郭函毓，巫濱

（河南科技大學(xué) 藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院 河南 洛陽(yáng) 471000）

0 引 言

在中國(guó)制造2025強(qiáng)國(guó)建設(shè)戰(zhàn)略、數(shù)字化賦能的智能制造以及不斷提升父系延展技術(shù)的引領(lǐng)下，將數(shù)字世界與物理世界無縫集成的AR技術(shù)在生產(chǎn)線規(guī)劃中呈隆冬蟄伏、當(dāng)春發(fā)生之勢(shì)。人工智能、數(shù)字化賦能及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的創(chuàng)新性發(fā)展使增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在制造業(yè)的柔性發(fā)展如虎添翼，柔性制造為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)能夠?yàn)槿藗兲峁┏F(xiàn)實(shí)感官體驗(yàn)開辟了巨大的生產(chǎn)規(guī)劃可視空間。

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的快速發(fā)展，人們不再陷入大批量生產(chǎn)的價(jià)格紅海，跑出創(chuàng)新加速度的精益制造則是生產(chǎn)線應(yīng)該恪守的法則。雖然仿真虛擬技術(shù)不斷拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，如AR技術(shù)目前已應(yīng)用于體感類娛樂項(xiàng)目——沉浸式虛實(shí)融合，但還不足以滿足玩家的期待，也未能充分發(fā)揮技術(shù)紅利。無論是大型制造工廠還是小型設(shè)備廠家的維護(hù)運(yùn)營(yíng)都存在著共性挑戰(zhàn)，在有限的發(fā)揮空間內(nèi)將信息最大限度地“無縫”集成，實(shí)現(xiàn)隨需生產(chǎn)是一個(gè)亟待解決的問題，而結(jié)合AR技術(shù)的圖像數(shù)據(jù)分析則成為解決該問題的主要途徑。

1 生產(chǎn)線模型對(duì)比分析和目前生產(chǎn)問題

1.1 兩種生產(chǎn)線模型

如圖1所示，基于剛性制造的傳統(tǒng)大規(guī)模生產(chǎn)以流水式智能組裝線為基礎(chǔ)，從傳統(tǒng)智能生產(chǎn)維度層面來說，采用現(xiàn)實(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)輔以圖紙化分析，設(shè)計(jì)批量加工的整體機(jī)械生產(chǎn)線。就生產(chǎn)本身而言，其工位的間距、移動(dòng)空間定位明確，始終保持在二維環(huán)境下以圖紙菜單的形式進(jìn)行交互操作。從智能生產(chǎn)運(yùn)輸維度層面來說，采用定向數(shù)據(jù)機(jī)械鏈條或機(jī)器人傳送井噴式產(chǎn)品，高速生產(chǎn)線與信息存儲(chǔ)后道之間需建立信息倉(cāng)儲(chǔ)緩沖區(qū)，以供機(jī)械運(yùn)輸之用。

圖1 機(jī)械剛性制造生產(chǎn)流程圖

以某制造生產(chǎn)線為研究對(duì)象，首先在計(jì)算機(jī)上建立基于二維世界產(chǎn)品的三維實(shí)體模型，此模型為該柔性生產(chǎn)線在交互設(shè)備上的主模型（主模型數(shù)據(jù)可隨二維世界中實(shí)體物的變化而變化）。其次是對(duì)主模型進(jìn)行二次開發(fā)，借助AR技術(shù)將二維設(shè)計(jì)植入三維真實(shí)環(huán)境中，通過攝像機(jī)尋找位置點(diǎn)，藉由可視化技術(shù)產(chǎn)生另一現(xiàn)實(shí)環(huán)境中不存在的虛擬對(duì)象，并通過傳感技術(shù)將虛擬對(duì)象“放置”到真實(shí)環(huán)境中的恰當(dāng)位置，采用顯示設(shè)備進(jìn)行沉浸式融合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的AR可視化。系統(tǒng)互動(dòng)運(yùn)行后，用戶可直接觀看該產(chǎn)線的三維結(jié)構(gòu)，并將此結(jié)構(gòu)接入到獨(dú)立信息島，由此可響應(yīng)預(yù)知與非預(yù)知變化，同時(shí)解決復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性問題?；贏R仿真的智能制造生產(chǎn)線如圖2所示。

