交互式虛擬環(huán)境下的工廠規(guī)劃與車間布局

戴大蒙

溫州大學(xué)，溫州，325035

交互式虛擬環(huán)境下的工廠規(guī)劃與車間布局

戴大蒙

溫州大學(xué)，溫州，325035

通過建立具備物理模型、邏輯模型和運動學(xué)模型屬性的設(shè)備資源庫，借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)快速搭建虛擬工廠與車間，采用遺傳算法實現(xiàn)車間布局優(yōu)化，構(gòu)造了基于3D虛擬環(huán)境下的原型系統(tǒng)。實踐表明，系統(tǒng)構(gòu)造的低成本、高效率、體驗式設(shè)計平臺能有效地提升工廠規(guī)劃布局的合理性。

虛擬現(xiàn)實；工廠規(guī)劃；布局優(yōu)化；交互仿真設(shè)計

0 引言

現(xiàn)代工廠很注重成本控制和效率提升，生產(chǎn)環(huán)境的合理布局不僅能降低運行成本和維護(hù)費用，提高設(shè)備利用率，還能有效改善生產(chǎn)系統(tǒng)的快速重組，提高企業(yè)的快速響應(yīng)能力［1］。傳統(tǒng)的工廠規(guī)劃一般僅針對某個優(yōu)化目的，運用數(shù)學(xué)建模、圖論等優(yōu)化方法進(jìn)行求解［2］和仿真，得出文字化的改善建議或簡單的設(shè)備平面布局圖，由于無法模擬企業(yè)真實的工作環(huán)境，無法對生產(chǎn)線進(jìn)行三維動態(tài)仿真，缺乏全面準(zhǔn)確的設(shè)備資源模型數(shù)據(jù)，因此操作繁瑣抽象，規(guī)劃方案也很難有實踐指導(dǎo)意義。

虛擬現(xiàn)實是最近快速發(fā)展起來的計算機(jī)仿真設(shè)計技術(shù)，它在不消耗任何物理資源的前提下提供數(shù)字化的虛擬3D空間，已成為規(guī)劃設(shè)計的一項新技術(shù)。虛擬工廠采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來動態(tài)模擬產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程，仿真制造系統(tǒng)的各種狀態(tài)，為產(chǎn)品開發(fā)、工藝改進(jìn)及廠房規(guī)劃等提供一個設(shè)計檢驗平臺，從而幫助規(guī)劃人員和決策者作出前瞻性的決策和優(yōu)化的實施方案。

虛擬工廠的規(guī)劃仿真通常借助于國外商用軟件Delmia／QUEST、Em－plant等進(jìn)行。最主要的缺陷在于：①缺乏在逼真的虛擬環(huán)境下對工廠規(guī)劃進(jìn)行交互設(shè)計［3］；②在車間布局方面停留在桌面式的虛擬環(huán)境下，工人不能“沉浸”車間中，無法體驗工位舒適度等。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建包括物理模型、邏輯模型和運動學(xué)模型三大對象在內(nèi)的設(shè)備資源庫，并采用遺傳算法實現(xiàn)虛擬工廠的車間布局優(yōu)化，最后設(shè)計開發(fā)了一套提供實時交互功能的虛擬工廠布局規(guī)劃體驗原型系統(tǒng)，利用其1∶1沉浸式虛擬環(huán)境，讓設(shè)計者真實體驗和感受設(shè)備布局的效果，為新廠房的建立以及廠房的調(diào)整與改善提供預(yù)分析和規(guī)劃的工具，為生產(chǎn)過程優(yōu)化提供真實的仿真環(huán)境支持。

1 設(shè)備資源庫的構(gòu)建

設(shè)備資源庫是能快速地對虛擬工廠中的車間設(shè)備進(jìn)行交互設(shè)計、布局規(guī)劃的基礎(chǔ)，已有的方法往往注重基于物理模型的三維環(huán)境體驗［4］或者強(qiáng)調(diào)邏輯模型的仿真［5－6］，對設(shè)備資源缺乏完備的模型定義。一旦物理模型缺乏與其附屬設(shè)備的邏輯定義，在調(diào)整過程中，物理模型就容易與其他設(shè)備發(fā)生碰撞干涉；同樣，單純邏輯模型的定義也往往無法滿足在虛擬場景中對布局的三維效果進(jìn)行體驗的需求。本文構(gòu)建的資源庫則具備物理模型、邏輯模型和運動學(xué)模型三大對象，表示為｛GM，LM，AM｝。這種建模方式便于用戶從各個視角對生產(chǎn)線的生產(chǎn)情況進(jìn)行整體或局部觀察，以動畫形式模擬生產(chǎn)線上各設(shè)備或工位之間的有序流動，達(dá)到快速地對虛擬工廠中的車間設(shè)備進(jìn)行布局規(guī)劃與邏輯仿真的目的。

