造與裝配提供了一種解決思路。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí);云端計(jì)算;多人協(xié)同;DVR;船舶設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?doi：10.19311/j.cnki.16723198.2022.06.081

0 引言

船舶制造具有小批量、高計(jì)劃的性質(zhì)，同時(shí)也具有資金、勞動(dòng)力密集的特征。同時(shí)，設(shè)計(jì)在生產(chǎn)中至關(guān)重要。設(shè)計(jì)缺陷如果拖到船舶建造期間才被發(fā)覺(jué)，很可能令船舶初期修改量大;中期修改余地小，返工、工時(shí)負(fù)擔(dān)不均;最終導(dǎo)致后期延誤交船。

同樣的，設(shè)計(jì)與制造中的多工種、多專業(yè)復(fù)合設(shè)計(jì)制造又會(huì)造成出圖緩慢、更改困難的問(wèn)題;更無(wú)須提內(nèi)裝工藝中的美學(xué)元素、人機(jī)工程學(xué)元素的體現(xiàn)以及設(shè)計(jì)理念的更新。

在更高層面上，目前缺少全國(guó)性的公共圖庫(kù)模型庫(kù)，以供各地設(shè)計(jì)師能夠協(xié)同工作、交流學(xué)習(xí)以營(yíng)造良好的行業(yè)生態(tài)。這種公共庫(kù)的缺乏正是當(dāng)前工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域一盤散沙的根本原因。

上述公共庫(kù)建立困難的原因有如下兩點(diǎn)：一方面是知識(shí)付費(fèi)環(huán)境下產(chǎn)權(quán)的保護(hù)問(wèn)題;另一方面是缺乏一個(gè)統(tǒng)一的、兼容性好的平臺(tái)。這個(gè)平臺(tái)需要有較好的存儲(chǔ)傳輸加密性能、與多種專業(yè)工程軟件進(jìn)行交互的中間軟件介質(zhì)性質(zhì)，且具有符合設(shè)計(jì)人員習(xí)慣的直觀快捷建模系統(tǒng)，同時(shí)兼有高度協(xié)同性及低硬件依賴。

1 設(shè)計(jì)要求

本系統(tǒng)面向的是船舶及各類工程專業(yè)從業(yè)者，即具有專業(yè)性需求與全局性把握的需求。以船舶詳設(shè)與裝配仿真等任務(wù)的需要，設(shè)計(jì)目標(biāo)為以下幾點(diǎn)：

（1）更加靈活方便，減少硬件及環(huán)境依賴。

（2）參數(shù)化建模，高即時(shí)渲染效率。

（3）包含裝配計(jì)劃（工時(shí)工藝要求等）。

（4）具有多人協(xié)作的平臺(tái)性質(zhì)與保密性能。

（5）跨平臺(tái)，且具有中間軟件性質(zhì)。

2 設(shè)計(jì)思路與分析

虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展，若能以較小的代價(jià)將設(shè)計(jì)中的工程軟件裝配規(guī)劃導(dǎo)入到支持多人協(xié)同工作的云端物理引擎中，并進(jìn)行虛擬漫游式的制造，則可以更直觀與具體地進(jìn)行設(shè)計(jì)缺陷檢查。同時(shí)，虛擬漫游式的制造也利于進(jìn)行多專業(yè)配合設(shè)計(jì)，支持異地修改，也能重新安排工時(shí)負(fù)荷等裝配規(guī)劃。當(dāng)模型接受了所有的變更提交或是用戶發(fā)出的階段性請(qǐng)求后，導(dǎo)出工程文件與裝配規(guī)劃。

在生產(chǎn)方面，這無(wú)疑會(huì)減少初期設(shè)計(jì)的完善時(shí)間與設(shè)計(jì)缺陷，尤其是降低不同專業(yè)人員協(xié)同工作時(shí)的溝通難度。同時(shí)，由于云計(jì)算的性質(zhì)，在較為耗費(fèi)算力的步驟（如繪制3ds Max的燈光渲染效果圖）可以減少更多成本。同時(shí)，更強(qiáng)的設(shè)計(jì)代入感會(huì)大大促進(jìn)內(nèi)裝工藝的發(fā)展，從而為更高附加值的船舶設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