圖2 基于AR仿真的智能制造生產(chǎn)線流程圖

1.2 批量化生產(chǎn)和柔性化生產(chǎn)模式的信息運(yùn)算方法比對(duì)分析

分別從產(chǎn)品生命周期、產(chǎn)業(yè)鏈信息處理、生產(chǎn)模式及數(shù)據(jù)安全性角度進(jìn)行兩種生產(chǎn)模式（批量化生產(chǎn)和柔性化生產(chǎn)）的信息算法比對(duì)分析：

（1）從產(chǎn)品生命周期來看，批量化生產(chǎn)的生產(chǎn)線都有其技術(shù)門檻和行業(yè)壁壘，大多基于專屬模型。但隨著交互技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)壁壘逐漸減弱，對(duì)新模型的建立和迭代更加依賴算力和數(shù)據(jù)，以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)傳輸能力。加強(qiáng)全生產(chǎn)線上下游聯(lián)動(dòng)，左右協(xié)調(diào)以支持執(zhí)行力的提升。

（2）從產(chǎn)業(yè)鏈來看，上游企業(yè)提供的虛擬產(chǎn)線模型或交互系統(tǒng)需要考慮數(shù)據(jù)的即時(shí)性。批量生產(chǎn)各站點(diǎn)之間的輸出，最終會(huì)輸入到遠(yuǎn)距離云端或集中式中心，遠(yuǎn)端的云資源池具有延遲性弊端，而邊緣計(jì)算所依據(jù)的信息實(shí)屬“孤島”，沒有結(jié)合點(diǎn)，通過“獨(dú)立信息島”的處理功能在近設(shè)備層實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的處理，減少部署信息的丟失。

（3）從生產(chǎn)模式來看，在柔性化生產(chǎn)模式下，對(duì)生產(chǎn)的靈活性和智能性要求較高，需要實(shí)現(xiàn)數(shù)字世界與物理世界的無縫集成，具備實(shí)時(shí)優(yōu)化和部署能力。由于邊緣計(jì)算在各個(gè)獨(dú)立的信息島分別存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，沒有足夠的存儲(chǔ)空間來保存大量的數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)生產(chǎn)有井式規(guī)模存儲(chǔ)空間，但缺乏現(xiàn)代化隨需應(yīng)變的速度。

（4）從數(shù)據(jù)安全性連接來看，根據(jù)信息漏斗原則，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用串聯(lián)式輸送，需一并輸入到云端，由于距離較遠(yuǎn)，一次性發(fā)送數(shù)據(jù)量大，存在傳播隔閡。數(shù)據(jù)傳輸線路一旦單線崩潰，所有信息將無法傳輸至數(shù)據(jù)中心，與用戶之間的反饋無法及時(shí)送達(dá)。而邊緣計(jì)算采用并聯(lián)式輸送，最大限度減少了各產(chǎn)線之間的數(shù)據(jù)損耗。

1.3 存在問題

傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)線——恪守工業(yè)中的“自然時(shí)效”法則，存在以下柔性瓶頸：

（1）產(chǎn)品切換時(shí)間長(zhǎng)。從生產(chǎn)維度考慮，傳統(tǒng)生產(chǎn)線往往基于批量加工而設(shè)計(jì)，其工位的間距、移動(dòng)的速度都不能根據(jù)客戶要求做出靈活調(diào)整，對(duì)于新的生產(chǎn)就要重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)，測(cè)試驗(yàn)證，因此無法實(shí)現(xiàn)交互的個(gè)性化調(diào)整。

（2）智能科技化與信息化技術(shù)利用程度不高。從數(shù)據(jù)傳遞維度來看，所有數(shù)據(jù)都需要送回?cái)?shù)據(jù)中心，已有投資無法充分利用，大范圍、跨地區(qū)的管理復(fù)雜，設(shè)備數(shù)據(jù)的收集難度大。從運(yùn)輸維度來看，采用機(jī)械鏈條進(jìn)行智能傳送，但由于齒輪機(jī)器磨損會(huì)導(dǎo)致精度不足，這就要求現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員頻繁地進(jìn)行設(shè)備的點(diǎn)檢。

