吳飛　黃威

摘 要：由于水泥生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣、生產(chǎn)過(guò)程中使用的設(shè)備種類繁多、到現(xiàn)場(chǎng)參與實(shí)習(xí)的費(fèi)用巨大以及到現(xiàn)場(chǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)較高等問(wèn)題，學(xué)生無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法了解水泥生產(chǎn)設(shè)備的組成和工作原理，也無(wú)法真正了解水泥生產(chǎn)的工藝流程。為解決以上問(wèn)題，通過(guò)功能強(qiáng)大的Unity 3D三維引擎，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了一套基于VR（Virtual Reality）技術(shù)的三維虛擬水泥生產(chǎn)裝備仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該虛擬仿真系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地展示相關(guān)的裝備知識(shí)及工藝流程，同時(shí)能提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)水平。

關(guān)鍵詞：水泥生產(chǎn)裝備;虛擬現(xiàn)實(shí);實(shí)驗(yàn)教學(xué);Unity 3D技術(shù)

1 引言

水泥的生產(chǎn)工藝極其復(fù)雜，涉及破碎、粉磨、均化、預(yù)熱、煅燒、冷卻等工藝流程，生產(chǎn)過(guò)程運(yùn)用多種大型設(shè)備，涉及顎式破碎機(jī)、立式磨、均化庫(kù)、旋風(fēng)式懸浮預(yù)熱器、分解爐、回轉(zhuǎn)窯、篦式冷卻機(jī)、增濕塔、球磨機(jī)、電除塵器等，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)為高溫、高粉塵、高噪聲的惡劣環(huán)境[1]，生產(chǎn)企業(yè)基本不接受在校學(xué)生現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)，且即使學(xué)生到達(dá)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，也只能觀察到大型設(shè)備的部分外觀，無(wú)法深入了解水泥生產(chǎn)設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，更無(wú)法真切了解水泥生產(chǎn)的工藝流程，而學(xué)校實(shí)驗(yàn)室則不可能建設(shè)真實(shí)的水泥生產(chǎn)線，真實(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)根本無(wú)法搭建。

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality， VR）技術(shù)是仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù)的交叉技術(shù)，它具有： 交互性、多媒體信息感知性、沉浸感、自主性等特點(diǎn)[2]。利用VR技術(shù)可以用可靠安全和經(jīng)濟(jì)的逼真虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目替代了高危險(xiǎn)性、高成本和部分不可操作的實(shí)物實(shí)驗(yàn)。自2013年教育部啟動(dòng)全國(guó)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心建設(shè)以來(lái)，許多高校相繼開(kāi)展建設(shè)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，VR技術(shù)技術(shù)在工學(xué)、理學(xué)、農(nóng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、管理學(xué)等11個(gè)主要學(xué)科領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用[3-6]。

本項(xiàng)目以真實(shí)現(xiàn)代化大型水泥生產(chǎn)企業(yè)線為原型，利用虛擬仿真技術(shù)直觀展現(xiàn)當(dāng)前最先進(jìn)的新型干法水泥生產(chǎn)工藝。綜合運(yùn)用水泥生產(chǎn)工藝流程認(rèn)知、關(guān)鍵設(shè)備結(jié)構(gòu)認(rèn)知與分析等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生在虛擬仿真環(huán)境中完成對(duì)新型干法水泥生產(chǎn)工藝與裝備從認(rèn)識(shí)分析到實(shí)踐學(xué)習(xí)全過(guò)程。另外，該項(xiàng)目已獲批2018年國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2 開(kāi)發(fā)工具及開(kāi)發(fā)流程

Unity3D游戲開(kāi)發(fā)工具能輕松創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等互動(dòng)內(nèi)容[7]。將Unity3D應(yīng)用于三維虛擬水泥生產(chǎn)裝備仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)能提高虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的仿真程度。

虛擬仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程有：建模、交互設(shè)計(jì)、測(cè)試與修改等，如圖1所示。

2.1 水泥廠場(chǎng)景模型建模

在水泥廠場(chǎng)景模型建模前，首先拍攝和搜集了水泥廠實(shí)物照片，并對(duì)照其三維實(shí)物模型確定其各尺寸數(shù)據(jù)。

整個(gè)虛擬仿真系統(tǒng)的逼真程度由場(chǎng)景模型的建模、貼圖和渲染等效果直接決定。常見(jiàn)的建模軟件有SolidWorks、AutoCAD、Sketch、Maya、3Ds Max等。綜合考慮建模逼真程度、學(xué)習(xí)難易程度、硬件系統(tǒng)要求等因素，開(kāi)發(fā)過(guò)程中選擇使用3Ds Max建模。

