基于虛擬現實的鉆井船設備關鍵部件裝配系統的實現

2020-05-18 02:38:38杜鵬石江超韓兵兵

中國水運 2020年2期

杜鵬石江超韓兵兵

摘要：開展鉆井船設備關鍵部件虛擬裝配技術研究，對提升鉆井船設備研發質量、縮短周期、降低成本和減少風險具有重要意義。基于VR技術進行環境虛擬平臺搭建、模型體系構建、虛擬試驗驗證，開發基于虛擬設計與虛擬試驗的鉆井船設備關鍵部件虛擬裝配研發平臺，開發面向沉浸式、交互式的虛擬裝配系統。結果表明：該系統對設備實際裝配工作能夠起到指導作用，具有較強的實際應用價值。

關鍵詞：鉆井船;關鍵部件;虛擬現實

中圖分類號：TH3? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）02-0044-3

虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）是指通過計算機抓取現實物體的物理屬性特征，按其特點實現虛擬場景中的三位模型重建，完成仿造現實的技術。近年來，VR技術得到不斷發展并趨于成熟，作為在計算機圖形學、仿真技術、人機接口技術等基礎上發展起來的交叉融合學科，其利用仿真手段在用戶和計算機之間構成了一個完整的虛擬現實系統[1]。虛擬現實技術一定程度上解決了工業產品開發前期的結構、性能、功能、工藝甚至維護等問題[2]，在實施前期，進行虛擬模擬，能夠對產品的可靠性和穩定性進行有效驗證[3]。

目前，船舶領域中VR技術大部分集中在巡檢及操作方面。國外對船舶行業VR技術的應用研究較早，英國通過輪機模擬器嵌入系統場景，實現了對船舶輪機設備的仿真操作;美國的VESUB工程通過技術分段和語音識別、位置跟蹤等多種高新技術，實現了船舶的綜合操作模擬[4]。國內，大連海事大學利用三維仿真重建技術，實現了DMS-2000型輪機運動模擬及機艙漫游 [5];付澤民[6]等闡述了基于VR技術的船舶虛擬裝配的關鍵性技術，并通過SUN工作站和圖形設計軟件，驗證了虛擬裝配技術實際生產時的有效性。陳寧[7]論述了Vega虛擬現實軟件開發船舶設備裝配仿真應用程序的方法及關鍵技術。

目前，對于船舶設備中的虛擬現實裝配研究較少，尤其對特種作業船舶（如鉆井船、科考船等）作業裝配的虛擬仿真的實現鮮有研究。本文基于虛擬現實技術，針對海洋鉆井船舶設備，進行虛擬裝配環境搭建、模型體系構建、虛擬試驗驗證，開發基于虛擬設計與虛擬試驗的鉆井船設備關鍵部件虛擬裝配研發平臺，開發面向沉浸式、交互式的虛擬裝配系統。該系統的建立對鉆井船設備實際裝配、維護具有較強的應用價值。

1 環境虛擬平臺搭建

鉆井船設備關鍵部件虛擬裝配仿真前，應對虛擬裝配仿真環境進行必要的設置，主要包括：數據準備、裝配場景初始化、操作仿真及過程規劃。

1.1 數據準備

基于Solidworks平臺，對設備關鍵部件的三維模型進行構建，并完成關鍵部件模型優化及輕量化處理;其次，對裝配工具進行標準化實際尺寸建模，并對裝配空間進行照片級構建。最后，將關鍵部件模型與裝配工具共同導入Unity 3D虛擬現實軟件中。

1.2 裝配場景初始化

基于Unity 3D平臺導入結構模型、環境模型和用戶模型數據，并對虛擬裝配的仿真應用場景進行模型導入，生成環境場景，其中包括軟硬件系統運行設置、裝配模型數據導入設置、裝配環境模型數據導入設置、用戶模型數據導入設置等[8]。

1.3 關鍵部件模型序列分析

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

1.4 操作仿真及過程規劃

在虛擬裝配環境中，針對裝配部件三維模型的各裝配單元，利用人機交互式設備進行裝配過程的仿真操作，或進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據信息，以供后期裝配過程分析及規劃。數據信息主要包括：模型單元的裝配序列信息、模型單元裝配路徑規劃信息、虛擬環境模型與裝配模型單元相對位置信息。模型裝配過程規劃包括：模型單元裝配順序與運動路徑規劃、模型單元間干涉與碰撞分析、裝配環境操作空間分析等，最終獲得裝配模型最佳裝配序列與運動路徑[9]。