在該系統(tǒng)中，真正參與了整個(gè)模型計(jì)算與處理的僅有云端的虛擬引擎，而用戶端僅進(jìn)行圖像處理與極少模型處理。同時(shí)，與工程軟件交互的也僅有該虛擬引擎，該引擎本身不參與工程運(yùn)算，僅僅充當(dāng)類似虛擬機(jī)與交互平臺(tái)使用，而這反而加強(qiáng)了保密性能。

3 系統(tǒng)建立流程示例

現(xiàn)以Unity 3D為內(nèi)核構(gòu)建云端系統(tǒng)?，F(xiàn)將就以下幾個(gè)問(wèn)題展開(kāi)論述：系統(tǒng)導(dǎo)入導(dǎo)出工程文件，系統(tǒng)與用戶的交互，系統(tǒng)的多人協(xié)作與保密性。

3.1 Unity 3D導(dǎo)入導(dǎo)出工程文件

Unity 3D著眼于較輕便的渲染與人機(jī)友好交互，而其本身不帶有參數(shù)化建模功能，但其支持導(dǎo)入?yún)?shù)化的3ds Max模型，并表現(xiàn)出良好的兼容性。現(xiàn)基于Unity 3D內(nèi)核將不同軟件統(tǒng)合成同一個(gè)可視化的三維模型，集成度大大提高。

導(dǎo)入主要分為數(shù)據(jù)讀取、三維拓?fù)浣馕雠c網(wǎng)格、全局光渲染。

導(dǎo)出僅為數(shù)據(jù)讀取的逆過(guò)程，此處略去。

數(shù)據(jù)分為傳統(tǒng)的OBJ格式模型，與從工程軟件中讀取的施工裝配規(guī)劃與制造規(guī)劃。前者包含模型的頂點(diǎn)數(shù)據(jù)與材質(zhì)數(shù)據(jù)，后者包含工時(shí)信息、遞交流程等。

3.2 系統(tǒng)與用戶的交互

因?yàn)閁nity 3D虛擬機(jī)的性質(zhì)與導(dǎo)入數(shù)據(jù)的龐大，其對(duì)內(nèi)存的占用將不是個(gè)人電腦所能承擔(dān)的，故考慮將虛擬機(jī)設(shè)置在云端。同時(shí)，此類大量的并行式任務(wù)在云端工作時(shí)并不會(huì)降低效率。而為了實(shí)現(xiàn)多專業(yè)互動(dòng)的直觀與清晰，以及內(nèi)裝工藝的設(shè)計(jì)要求，云端的虛擬漫游確為一種成本低廉而又有效的方法。

分布式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)DVR將作為云端漫游系統(tǒng)的骨架?，F(xiàn)擬用集中式與局部復(fù)制式結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法以適應(yīng)不同開(kāi)發(fā)者的需求。

集中式DVR是僅在云端運(yùn)行一個(gè)模型而采集視角圖片與tag標(biāo)記發(fā)送到用戶端。用戶端提供基于圖片的三維漫游，此舉對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信帶寬要求較高，但對(duì)用戶端配置幾乎無(wú)要求。

由于5G時(shí)代的到來(lái)，集中式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所需的即時(shí)傳輸將越來(lái)越輕松。面對(duì)大多數(shù)用戶以至于設(shè)計(jì)師這種漫游也有其優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檠b配尺寸及特征尺寸不會(huì)因?yàn)榉菂?shù)化建模而影響表達(dá)，即移動(dòng)設(shè)備端的這種漫游大有市場(chǎng)，而數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾圆⒉粫?huì)遭到破壞，能適應(yīng)工程的精度要求。不管是tag還是裝配過(guò)程中的爆炸動(dòng)畫都是云端計(jì)算完畢后才發(fā)送到用戶端的，而并行處理與高效運(yùn)輸能盡可能保障漫游體驗(yàn)。

復(fù)制式DVR是用戶端復(fù)制云端服務(wù)器的模型，從而支持參數(shù)化修改。該方案對(duì)配置要求較高，也可以延續(xù)先前做法僅對(duì)圖像中的造型做重繪制，但該方案更適應(yīng)于造型處理。本文對(duì)復(fù)制式的DVR系統(tǒng)提出幾點(diǎn)優(yōu)化，以應(yīng)用于實(shí)際。現(xiàn)以裝配仿真為例以下兩點(diǎn)：