在完成模型建模和相應(yīng)的模型貼圖后，將模型格式轉(zhuǎn)化為Unity3D引擎所支持的.fbx格式，以便后續(xù)添加交互操作。

2.2 交互設(shè)計(jì)

在Unity3D工程中，三維模型以及相應(yīng)的模型貼圖都存放在Assert文件夾中。在向模型添加交互前將前期準(zhǔn)備好的模型和貼圖導(dǎo)入Assert文件夾，Unity3D會(huì)自動(dòng)兼容這些資源的格式。

作為用戶的第一印象，UI界面的設(shè)計(jì)很重要。在本系統(tǒng)中，使用UGUI控件來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的界面設(shè)計(jì)。其中的窗口、按鈕、輸入框、文本框等外觀則由Photoshop繪制，繪制完成后將資源導(dǎo)入Assert文件夾中以備使用。

為了防止操作兩個(gè)對(duì)象時(shí)出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，需要在虛擬環(huán)境中使用碰撞檢測(cè)技術(shù)。常見(jiàn)的碰撞檢測(cè)方法可從時(shí)間域和空間域兩個(gè)角度歸類，從時(shí)間域角度可分為靜態(tài)碰撞檢測(cè)算法、離散碰撞檢測(cè)算法和連續(xù)碰撞檢測(cè)算法，從空間域角度可分為物體空間和圖像空間兩個(gè)方向，其中物體空間方向有均勻劃分、八叉樹(shù)、BSP樹(shù)、包圍盒等碰撞檢測(cè)算法[8]。由于包圍盒算法能將碰撞的測(cè)試時(shí)間復(fù)雜度降為[9]。因此在本系統(tǒng)中使用常見(jiàn)的包圍盒算法來(lái)對(duì)物體對(duì)象進(jìn)行碰撞檢測(cè)。

為了使以上的資源在Unity3D擁有動(dòng)態(tài)的行為，還需要編寫相應(yīng)的腳本程序。在Unity3D中編寫腳本程序可使用的是其內(nèi)部集成的MonoDevelop編輯器，而腳本語(yǔ)言則用C#和JavaScript語(yǔ)言編寫。

2.3 測(cè)試與修改

交互設(shè)計(jì)完成后，需要將系統(tǒng)按照需求在Unity3D的界面File菜單中Build Setting設(shè)置生成應(yīng)用程序，以便后續(xù)的測(cè)試與修改[10]。測(cè)試主要是為了檢查交互設(shè)計(jì)中的功能是否運(yùn)行正常、操作過(guò)程中是否存在Bug、UI界面是否協(xié)調(diào)等。測(cè)試中發(fā)現(xiàn)不合理的地方只需返回交互設(shè)計(jì)中的相應(yīng)部分修改。完成測(cè)試與修改部分后即可發(fā)布應(yīng)用程序完成系統(tǒng)。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體框架

水泥生產(chǎn)工藝復(fù)雜，裝備眾多，相比其他單一功能的虛擬仿真系統(tǒng)，水泥生產(chǎn)裝備虛擬仿真系統(tǒng)需要能實(shí)現(xiàn)多種實(shí)驗(yàn)以適應(yīng)教學(xué)需求。在水泥生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)中，各實(shí)驗(yàn)之間相互聯(lián)系小，可獨(dú)立成一個(gè)模塊。本文的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)如圖2所示。由圖可看出，本文的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，用戶可通過(guò)輸入/輸出設(shè)備（鼠標(biāo)、鍵盤等）在圖形用戶界面（GUI）進(jìn)入其中一個(gè)獨(dú)立的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，在有序完成該實(shí)驗(yàn)各步驟后才能正常退出。

3.2 實(shí)驗(yàn)功能模塊設(shè)計(jì)

本文的虛擬仿真系統(tǒng)現(xiàn)包括漫游功能和顎式破碎機(jī)仿真兩個(gè)主要功能模塊，在后續(xù)也可在已有的基礎(chǔ)上根據(jù)需求開(kāi)發(fā)出新的功能模塊，其總體功能規(guī)劃圖如下圖3所示。