1.1 物理模型

主流商用虛擬現(xiàn)實軟件中的物理模型過于粗糙并缺乏真實感。為了達(dá)到逼真地在虛擬現(xiàn)實環(huán)境中體驗虛擬工廠車間的效果，本文構(gòu)建物理模型的過程是，利用3DSMAX建模技術(shù)創(chuàng)建三維模型并賦予逼真的材質(zhì)，通過OSG軟件引擎［7］進(jìn)行統(tǒng)一的格式轉(zhuǎn)化，得到包括幾何和紋理信息的真實感物理模型數(shù)據(jù)。通過建模技術(shù)對真實工廠的制造資源和工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立真實工廠的數(shù)字化模型。此處的物理模型用來表示工廠中一些常用的車間設(shè)備，并且根據(jù)設(shè)備的功能、用途進(jìn)行分類，便于規(guī)劃布局時的快速查找布置，如生產(chǎn)設(shè)備、加工設(shè)備、運輸設(shè)備，存儲設(shè)備等，部分設(shè)備物理模型見圖1。

1.2 邏輯模型

對于各種設(shè)備的模型，除了應(yīng)具有幾何信息外，更重要的是要為其建立邏輯模型。當(dāng)車間布局完成后，生產(chǎn)線上的設(shè)備會根據(jù)生產(chǎn)需要進(jìn)行位置調(diào)整，在設(shè)備調(diào)整過程中，規(guī)劃人員需要考慮相關(guān)聯(lián)設(shè)備的制造能力及加工屬性。由于存在很多關(guān)聯(lián)信息，移動設(shè)備有很多約束限制，故對某些對象進(jìn)行獨立操作很難得到合適的車間布局。只有當(dāng)虛擬實體對象表現(xiàn)出與其實際對象相一致的邏輯行為時，虛擬世界才會顯得真實可信，用戶才會沉浸其中。因此，我們在最初的車間布局設(shè)計時就考慮設(shè)備的各種屬性，邏輯模型負(fù)責(zé)管理車間布局中用到的各種信息，并能實現(xiàn)設(shè)備之間相關(guān)屬性的關(guān)聯(lián)［8］。在此邏輯模型定義為

其中，LM（p）為虛擬車間p上的邏輯模型集合；pu（p）為虛擬車間上的物理模型集；L（p）為物理模型間的邏輯鏈接，它表示了模型間的相互協(xié)調(diào)、約束、反饋關(guān)系，定義為L＝ ｛〈v，w〉｜v，w∈pu∧p（v，w）｝，〈v，w〉表示從物理模型v到物理模型w的鏈接，謂詞p（v，w）定義了鏈接〈v，w〉的信息。

1.3 運動學(xué)模型

靜態(tài)的三維模型反映物理實體的形態(tài)、位置、加工關(guān)系等內(nèi)容，而無法模擬設(shè)備對工件的真實操作行為，使得仿真行為缺乏真實感。為了真實模擬生產(chǎn)線系統(tǒng)的動態(tài)生產(chǎn)過程，還要為一些設(shè)備創(chuàng)建運動學(xué)模型。在生產(chǎn)線系統(tǒng)中，設(shè)備類在進(jìn)行加工行為時，設(shè)備上某一結(jié)構(gòu)部件發(fā)生相對運動，對工件實施特定的生產(chǎn)動作。因此創(chuàng)建運動學(xué)模型時，需要重點考慮設(shè)備的結(jié)構(gòu)部件組成、各結(jié)構(gòu)部件的自由度、運動方式三方面的因素。在本文構(gòu)建的資源庫中，設(shè)備運動學(xué)模型數(shù)據(jù)定義為