（1）局部復(fù)制。

云端在處理用戶請(qǐng)求時(shí)，按區(qū)域劃分重定向申請(qǐng)，比如貨倉(cāng)、艏部、尾部、上建，甚至還會(huì)有雙層底等中區(qū)域。每次云端向用戶發(fā)送該中區(qū)域的模型，即當(dāng)用戶調(diào)用開(kāi)發(fā)者模式（設(shè)計(jì)者）模式時(shí)才啟用。此時(shí)將關(guān)閉碰撞檢測(cè)與材質(zhì)渲染，要求用戶端有相應(yīng)開(kāi)發(fā)環(huán)境。

（2）云端保持圖像。

當(dāng)用戶不更改圖像中模型幾何參數(shù)時(shí)（如僅更改裝配順序時(shí)），則仍采用云端保持圖像的方法，在云端將節(jié)點(diǎn)、片體等爆炸，然后進(jìn)行帶裝配序列規(guī)劃的仿真實(shí)驗(yàn)。這是面向裝配規(guī)劃的任務(wù)，包括裝配過(guò)程中的序列，路徑工藝及工時(shí)的規(guī)劃，這將生成更改后的tag。

3.3 多人協(xié)作與保密性

為了避免分時(shí)復(fù)用的算力相對(duì)不足與去除元件數(shù)據(jù)多人同時(shí)共享的一致性問(wèn)題，云端系統(tǒng)模擬圖紙送審流程，采用區(qū)域整體提交修改，檢驗(yàn)一致性與遞交沖突報(bào)告的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)多專業(yè)設(shè)計(jì)、多人設(shè)計(jì)相合作的問(wèn)題。用戶僅將區(qū)域整體性變更進(jìn)行提交，而一致性沖突的提交則會(huì)向兩個(gè)用戶分別發(fā)放檢驗(yàn)沖突報(bào)告，進(jìn)行合作設(shè)計(jì)。

為了解決保密性問(wèn)題，采用模型角點(diǎn)變化的方法云端加密存儲(chǔ)，動(dòng)態(tài)多次備份來(lái)解決可能的備份丟失。至于下載到當(dāng)?shù)氐膶?dǎo)出數(shù)據(jù)，可加上限制備份的權(quán)限聲明，與定時(shí)銷毀（主要采用定時(shí)的隨機(jī)變換）的功能設(shè)計(jì)，以徹底解決保密性問(wèn)題。

4 總結(jié)

本文提出了一種基于云端計(jì)算的虛擬設(shè)計(jì)與仿真方案設(shè)計(jì)，借用虛擬機(jī)原理兼容統(tǒng)合各類工程軟件，支持裝配的仿真。在傳輸速度上達(dá)到要求的條件下，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的建立，且有望將移動(dòng)端作為用戶端運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]蘇天朗.船舶建造中的設(shè)計(jì)法律問(wèn)題研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2020.

[2]胡羽.一種基于中介者模式的數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)同步方法[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2008.

[3]李軍.基于虛擬仿真技術(shù)的船體分段制造計(jì)劃管理研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2020.

[4]廖浩宏，韋宇煒，劉強(qiáng)，等.工業(yè)仿真系統(tǒng)動(dòng)態(tài)導(dǎo)入OBJ模型的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2020，40（S1）：161164.

[5]QIANG F U，HONGBO F U，ZHIGANG D，et al.Indoor layout programming via virtual navigation detectors[J].Science China（Information Sciences），2021：12.

[6]張佳婧.圖形圖像的計(jì)算美學(xué)評(píng)估及建模繪制研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2017.

[7]汪赫瑜，馬紅.一種虛擬場(chǎng)景建模技術(shù)的研究[J].遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，（02）：1314.

[8]曹虎，唐健鈞，劉玉松，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛機(jī)裝配仿真研究[C].2020中國(guó)仿真大會(huì).北京，2020.

[9]陳偉.艦船機(jī)艙三維虛擬漫游及遠(yuǎn)程操縱系統(tǒng)[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2021，43（08）：103105.

[10]房子琪，趙志祥，馬國(guó)軍，等.3D打印模型的加密保護(hù)傳輸研究[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2020，38（10）：192194.