模型裝配操作仿真流程如圖1所示。

2 虛擬裝配系統設計與方法

2.1 系統設計

鉆井船設備關鍵部件虛擬裝配系統設計流程主要包括部件裝配序列規劃、運動路徑規劃等，并考慮裝配工藝性、裝配可行性、人機交互等，遵循預先設計規則，對裝配模型劃類分層逐級、自下而上對設備模型進行虛擬裝配操作。虛擬裝配設計思路如圖2所示。

裝配順序規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工裝。裝配路徑是零件從布放位置到組裝位置所經過的無物理碰撞接觸的運動軌跡，合理的裝配路徑能夠避免零件干涉，同時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 系統物理屬性

三維模型物理屬性的設置，可使其更接近現實事物，具有逼真效果。在Unity 3D 中模型物理屬性設置包括剛體、物理材料、力場以及物理關節等。利用Unity 3D中的Nvidias PhysX 物理引擎，使模型運動滿足實際物理定律。本文使用剛體組件和物理材料來增強設備系統的物理效果和裝配效果，實現完全模擬現實情況的物理效應。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定，能夠在虛擬環境場景中，避免出現物體“穿透而過”的不科學情況。

3 虛擬裝配系統實現

3.1 人機交互界面設計

本文通過HTC VIVE虛擬顯示設備觸發GUI（人機交互）按鍵執行相關命令，完成對裝配環節的控制，實現了三維實體模型和數學模型的有機結合。鉆井船設備虛擬裝配系統的GUI設計，以UI邏輯關系為依托，配合腳本語言，利用Unity 3D內置圖形用戶界面開發模塊，繪制主界面和各個子界面，明確各個界面的功能，實現各功能開發及界面切換。人機交互界面UI邏輯關系如圖3所示。

3.2 交互方式測試與優化

系統功能設計完成后，仍需要對系統進行優化，以保證系統運行的流暢性、操作的靈敏性以及整體的穩定性。除模型和虛擬環境本身的優化外，還須對系統程序進行優化，主要包括以下幾個方面：

（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算，減少GUI函數操作;

（3）避免創建局部變量，必要時可使用靜態變量，但應注意控制變量數量;

（4）盡量用結構來代替類的使用。

3.3 虛擬現實操作

Unity 3D制作的虛擬現實內容通過虛擬現實硬件設備展現出來，包括：虛擬現實生成設備、輸出設備和輸入設備。本文鉆井船設備關鍵部件虛擬裝配系統主要使用HTC Vive ，HTC Vive通頭戴式顯示器、單手持控制器、定位系統三大模塊給與使用者提供沉浸式體驗，經PC端設備可執行程序，可進入操作界面，在虛擬環境中，可用手持設備拾取各部件進行裝配，模擬真實安裝對位情況。

通過HTC Vive虛擬現實設備與Unity3D引擎結合生成沉浸式的3D運維界面，從鉆井船設備系統接收到的數據實時更新系統的運行狀態，實現設備監測的實時動態呈現，可以多角度、多方式監測，不僅可以通過HTC Vive虛擬設備沉浸式觀察鉆井船設備系統運行時的虛擬模型，而且可以在線觀察系統各部件的運行參數，并能在系統參數數據異常時及時發出報警。

4 結論

基于虛擬現實技術的裝配仿真，在制造業的數字化、智能化發展中占有重要地位，本文預先仿真鉆井船設備關鍵部件的裝配技術，對鉆井船設備實際生產制造具有積極意義。主要結論如下：

（1）對鉆井船設備關鍵部件進行分解處理，研究分析了設備的結構、組成以及裝配工藝，確定了鉆井船設備關鍵部件的虛擬裝配方案、系統功能和實現方法。

（2）基于三維SolidWorks軟件平臺，對鉆井船設備關鍵部件進行建模與優化，利用Unity 3D軟件平臺進行虛擬環境建模與優化，并通過材料賦屬性、環境賦屬性等引擎技術增強了虛擬裝配系統的現實性，最終實現了鉆井船設備關鍵部件的環境漫游、虛擬裝配操作等功能。

（3）基于VR技術的鉆井船設備虛擬裝配軟件平臺，能夠顯著提高用戶對系統結構、系統布局、部件位置的空間理解，對鉆井船現實裝配工作起到指導作用，從而提升建造效率、質量，降低建造成本，具有較強的實際應用價值。

參考文獻：

[1]任鴻翔.基于VR的船舶消防模擬訓練系統研究[A].1995-2009航海技術論文選集.中國航海學會，2010.5.

[2]張蘭英.虛擬裝配設計系統的研究[J].機械設計與制造，2002，37（04）：37-39.

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

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

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

[6]付澤民，王大鎮，姚壽廣.虛擬裝配技術在船舶設計中的應用[J].船海工程，2006，32（03）：32-35.