其中，lc（p）、wc（p）、pc（p）分別表示模型的局部自身坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系、加工坐標(biāo)系；物體在平移和旋轉(zhuǎn)方向上的自由度用dof（p）＝ ｛x，y，z，φrotx，φroty，φrotz｝表示（φrotx、φroty、φrotz分別表示繞x、y、z軸旋轉(zhuǎn)的角度）；script（p）＝ ｛a，s，f，t｝表示動畫腳本，包含行為a、幅度s、頻率f和時間t。幾何模型反映物理實體的幾何形態(tài)，自身坐標(biāo)系定義物理實體模型在建模仿真環(huán)境中或者其他實體模型上出現(xiàn)的位置，加工坐標(biāo)系定義被加工件出現(xiàn)在自身模型上的位置。用特殊標(biāo)記來表示自身坐標(biāo)系和加工坐標(biāo)系的參考點位置。在交互設(shè)計或仿真模擬時，通過遍歷場景樹節(jié)點來確定坐標(biāo)點位置。

2 車間布局優(yōu)化

車間布局指按照一定的原則在設(shè)備和車間內(nèi)部空間的約束下，對車間內(nèi)各組成單元以及生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行合理的布置，使它們之間的生產(chǎn)配合關(guān)系最優(yōu)，設(shè)備的利用率最高，物料運送代價最小。虛擬車間布局是在實際車間布局實施之前，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行仿真體驗并驗證其合理性。

2.1 優(yōu)化目標(biāo)及約束條件

為了尋求生產(chǎn)系統(tǒng)的最優(yōu)運行結(jié)果，必須在系統(tǒng)設(shè)計時優(yōu)化其布置方法。已知布局車間的運量矩陣和設(shè)備間運輸距離矩陣分別為

因此，布局優(yōu)化的最終目標(biāo)是求得最小的物流費用：

2.2 基于遺傳算法的車間布局

本文采用遺傳算法確定車間設(shè)備布局的最優(yōu)方案［10］。根據(jù)設(shè)備局部優(yōu)化設(shè)計的要求，設(shè)計兩組染色體表示設(shè)備在車間中的坐標(biāo)位置，即

若取遺傳群體容量為N，則首先應(yīng)在X、Y各自取值的范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生N對X和Y染色體，并依據(jù)約束條件對所產(chǎn)生的染色體進(jìn)行檢驗，去除不符合約束條件的染色體，進(jìn)一步補充符合約束條件的染色體，直至其容量達(dá)到N。然后根據(jù)式（4）計算每對染色體的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)值。遺傳過程中，選出當(dāng)前一代中最為優(yōu)秀的若干對染色體作為繁殖后代的雙親，形成交配池，并通過遺傳算子產(chǎn)生一些新的染色體，形成下一代染色體組群。通常遺傳算子包括交叉和變異兩種，交叉表現(xiàn)了利用優(yōu)良染色體進(jìn)行雜交產(chǎn)生新個體的隨機(jī)過程，變異模擬了生物進(jìn)化過程中的偶然基因突變現(xiàn)象。對于式（11）中的一對染色體X和Y，可分別對它們進(jìn)行交叉運算，即首先隨機(jī)地從交配池中取出兩個染色體Xi和Yi，再隨機(jī)生成一個交叉位置，將交叉位置左右兩邊的基因互易其位，從而得到一對新的染色體。假設(shè)有兩組染色體Xi和Xj：

對于選中變異的基因，其值由一個隨機(jī)數(shù)或當(dāng)前數(shù)的110%或90%替代。直至迭代次數(shù)達(dá)到規(guī)定的遺傳代數(shù)，最后將群體中滿足最優(yōu)條件式（4）的染色體作為解值。

2.3 車間實例

以某車間（長×寬為18m×20m）要安放12臺（4類）加工設(shè)備與兩固定約束區(qū)域（Dk1，Dk2）為例，進(jìn)行車間布局的優(yōu)化計算并驗證所提算法的有效性。按照工件的加工工藝，通過調(diào)研統(tǒng)計，某個時間段的設(shè)備間物流量矩陣為