3.2.1 漫游功能

漫游模式中使用者可改變觀察距離及角度，以便宏觀了解新型水泥生產(chǎn)線的基本構(gòu)成。漫游模式主界面圖如圖4所示。

漫游模式設(shè)計(jì)為：流程漫游、場(chǎng)景俯視、上帝視角和自由漫游四個(gè)功能。流程漫游中配有畫面及語(yǔ)音講解，以便熟悉新型水泥生產(chǎn)工藝流程、設(shè)備結(jié)構(gòu)組成、設(shè)備工作原理及物料發(fā)生的物理化學(xué)變化情況。場(chǎng)景俯視中可直觀地觀察水泥生產(chǎn)企業(yè)的設(shè)備布局及工藝流程。上帝視角中能對(duì)整個(gè)廠區(qū)的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)和平移等操作。自由漫游中可以使用類似網(wǎng)絡(luò)游戲的操作模式，完成在虛擬廠區(qū)的自由走動(dòng)，自行選擇學(xué)習(xí)和觀察對(duì)象。

查看感興趣的設(shè)備時(shí)，可進(jìn)入三維模型展示區(qū)，并能對(duì)三維模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作。如圖5左側(cè)為顎式破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)展示，右側(cè)為知識(shí)點(diǎn)查看區(qū)。知識(shí)點(diǎn)查看區(qū)中展示該設(shè)備的用途、結(jié)構(gòu)及工作原理、主要類型、實(shí)物圖片和視頻動(dòng)畫。

3.2.2 顎式破碎機(jī)拆裝及設(shè)計(jì)

顎式破碎機(jī)拆裝及設(shè)計(jì)模塊設(shè)計(jì)為爆炸圖、引導(dǎo)式分步拆裝、自主拆裝和關(guān)鍵設(shè)計(jì)尺寸等不同的模式。顎式破碎機(jī)拆裝及設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中可通過(guò)爆炸圖模式直觀地了解破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)組成，然后以觀察破碎機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真動(dòng)畫、查看文字資料等方式學(xué)習(xí)顎式破碎機(jī)工作原理，如圖6所示為顎式破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)展示爆炸圖。

引導(dǎo)式分步拆裝模式中引導(dǎo)學(xué)習(xí)拆裝基本知識(shí)，進(jìn)行分步拆裝訓(xùn)練，在掌握破碎機(jī)結(jié)構(gòu)組成、零部件之間的裝配關(guān)系及正確的拆裝順序后，方可自主拆裝，起到教學(xué)示范作用。

關(guān)鍵尺寸設(shè)計(jì)模塊中主要是對(duì)嚙角、動(dòng)顎水平行程、偏心距、連桿、動(dòng)顎長(zhǎng)度和推力板長(zhǎng)度五個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。由于關(guān)鍵參數(shù)在設(shè)計(jì)和計(jì)算過(guò)程中具有一定的先后關(guān)系，因此必須按照嚙角-動(dòng)顎水平行程-偏心距-連桿、動(dòng)顎長(zhǎng)度-推力板長(zhǎng)度的先后順序依次進(jìn)行計(jì)算。如圖7所示，為嚙角的設(shè)計(jì)懸浮框。

通過(guò)類似形式，可完成動(dòng)顎水平行程、偏心距、連桿、動(dòng)顎長(zhǎng)度和推力板長(zhǎng)度的尺寸設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目場(chǎng)景中，通過(guò)無(wú)死角查看新型干法水泥生產(chǎn)各設(shè)備組成結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)過(guò)程，并結(jié)合文字、圖片、語(yǔ)音等資料，學(xué)習(xí)設(shè)備用途、結(jié)構(gòu)及工作原理等內(nèi)容，配合透過(guò)設(shè)備外觀觀察到的設(shè)備內(nèi)部物料發(fā)生的物理、化學(xué)變化，掌握水泥生產(chǎn)工藝流程，不僅減少了經(jīng)費(fèi)投入、節(jié)約了場(chǎng)地，同時(shí)還避免了去現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)的安全風(fēng)險(xiǎn)，更重要的是該系統(tǒng)能夠不受時(shí)間和空間的限制，準(zhǔn)確、直觀地展示教學(xué)內(nèi)容，提升了教學(xué)質(zhì)量。

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