船體裝配仿真實訓系統的設計與開發

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(南通航運職業技術學院 船舶與海洋工程系，江蘇 南通 226010)

目前國內外船舶建造方面的仿真主要是船舶建造工藝流程的虛擬仿真[1-7]，對船舶裝配仿真實訓技術的研究較少。船體裝配仿真實訓系統，是通過人機互動的方式，對船體裝配過程進行仿真操作及訓練，可改善裝配工人培訓條件和培訓方式，擴大培訓規模，提高培訓水平。

1 技術支持

船體裝配虛擬仿真系統的開發主要應用虛擬現實技術、三維建模技術和計算機技術。

1.1 船體裝配仿真實訓系統開發的軟件支持

船體裝配仿真實訓系統主要是應用國外主流虛擬現實開發軟件Unity3D和3Dmax進行開發的。

采用3Dmax進行船體裝配仿真實訓系統的前期建模，通過模型制作、貼圖制作、場景合并及優化、烘培測試、烘培場景及調整烘培貼圖各過程，完成船體結構、設備、設施等三維模型的優化。

Unity3D平臺在虛擬現實應用開發過程中承擔著三維圖形場景驅動的建立和應用功能的二次開發，是虛擬現實應用開發的高層API，同時也是連接VR外設、建立數學模型和應用數據庫的基礎平臺，利用它可以開發出功能完善的虛擬現實應用程序。其特點是引擎構架好，各功能接口豐富，支持多平臺發布，并可以捕捉處理用戶互動。具有直觀立體、真實互動的效果，用戶可以動手進行人機互動操作。通過Unity3D平臺開發軟件進行船體裝配仿真實訓系統所有程序的開發，進行UI設計、UI控制、框架設計和程序制作，真實地模擬船體和設備等的三維裝配過程，用戶可以通過交互方式進行船體的三維模擬裝配操作。

1.2 船體裝配仿真實訓系統應用的硬件支持

船體裝配仿真實訓系統的硬件支持要求較高，不能低于以下配置。

電腦采用X64兼容臺式電腦，操作系統采用Windows7 Enterprise 64位 SP1(Direct X 11),處理器3.4GHz，4核，主板采用華頓P8Z77-V LX2，內存為16GB，主硬盤2TB/7 200 r·min-1，顯卡為2 G，顯示器22英寸，聲卡采用瑞昱ALC887,網卡采用瑞昱RTL8168F PCI-E。

2 系統設計

船體裝配仿真是以實際的船體裝配為實戰背景，利用VR技術在特定環境條件下模擬裝配過程。系統基于Unity3D虛擬現實等大型平臺軟件，從選擇裝配場地與設施開始，歷經零件及部件安裝、胎架選擇與構件吊裝、分段舾裝與翻身、大型分段裝配工藝選擇、船臺畫線、船臺吊裝工藝及合龍等的全過程，模擬將船體零件組合成部件，形成分段、總段、直至整個船體的工藝過程。在三維信息空間上創建一個虛擬信息環境，能使用戶具有身臨其境的沉浸感，具有與環境完善的交互作用能力，來實現對不同階段仿真模擬及人機互動模擬訓練。

2.1 船體裝配系統概述

船體裝配仿真系統分為部件裝配、分段建造、總段裝配、船體總裝4個交互模塊，每個模塊又分為教學指導以及訓練測評兩種交互模式。

所有的裝配實現方式都要經過前期菜單的交互選擇，只有經過相應的匹配選擇生成相應的交互流程后，才能進入相應的場景中進行所生成交互流程的交互模擬操作。系統部分功能點設計見表1。

表1 系統部分功能點

2.2 系統組成

2.2.1 主菜單架構

系統主要有演示和交互兩大部分，其中交互部分包括鋼料加工和船體裝配兩個模塊。船體裝配系統是整個船舶建造仿真實訓系統交互模式的第二個模塊，系統入口見圖1。

圖1 主菜單構架

點擊船體裝配，即可進入裝配系統的操作選擇，這時候會彈出該系統的分支內容，分為部件裝配、分段建造、總段建造、船體總裝4大類。點擊各個類別即可進入相應的操作流程，見圖2。

圖2 局部頁面

2.2.2 子菜單架構

進入相應的裝配類別后，首先要進行的是操作模式的選擇，整個裝配系統的操作模式分為教學模式和測試模式。

教學模式用于教師教學。該模塊在場景中的操作可以返回進行重新操作，并且每一步的操作均不做評分。

訓練模式用于學生操作訓練。學生根據內容可選擇自認為正確的裝配場地、方法、設施、操作步驟，由評分系統進行成績評定。在所有的交互完成之后，評分系統會自動為參與評定的整個操作進行等級評定并且列出錯誤與正確的步驟。