按照式（11）設(shè)計兩組染色體，并取遺傳算法的參數(shù)為：群體容量N＝100，交叉概率0.8，變異概率0.005，遺傳代數(shù)200，進(jìn)行車間布局的設(shè)計計算?？紤]到操作空間問題，取設(shè)備在X方向和Y方向上的最小間距均為0.5m，即dxij＝0.5，dyij＝0.5。求得最優(yōu)解產(chǎn)生代數(shù)123，最小耗費12 124.5，各設(shè)備中心坐標(biāo)為

從而確定設(shè)備的布局位置如圖2所示。

圖2 車間設(shè)備布局虛擬場景

通過分析給定的物流量條件f可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)備6與設(shè)備11、設(shè)備4的物流量最大，分別為47和39，圖2中給出的展示結(jié)果也表明這兩臺設(shè)備被布置在與設(shè)備6的相鄰位置，以此來降低車間的物料傳輸費用。通過遺傳算法得到的車間的布局方案在其實施之前，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行仿真、模擬和優(yōu)化，因而車間布局更具有可靠性和實用性。

3 3D虛擬交互規(guī)劃仿真環(huán)境

在本文提供的交互式虛擬規(guī)劃仿真環(huán)境中，由于提供了具備邏輯和運動屬性的設(shè)備資源庫，設(shè)計者可以像在真實的物理世界中一樣觀察和操縱布局設(shè)備，同時對工廠、加工生產(chǎn)線的布局是否合理進(jìn)行提前檢測并實時修整，從而能夠給后續(xù)的工廠實際建造工程起到更好的指導(dǎo)作用。

3.1 硬件平臺

針對現(xiàn)有昂貴的虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備系統(tǒng)，本文提出一個廉價且具有逼真效果的虛擬現(xiàn)實交互系統(tǒng)平臺，其基本硬件架構(gòu)由ART頭部跟蹤系統(tǒng)（紅外攝像頭和Dtrack服務(wù)器）、背投影機(jī)、投影幕、三維鼠標(biāo)、無線鼠標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、PC機(jī)等設(shè)備組成，其連接關(guān)系如圖3所示。

與目前流行的三維環(huán)幕投影和球面CAVE投影顯示系統(tǒng)相比，項目組搭建的兩臺疊加背投式單通道立體投影系統(tǒng)的造價大概是前者的十分之一，由于采用背投技術(shù)，重建了相關(guān)模型與算法，其立體效果還勝過前者。具體表現(xiàn)如下：

（1）高質(zhì)量的立體顯示效果。投影系統(tǒng)的首要任務(wù)是模擬人的雙眼，生成符合深度感要求的左右眼圖像，關(guān)鍵技術(shù)在于建立精確的雙目投影數(shù)學(xué)模型?？紤]到物體空間位置改變或者視點位置發(fā)生變化時將造成因為位差太小而使立體感不

圖3 交互式虛擬環(huán)境的硬件平臺架構(gòu)

其中，d表示位差參數(shù)，主要用來控制位差的大?。沪缺硎緩埥牵瑓?shù)λ表示視窗寬度比例。在該模型中，系統(tǒng)可以隨著視點到物體中心點之間的距離d′的變化動態(tài)地調(diào)節(jié)λ，達(dá)到觀察者想要的高質(zhì)量立體顯示效果。

（2）逼真的立體渲染效果。一般立體渲染系統(tǒng)設(shè)置的默認(rèn)視點相對于投影屏幕是靜態(tài)不變的，這忽視了基礎(chǔ)理論提出的“最終繪制的正確立體結(jié)果只對應(yīng)一個視點位置”。本系統(tǒng)通過跟蹤人眼位置，使得渲染的圖像會隨著人眼的位置變換而變化，同時保證立體渲染效果與操作者立體眼鏡上跟蹤點的位置一一對應(yīng)，從而達(dá)到逼真的立體渲染效果。

（3）能獲得虛擬物體1∶1尺寸感覺的渲染效果。傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)不具有尺寸真實的渲染效果。由于本系統(tǒng)能根據(jù)跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確地確定視點的位置，所以能精確地計算出對應(yīng)投影屏幕位置1∶1的投影效果。

