虛擬仿真技術(shù)在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用

唐新軍

（新疆工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023）

0 引言

紡織產(chǎn)業(yè)是我國的主要產(chǎn)業(yè)[1]，紡織品，是人們生活中必不可少的一部分。人們常用的紡織品包括衣服、鞋子、窗簾、坐墊、口罩、毛巾等。除了日用品之外，其他領(lǐng)域也用到了紡織品，如過濾材料、復(fù)合纖維板、軍用防護(hù)服、醫(yī)用縫合線、土工建筑材料等。紡織領(lǐng)域的發(fā)展已經(jīng)是影響到人們生活以及國家科技進(jìn)步的重要因素之一。

虛擬仿真是一種新興的信息技術(shù)，它通過創(chuàng)建與人類感官系統(tǒng)交互的虛擬空間，克服現(xiàn)實世界的空間和物理約束，提供一種間接的體驗[2]。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，虛擬仿真技術(shù)也慢慢進(jìn)入到人們生活的多個方面，在各個領(lǐng)域都有涉及，包括游戲、教育、設(shè)計、開發(fā)、研究等方面，未來虛擬現(xiàn)實相互結(jié)合的應(yīng)用將會越來越多。在紡織領(lǐng)域，虛擬仿真技術(shù)也已經(jīng)被應(yīng)用到各個方面，進(jìn)而促進(jìn)紡織領(lǐng)域的發(fā)展。

1 虛擬仿真技術(shù)的特點

1.1 降低成本

隨著技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)新設(shè)備日新月異，實驗室很難保證實驗設(shè)備的更新?lián)Q代速度跟得上時代的發(fā)展，特別是學(xué)校教學(xué)設(shè)備的跟進(jìn)緩慢，將直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效果與其進(jìn)入社會的實際應(yīng)用能力。但是快速更新設(shè)備又將消耗大額的購置保養(yǎng)費用，并且部分設(shè)備占地面積較大，需要增加占地成本。通過建立虛擬仿真實驗室，采用虛擬模擬現(xiàn)實的方式，可打破現(xiàn)有的場地以及設(shè)備的限制，減少了很多由于機(jī)器龐大、占地面積大、設(shè)備成本昂貴等造成的問題[3]。此外，傳統(tǒng)的設(shè)計方法，對設(shè)計產(chǎn)品和方法的驗證過程多采用實物驗證的方法，這種方式驗證周期長，耗費人力物力。通過虛擬仿真技術(shù)建立模型進(jìn)行模擬仿真，可以快速簡單驗證設(shè)計產(chǎn)品的好壞，有效地減少產(chǎn)品的投入和降低產(chǎn)品設(shè)計成本。

1.2 提升教學(xué)效果

傳統(tǒng)的教學(xué)方式，大多是學(xué)生聽教師講，缺少自己的思考探索，并且接受培訓(xùn)人員的思考方式、知識框架、學(xué)習(xí)能力、心理狀態(tài)等各有不同，以及需要按照固定的時間進(jìn)行，每個學(xué)生對知識的接受能力存在差異，教師無法做到面面俱到。傳統(tǒng)教學(xué)方式無法做到差異化教學(xué)，教學(xué)效果并不理想[4]。通過虛擬仿真的教學(xué)，學(xué)生可以自行選擇時間、地點進(jìn)行學(xué)習(xí)培訓(xùn)。不僅學(xué)生可以自主進(jìn)行學(xué)習(xí)和反復(fù)練習(xí)，教師也可以有效利用學(xué)生的碎片化時間。

1.3 改善體驗

虛擬仿真技術(shù)是結(jié)合現(xiàn)實情境進(jìn)行設(shè)計的，采用虛擬仿真技術(shù)完成的三維模型、模擬分析、VR 視頻、三維游戲等，可以讓人們帶上VR 眼鏡就有身臨其境的感覺。通過運用虛擬仿真技術(shù)，人們可以親身體驗操作過程，親眼看到實物，例如部分機(jī)械現(xiàn)場很難觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過虛擬仿真技術(shù)可以采用機(jī)械拆解、半透明顯示等方式實現(xiàn)人們直觀觀察的目的。傳統(tǒng)的教育培訓(xùn)過程多采用視頻和圖片材料來講解，很多細(xì)節(jié)位置和關(guān)鍵部分，由于不好拍攝和展示，很難讓學(xué)生深入了解機(jī)構(gòu)特點，以及操作流程中存在的問題等，而通過虛擬仿真模擬技術(shù)，可以模擬操作過程，進(jìn)行機(jī)械拆解，使學(xué)習(xí)培訓(xùn)過程有種親身體驗的感受，給學(xué)生更直觀的認(rèn)識。

