基于AR/VR的船舶制造車間仿真優化應用研究

張國政，李 剛，韓永磊，王 雷，左振波

（中船重工信息科技有限公司，江蘇 連云港 222000）

船舶制造存在車間空間尺度大、船舶建造周期相對較長、工藝流程復雜、單件小批量、中間產品種類非標件數量多、物理尺寸差異大、作業環境相對惡劣等問題，為了解決這些問題，將從數字化、網絡化、智能化等方面進行升級改造，提高制造效率。同時，依托國家在虛擬現實技術的宏觀戰略規劃，把握VR/AR技術創新帶來產業變革的窗口期，發揮虛擬現實帶動效應強的特點，以技術創新為支撐，以應用示范為突破，以產業融合為主線，可豐富“VR/AR”船舶制造或整個工業領域的商業模式，并整合虛擬現實產業鏈資源，構筑“VR/AR”融通發展生態圈[1]。

1 需求分析

船舶制造車間是船廠生產的基本組成單位，按其生產對象或生產性質分，主要有零件制造車間、中小組立車間、分段制造車間、噴涂車間、管加工車間、舾裝件制造車間等。具體功能涉及到船體零件切割制造、管子切割加工、分段制造、分段舾裝、分段涂裝、分段總組等工藝建造過程。傳統工藝手段多使用對照顯示器二維/三維設計圖或平面布局圖紙進行圖上模擬作業，經常出現由于理解、表述不同導致進度延誤、返工設計等不良狀況，運用VR/AR技術，將船舶從零件、舾裝、船體到總體設計等原理圖紙進行采集，并搭建虛擬現實平臺對各設備資源進行整合，3D模型的沉浸式展示及虛實結合動態模擬與傳統手段相比可以更有效直觀地展示設計原理、工藝原理、加工流程等，更有效地減緩實施人員的認知偏差，更有效地解決協同工作效率低下的問題，從而縮短船舶制造周期，減少建造成本[2-3]。

2 基于AR/VR的船舶制造車間仿真優化應用研究

2.1 總體設計

VR/AR終端包括VR/AR眼鏡、可展示VR/AR畫面的手機及平板電腦等，這類終端可以直接連接5G網絡，也可通過CPE的無線網絡連接5G網絡，同時也可以通過網線連接5G網關設備連接5G網絡。針對VR/AR的計算量小的數據處理進程，可在本地進行處理，針對計算量大的渲染操作等，可在云端進行處理。總體架構如圖1所示。

圖1 總體架構

2.2 仿真優化系統應用研究

本研究通過對船廠制造車間智能管控需求分析和運行流程兩方面開展技術研究，構建VR/AR綜合演示驗證平臺。依托車間生產設備的三維模型，形成包含設備動作行為控制腳本、通訊標準等在內的虛擬設備對象，建立生產設備三維制造信息模型庫。依托生產設備三維制造信息模型庫，研究并實現支持整線或單元快速定制設計的生產過程VR/AR仿真系統；能夠模擬整線或單元的配置、布局，并將整線或單元配置及運行過程的優化問題抽象成數學模型，開發專用算法進行求解，能夠根據仿真結果對生產設備布局方式、生產流程進行持續優化。同時研究并開發混合現實漫游巡檢系統，開發車間VR三維漫游平臺，平臺具有虛擬現實的沉浸式體驗效果，人可在三維虛擬車間場景中漫游并查看當前車間的真實運行狀態。通過人機交互可點擊每一臺設備，顯示當前設備狀態和訂單信息。開發管加車間AR巡檢系統，產線管理人員佩戴AR眼鏡對產線設備進行掃描識別獲取生產數據，幫助管理人員快速了解產線的生產狀況，掌控設備的信息，呈現的數據主要包括設備狀態和訂單信息[4-5]。

2.3 驗證方法

可通過VR設備漫游查看車間產線、設備、加工制造流程等。通過交互操作可選中每一臺設備，并顯示當前設備狀態（操作時間、加工件數、故障信息、維修人員及電話）和加工信息。可漫游查看船舶產品的加工場景、流程及加工工藝等。通過佩戴AR眼鏡或手持AR設備對產線設備的標簽進行掃描識別獲取生產數據，能幫助管理人員快速了解產線的生產狀況，掌控設備的信息，能夠實時呈現包括設備狀態和加工信息在內的數據。可通過AR設備進行現實場景和虛擬信息（例如三維操作指引、信息提示框、設備裝配原理示例、工藝工法示例等）的融合展示。

網絡條件：在5G環境下實現5G終端、CPE、AR/VR設備等的通信。

軟件環境：服務器端為云服務器或本地服務器，可自由配置操作系統和數據庫等，可針對CPU、硬盤、帶寬等參數進行自由配置和彈性擴容。

前端環境：前端系統為安卓或蘋果系統。

VR設備：頭戴式眼鏡設備。

AR功能：基于AR設備或智能手機與平板進行驗證。

3 總結

本文通過對船舶制造車間VR/AR需求分析，提出一種基于VR/AR的仿真優化應用方案，實現了管理創新，降低船舶制造成本，同時可以啟發其他離散制造行業，推動中國智能制造事業發展。