3.2 軟件引擎

為了能實現(xiàn)一個高效的虛擬仿真環(huán)境，后臺系統(tǒng)必須要有一個優(yōu)秀的虛擬仿真引擎支持。本文基于OSG開發(fā)庫［7］，自行開發(fā)一套VR引擎，在硬件架構(gòu)環(huán)境中實現(xiàn)虛擬工廠與車間的交互式設(shè)計操作。OSG通過場景圖把各場景及其屬性組織成一棵場景樹，具有高效的場景管理和實時渲染性能。強(qiáng)，或者位差太大而產(chǎn)生重影、引起視覺疲勞等不良效果等因素，本系統(tǒng)提出根據(jù)實際場景大小及觀察者的位置對位差和視覺深度進(jìn)行控制，以實現(xiàn)更加逼真的立體視覺效果。建立的模型如下：

如圖4所示，場景圖中的根節(jié)點是整個仿真場景的縮影，子節(jié)點表示場景中的每一個對象或位置、狀態(tài)等屬性，葉子節(jié)點代表物理對象本身即可繪制的幾何模型。由于虛擬工廠中的車間廠房和生產(chǎn)線上的基本要素都是采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)存儲在庫中，為了便于對這些模型對象進(jìn)行交互操作，我們將每個對象都作為場景圖中的一個Geode節(jié)點，該節(jié)點下掛著一個可繪制子節(jié)點，即最終可繪制（Drawable）的幾何數(shù)據(jù)。而用戶對這些模型對象進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)操作時，只要修改節(jié)點的變換矩陣（Matrix Transform）屬性即可。對于車間中一些設(shè)備的約束關(guān)系，如相對位置偏移等，只要為該對象增加變換矩陣節(jié)點，然后將操作對象掛到該變換矩陣節(jié)點下即可。父對象的修改操作影響所有孩子節(jié)點的狀態(tài)。

圖4 虛擬對象的層次場景樹

3.3 虛擬工廠體驗

根據(jù)工廠布局規(guī)劃方案，用戶可以從資源庫中選擇廠房車間模型，可以對模型進(jìn)行長、寬、高的屬性設(shè)置來確定模型大小。通過工位規(guī)劃選擇車間設(shè)備，根據(jù)算法得到的初始布局位置，用戶可以在場景中進(jìn)行實時地調(diào)整。區(qū)別于桌面式的三維場景，用戶可以體驗場景的空間布局，空間是否有浪費，工位布局是否舒適合理等。虛擬現(xiàn)實環(huán)境下，對三維場景的每一步交互操作，設(shè)計者都是以1∶1的方式來體驗廠房或設(shè)備的實際尺寸和空間布局的，因此用戶能夠切身感受自身與機(jī)器設(shè)備的空間距離，并根據(jù)自身的體驗來實時地調(diào)整規(guī)劃布局，最終獲得規(guī)劃方案的各種布局?jǐn)?shù)據(jù)。

4 結(jié)論

本文提出了一個廉價的軟硬架構(gòu)下的虛擬現(xiàn)實環(huán)境，研究了設(shè)備資源庫的構(gòu)建并采用遺傳算法進(jìn)行車間布局優(yōu)化，實現(xiàn)了相應(yīng)的交互設(shè)計體驗平臺。實踐證明，用戶可以在該平臺上快速搭建虛擬工廠與車間，方便地進(jìn)行初次定位、交互設(shè)計、仿真與漫游，身臨其境地進(jìn)行體驗分析，從而為企業(yè)數(shù)字化規(guī)劃布局和人機(jī)功效分析提供可靠的交互支持。

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Factory Planning and Workshop Layout Based on Interactive Virtual Environment

Dai Dameng
Wenzhou University，Wenzhou，Zhejiang，325035

A new approach to factory planning was proposed herein.An equipment resource database was built，which contained physical models，logical models and motion models，thus enabled to create virtual factories and workshops quickly using virtual reality techniques.We also applied genetic algorithm to optimize the workshop layouts in the creation of the virtual workshops.Furthermore，we developed a prototype system based on a 3D virtual environment to support interactive simulation and design.The design platform proposed is highly efficient and cheap to be implemented，thus it is significant in promoting the rationality of factory planning.

virtual reality；factory planning；layout optimization；interactive design

TH166

1004—132X（2011）10—1180—05

2010—11—19

（編輯 蘇衛(wèi)國）

戴大蒙，女，1975年生。溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院副教授、博士。研究方向為虛擬現(xiàn)實技術(shù)／數(shù)據(jù)分析與智能信息處理。發(fā)表論文10余篇。