1.4 提高安全性

安全性一直是人們關(guān)注的主要因素之一，在部分危險行業(yè)一個簡單的操作失誤可能直接斷送一名技術(shù)員的生命，所以對于安全管理、安全培訓(xùn)，各個領(lǐng)域都是十分關(guān)注的?，F(xiàn)在的培訓(xùn)多采用案例介紹方式，通過圖片或者簡單視頻演示操作過程存在的錯誤以及錯誤造成的后果，用來警醒培訓(xùn)者，但是這種培訓(xùn)方式無法讓學(xué)習(xí)人員親自感受，得到的記憶不夠深刻。通過虛擬仿真技術(shù)讓參與人員有身臨其境的感受，如電力培訓(xùn)中運用虛擬的實訓(xùn)環(huán)境，大大降低了現(xiàn)實中的安全風(fēng)險，不必?fù)?dān)心實訓(xùn)人員對實訓(xùn)對象產(chǎn)生損害，更不用擔(dān)心由于演練失誤造成學(xué)員傷亡[5]。

2 虛擬仿真技術(shù)在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 文物、技藝研究展示

我國自古就是紡織大國，紡織產(chǎn)品生產(chǎn)歷史悠久，品種眾多，大部分博物館都有展出相關(guān)文物。由于時間的影響，大部分文物已經(jīng)無法展現(xiàn)出原始模樣，很多博物館或者是科研機(jī)構(gòu)通過虛擬仿真技術(shù)對古代紡織品及機(jī)械進(jìn)行虛擬仿真，建立模型庫，進(jìn)行還原，方便后續(xù)人員的研究。例如新疆和田出土的漢代文物“五星出東方利中國”這件驚世之作，原是運用老關(guān)山漢墓出土?xí)r的織機(jī)完成的[6]，當(dāng)時織機(jī)出土?xí)r很多機(jī)構(gòu)都已經(jīng)發(fā)生老化變形，已經(jīng)無法展示全貌，考古人員通過虛擬仿真技術(shù)將出土的織機(jī)全貌進(jìn)行了還原。湘西土家織錦等傳統(tǒng)工藝受到新技術(shù)的沖擊正逐漸走向衰落，研究人員探索利用虛擬仿真技術(shù)將這些傳統(tǒng)技藝進(jìn)行保護(hù)[7]。

2.2 教育培訓(xùn)引導(dǎo)

為彌補傳統(tǒng)紡織實驗教學(xué)的不足，很多課程運用虛擬仿真技術(shù)配合現(xiàn)代教學(xué)方法，減少成本，提高操作安全性，優(yōu)化學(xué)習(xí)效果。近幾年很多高校探索將虛擬仿真技術(shù)融入到教學(xué)培訓(xùn)環(huán)節(jié)，提高學(xué)員、學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，部分高校開始建立自己的虛擬仿真實驗室。鮑勁松教授建立紡織智能制造虛擬仿真實驗教學(xué)項目，用數(shù)字化手段，展現(xiàn)從紗到布再到衣的紡織智能制造流程，拉近大規(guī)模生產(chǎn)線與學(xué)生的距離，讓學(xué)生深入了解紡織的智能制造新模式，讓學(xué)生可以實際動手操作，同時切實保障學(xué)生的健康安全。