2 個(gè)性化制造系統(tǒng)管控方法

2.1 基于AR仿真的智能制造生產(chǎn)線

生產(chǎn)線規(guī)劃全域感知，裝配實(shí)時(shí)交互。從生產(chǎn)維度來看，三維實(shí)體模型的數(shù)據(jù)可隨現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物參數(shù)的變化而變化，借助AR技術(shù)將二維設(shè)計(jì)植入三維環(huán)境中，通過易操作的電子設(shè)備（如手機(jī)、平板攝像機(jī)等交互工具），對(duì)信息進(jìn)行“無縫”集成。如圖3所示，將原本在現(xiàn)實(shí)世界一定范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息（視覺信息、位置擺放信息），進(jìn)行模擬仿真后再疊加，將虛擬信息應(yīng)用到真實(shí)世界實(shí)現(xiàn)裝配實(shí)時(shí)交互。

圖3 裝配可視化規(guī)則數(shù)據(jù)圖

2.1.1 柔性化生產(chǎn)模式的信息傳輸

對(duì)于全生產(chǎn)線，在虛擬生產(chǎn)線模型生成后，基于AR的可視化可實(shí)現(xiàn)屏幕群上下游聯(lián)動(dòng)，條塊結(jié)合，直觀展現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)備的三維結(jié)構(gòu)。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息的輸入與輸出中采用了“獨(dú)立信息島”的云邊緣計(jì)算方法，進(jìn)行實(shí)時(shí)的影像分析、分發(fā)處理，及時(shí)反饋線上生產(chǎn)數(shù)據(jù)，邊緣成本的優(yōu)化和安全性得到了連接。

2.1.2 生產(chǎn)線規(guī)劃系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)組合性

產(chǎn)品就像它的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝一樣，隨著時(shí)間的流逝會(huì)變得越來越復(fù)雜，基于AR生產(chǎn)線的交互系統(tǒng)支持“隨需應(yīng)變”“即時(shí)生產(chǎn)”的生產(chǎn)線規(guī)劃方式：

（1）隨需應(yīng)變。通過用戶移動(dòng)端攝像頭對(duì)真實(shí)世界的照射，實(shí)現(xiàn)可視化的生產(chǎn)線布局，將交互信息獨(dú)立于用戶多變的需求與現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)，在AR環(huán)境中支持多用戶協(xié)作的可視化系統(tǒng)，方便了相互溝通，滿足了多樣化需求，集成端對(duì)端的協(xié)作處理，經(jīng)過條塊結(jié)合的信息傳遞，分析出模擬布局規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)隨需應(yīng)變。

（2）即時(shí)生產(chǎn)。智能制造生產(chǎn)線規(guī)劃中條塊結(jié)合的模式加快了各交互用戶之間的傳輸速度，高水平企業(yè)和制造系統(tǒng)之間的斷層制約了上下游聯(lián)動(dòng)，左右協(xié)調(diào)的條塊部分的實(shí)時(shí)交互模式，對(duì)于動(dòng)態(tài)變量產(chǎn)線在精益中的換型是無效的，而快速的換型才能降低這方面的損失。

2.2 研究機(jī)構(gòu)方法比對(duì)

在AR可視化仿真系統(tǒng)方面，典型的事例是2015年太虛引擎自主研發(fā)的平臺(tái)插件與其他軟件的應(yīng)用對(duì)比。在高功能多密集物品交疊的環(huán)境下，太虛AR引擎軟件識(shí)別的對(duì)象在狀態(tài)穩(wěn)定且多角度變換時(shí)仍然存在，可隨時(shí)模擬出對(duì)象周圍的仿真感，如圖4（a）所示；其余AR引擎軟件識(shí)別的對(duì)象則不穩(wěn)定，如圖4（b）所示。