東華大學(xué)郁崇文教授的慕課《紡紗學(xué)》課程，充分利用仿真技術(shù)協(xié)助教學(xué)，制作三維仿真模擬動畫、重點機(jī)械原理的仿真動畫，幫助學(xué)生進(jìn)一步了解學(xué)習(xí)內(nèi)容。羅海林[8]根據(jù)聚酯熔融紡絲試驗機(jī)各機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)及內(nèi)部構(gòu)造采集詳細(xì)的尺寸數(shù)據(jù)，建立三維模型、制作實驗動畫、搭建仿真實驗環(huán)境，完成紡絲工程實驗課程虛擬仿真環(huán)境的建設(shè)。高嬋娟等人[9]構(gòu)建了一種清梳聯(lián)仿真實驗平臺，減少了紡織院校對清梳聯(lián)設(shè)備投入的成本，一定程度上解決了部分院校廠地實驗設(shè)備落后、場地不足等問題，有利于幫助學(xué)生掌握和理解清梳聯(lián)工序的結(jié)構(gòu)和工作原理，有效提高紡紗清梳聯(lián)部分的教學(xué)效果。

吳新麗等人[10]提出基于云平臺的紡織機(jī)械類虛擬仿真實驗教學(xué)改革，利用虛擬仿真實驗，幫助學(xué)生拓寬紡織裝備知識結(jié)構(gòu)、形象了解織造設(shè)備及工藝原理、掌握科學(xué)和便捷的檢測手段，極大地提升學(xué)生在紡織裝備方面的綜合應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，并可為教師提供科研條件。

2.3 產(chǎn)品銷售講解

紡織企業(yè)也開始應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)展示自己的產(chǎn)品，通過虛擬仿真技術(shù)模擬產(chǎn)品運行狀態(tài)、運行效果、產(chǎn)品特點等，展示自己企業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)特點，通過仿真加實物的演示給消費者更直觀的視覺沖擊。瑞士立達(dá)紡織機(jī)械有限公司，通過結(jié)合虛擬仿真技術(shù)制作產(chǎn)品模型，以圖片、動畫、視頻等方式展示出自己的產(chǎn)品特色，客戶和參觀人員可以通過進(jìn)入官網(wǎng)或者點擊相關(guān)視頻查看。卓朗紡機(jī)也利用虛擬仿真制作圖片來展示說明自己的產(chǎn)品，如粗細(xì)紗之間的固定式輸送FixFlow，給客戶以直觀的表述。格羅茨貝克特公司通過仿真模擬展示針齒的差異，展示產(chǎn)品的特點和優(yōu)勢。經(jīng)緯紡機(jī)在官網(wǎng)上建立VR 展廳，充分將仿真技術(shù)與紡織相關(guān)產(chǎn)品有機(jī)結(jié)合，提高產(chǎn)品認(rèn)知效率。

2.4 產(chǎn)品設(shè)計分析

虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，為產(chǎn)品設(shè)計分析提供了一種新的方法，利用虛擬制造技術(shù)建立的仿真系統(tǒng)，對虛擬樣機(jī)的運動學(xué)、動力學(xué)和控制等行為進(jìn)行仿真，可以大大節(jié)省資金、人力和物力的投入[11]。通過對紡織機(jī)械進(jìn)行仿真模擬建立相關(guān)模型，并通過虛擬仿真相關(guān)軟件分析，對設(shè)計的模型進(jìn)行驗證，有效減少開發(fā)時間、設(shè)計成本，提高決策水平，以及提高產(chǎn)品效率和質(zhì)量。杜虎兵等人[12]通過虛擬實驗，進(jìn)行參數(shù)更改，參數(shù)優(yōu)化，從而縮短電子提花橫機(jī)選針設(shè)計周期。宋瑩[13]建立仿真優(yōu)化模型，利用先進(jìn)的智能軟件Flexsim 對旗袍單件生產(chǎn)流水線進(jìn)行虛擬仿真優(yōu)化，使流水線生產(chǎn)平衡率得到大幅度提升。邱海飛等人[14]針對津田駒ZAX 型噴氣織機(jī)，開發(fā)出電子送經(jīng)卷取機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)，為其傳動系統(tǒng)研究改造提供了新的平臺支持。

3 虛擬仿真技術(shù)在紡織領(lǐng)域的展望

3.1 互聯(lián)共享

大多數(shù)紡織類虛擬仿真產(chǎn)品都是在各自院校，或者說在各自企業(yè)手里。由于創(chuàng)建虛擬仿真產(chǎn)品需要花費大量的人力和物力，特別是一些高水準(zhǔn)、高標(biāo)準(zhǔn)的仿真產(chǎn)品，很少存在共享學(xué)習(xí)的情況。并且在多種因素的影響下，虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展不均衡，紡織的虛擬仿真研究主要集中在沿海一些紡織高校。在紡織領(lǐng)域很多高?；蛘咂髽I(yè)重復(fù)購買或者制作相似模型，產(chǎn)生了很多重復(fù)勞動，阻礙了技術(shù)推進(jìn)發(fā)展。實現(xiàn)虛擬仿真實驗教學(xué)示范中心優(yōu)質(zhì)資源的有效開放與共享，是急需解決的重要問題[15]。通過互聯(lián)共享的方式可以在一定程度上減少這種地域環(huán)境的差異，有效整合資源，提高資源利用效率。對于一些非保密產(chǎn)品，如果可以有效地整合這些資源，則有利于縮短企業(yè)新產(chǎn)品的設(shè)計周期，以及有利于院校教學(xué)辦學(xué)質(zhì)量的提高，有效地彌補了資源的不足，有利于人才的快速培養(yǎng)。

3.2 虛實有機(jī)結(jié)合

虛擬技術(shù)的快速發(fā)展，帶來一系列的技術(shù)革新，很多新技術(shù)、新方法結(jié)合虛擬技術(shù)得到新的發(fā)展，但也存在了一些過度應(yīng)用虛擬技術(shù)的情況，拋棄了實際，也有一些只是將虛擬與現(xiàn)實進(jìn)行簡單的堆疊，沒有進(jìn)行有機(jī)的整合，達(dá)不到應(yīng)有的效果。并且要謹(jǐn)防實訓(xùn)人員只認(rèn)虛擬提示，忽視實際操作的危險意識。因此，要將虛擬技能培訓(xùn)與真實生產(chǎn)有機(jī)結(jié)合起來，利用虛實技能培訓(xùn)強(qiáng)化實際操作技能，以便其在實際操作時更好地完成工作。根據(jù)紡織領(lǐng)域的特點，探索企業(yè)合作新途徑，將紡織企業(yè)實踐與虛擬仿真教學(xué)有機(jī)結(jié)合在一起也是一個新途徑。

3.3 建立完整的紡織虛擬仿真系統(tǒng)

現(xiàn)有的紡織虛擬仿真資源分散在各個學(xué)校和企業(yè)手里，互聯(lián)共享程度較低，很難將有效資源進(jìn)行合理整合形成一套系統(tǒng)完整的紡織虛擬仿真系統(tǒng)。建立系統(tǒng)完整的紡織虛擬仿真系統(tǒng)，需要基于互聯(lián)共享，進(jìn)行資源的集中優(yōu)化管理，優(yōu)化數(shù)據(jù)輸出，增強(qiáng)相互關(guān)聯(lián)，促進(jìn)紡織虛擬仿真資源的有效利用，將高速推動紡織領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，有效地減少重復(fù)勞動及無效勞動，提高教學(xué)培訓(xùn)質(zhì)量，縮短學(xué)習(xí)時間。完整的紡織虛擬仿真系統(tǒng)將為紡織人才的培養(yǎng)提供有力支持。

4 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)在計算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展、互聯(lián)網(wǎng)廣泛普及的大環(huán)境下，得到了廣泛的應(yīng)用。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用有效降低了投資開發(fā)成本，為教育教學(xué)提供了新方式、新方法，并減少了因為特殊工序或者機(jī)械操作帶來的風(fēng)險。在紡織領(lǐng)域中，虛擬仿真技術(shù)在文物和技藝研究展示、教育培訓(xùn)引導(dǎo)、產(chǎn)品介紹、產(chǎn)品的設(shè)計分析等方面的應(yīng)用已經(jīng)普及，但是虛擬仿真技術(shù)在紡織領(lǐng)域中的應(yīng)用還存在一些不足之處，如共享不足、結(jié)合不強(qiáng)、整合性不理想等。通過新技術(shù)、新思想的引入，相信未來虛擬仿真技術(shù)可以和紡織領(lǐng)域更好結(jié)合，給紡織領(lǐng)域帶來新的發(fā)展。