圖4 軟件模型識(shí)別對(duì)比

在低功能分散物品無交疊的環(huán)境下，太虛AR引擎軟件識(shí)別下的汽車狀態(tài)穩(wěn)定，如圖5（a）所示；其余AR引擎軟件識(shí)別下的汽車較易受周圍環(huán)境的影響，無法使用戶產(chǎn)生良好的仿真體驗(yàn)，如圖5（b）所示。

圖5 軟件模型識(shí)別對(duì)比

在進(jìn)行遠(yuǎn)近距離和淺層角度仿真時(shí)，對(duì)比軟件如圖6（b）所示狀態(tài)依舊不穩(wěn)定，在進(jìn)行淺層次觀察時(shí)，其并未與所攝環(huán)境結(jié)合，以個(gè)體存在，桌椅懸空，交互感全無。如圖6（a）所示的虛擬對(duì)象狀態(tài)依舊穩(wěn)定，且能夠近距離或淺層次觀察虛擬物品的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。

圖6 軟件模型識(shí)別對(duì)比

當(dāng)檢測(cè)反光面狀態(tài)時(shí)，能夠與所攝環(huán)境融合起來，真正做到將虛擬對(duì)象仿真化，虛擬物品會(huì)隨周圍光線的變化而變化，模擬真實(shí)環(huán)境下的存在關(guān)系，如圖7（a）所示。如圖7（b）所示則無法進(jìn)行光線處理，隨著鏡頭的移動(dòng)，不僅無法看到物品在所攝環(huán)境下的渲染狀態(tài)，而且狀態(tài)不穩(wěn)定。

圖7 軟件模型識(shí)別對(duì)比

在生產(chǎn)線規(guī)劃系統(tǒng)動(dòng)態(tài)組合方面，典型的事例是達(dá)索系統(tǒng)支持雷神山醫(yī)院污染擴(kuò)散的仿真計(jì)算。2020年3月用于雷神山醫(yī)院內(nèi)部項(xiàng)目的仿真計(jì)算，借助3D EXPERIENCE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)功能，對(duì)設(shè)備上的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的收集和分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施特點(diǎn)，進(jìn)行流體力學(xué)仿真計(jì)算，依據(jù)仿真結(jié)果給現(xiàn)場(chǎng)醫(yī)護(hù)人員提出站位意見，最大限度減少交叉感染，如圖8所示。

圖8 污染擴(kuò)散的仿真驗(yàn)證

3 結(jié) 論

綜上所述，針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械生產(chǎn)線遇到的柔性瓶頸，從AR技術(shù)的發(fā)展背景來看，在當(dāng)今快速變化的市場(chǎng)中，智能制造技術(shù)如何賦能生產(chǎn)線是工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵，工業(yè)生產(chǎn)信息化中智能制造的發(fā)展趨勢(shì)是由剛性制造漸趨轉(zhuǎn)向柔性生產(chǎn)制造。從應(yīng)用市場(chǎng)來看，國(guó)外多家巨頭生產(chǎn)公司已經(jīng)開展了探索活動(dòng)，例如在電纜組裝過程中采用了智能眼鏡以及可穿戴設(shè)備，對(duì)產(chǎn)品的維護(hù)檢查以及故障維修工作中都不同程度地用到了智能技術(shù)。因此，從應(yīng)用趨勢(shì)來看，機(jī)器視覺市場(chǎng)也在逐步擴(kuò)大，而其在制造生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用則愈發(fā)深入，對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行個(gè)性化處理，讓瑕疵無所遁形。

結(jié)合三維數(shù)字化解決各類工業(yè)生產(chǎn)線規(guī)劃過程中的黑箱問題，擺脫傳統(tǒng)固化的設(shè)計(jì)流程，基于AR仿真的智能制造生產(chǎn)線規(guī)劃系統(tǒng)流程運(yùn)行流暢，能較為直觀地展現(xiàn)生產(chǎn)線規(guī)劃線路的整體三維布局，使生產(chǎn)線更接近于無紙化工作環(huán)境，從而降低生產(chǎn)線方案設(shè)計(jì)前期的試錯(cuò)成本，也減少了對(duì)傳統(tǒng)指導(dǎo)手冊(cè)和藍(lán)圖的依賴。