3 系統開發

3.1 主要內容

船體裝配系統主要有部件裝配、分段建造、總段裝配和船體總裝幾部分內容。系統采用人機互動的方式，在操作中使用者要正確選擇裝配場地、裝配方式、設施和工具，進行正確的裝配判斷，進行模擬操作。人機互動操作時，如裝配順序及方法不正確，則裝不上去。此外，系統操作過程中還設置多種選項，如裝配過程中可能出現的問題及解決方案、工藝參數、建造精度控制等進行選擇。

3.1.1 部件裝配(小組立)子系統

給定幾種典型部件進行模擬裝配，根據圖紙提供生成合理的裝配工藝，工藝內容包括從畫線、安裝、定位焊到焊接、吊離等整個過程。

1)首頁出現裝配場地及設施、工具等供選擇，并列出組成部件的零件。

2)選擇要裝配的部件種類、場地、設施及工具。

3)選好后即出現安裝模擬場地，進行部件的人機互動模擬裝配，將構件安裝到位。

4)部件安裝結束后會出現正確的部件裝配工藝流程框圖。

3.1.2 分段裝配(中組立)子系統

選船體中部幾種典型分段進行模擬裝配。根據分段的類型及分段圖上相關數據等，列出合理裝配方式，并生成分段合理的裝配工藝。

1)首頁出現分段裝配場所、裝配方式、裝配工裝設施及工具等供選擇，并列出組成分段的各部分結構(包括零、部件)，供裝配采用。

2)選擇要裝配的分段種類、場地、設施及工具。

3)選好后即出現安裝模擬場地，進行分段的人機互動模擬裝配，將零部件安裝到位。

4)分段裝配結束后出現正確的分段裝配工藝流程框圖。

3.1.3 總段裝配(總組立)子系統

對船中或艏、艉典型部位總段或大型立體分段進行模擬裝配。總段裝配系統中列出組成總段的各分段。可根據選定總段自動生成合理的裝配工藝。

1)首頁出現總裝用的施工場地、裝配方式、工藝裝備設施及工具等。

2)選定裝配場地、裝配方式、工具及工藝裝備等。

3)選擇正確后，按順序進行總段的模擬裝配，包括劃線、定位、裝配、焊接等。點擊需要吊裝的分段，可出現模擬吊裝的場景。當正確選定下一個步驟，即可進行該步驟模擬裝配。

4)總段裝配結束后出現正確的總段裝配工藝流程框圖。

3.1.4 船體總裝(搭載)子系統

在系統里應有幾種造船設施方案供選用。根據選定的船型在不同造船設施條件下自動選擇船臺(或船塢)合龍方式及合理(優化后)的裝配順序。列出所造船舶的各種分、總段供船臺(或船塢)吊裝。

1)首頁出現船臺(或船塢)裝配場地及吊裝設備、船臺設施、工具及總裝方式等。

2)選定船臺(或船塢)、總裝設施及工具以及總裝方式。

3)選擇正確后進行模擬船臺總裝，包括畫線或船塢鋪墩，模擬船臺吊裝工藝及合龍順序。點擊要吊裝的分段即進行該分段的船臺吊裝過程。

4)總裝結束后出現正確的船臺裝配工藝流程框圖。

3.2 交互系統設計和開發實例

該系統中針對裝配各模塊中的不同子模塊分別進行了交互操作內容設計，現以部件裝配中的拼板為例介紹其交互操作的設計和開發內容，其拼板操作頁面見圖3。

圖3 拼板交互界面

3.2.1 交互操作過程

完成拼板模塊的UI的選擇后，根據選擇的情況進入相應的交互操作場景中進行模擬操作。其操作過程如下。

流程選擇(UI的流程選擇關系)。拼板(裝配部件)—內場(裝配場地)—平裝(裝配方法)—平臺(工藝裝備)—焊機、吊具、尺、馬板等(設備工具)。

交互按鈕。平臺、鋪鋼板、除銹 、板列定位 、定位焊、板列焊接 、矯正變形 、劃線標注 、翻身。

交互操作。主要通過交互按鈕的順序選擇實現交互的順序，錯誤的按鍵順序也會被記錄到評分系統。拼板的場景是在內場車間，交互操作之前場景中攝像機只能看到廠區中空余的一塊場地，看不到與拼板相關的裝備與工具。此時用戶操作的視角是一個360°自由查看的視角，通過按住鼠標右鍵并拖動實現視角的旋轉，通過鼠標滾輪實現視角遠近的控制。

3.2.2 交互按扭功能

頁面下方的一系列菜單是實現整個操作過程的交互按鈕，通過點擊鼠標，即可實現裝配順序的選擇。

平臺按鈕。裝配平臺載入，載入的方式主要是通過程序控制的位置移動方式，從上到下自動到達指定位置。

鋪設鋼板按鈕。鋼板從上到下到達平臺上方。

除銹按鈕。場景中在鋼板的拼接處會出現除銹的模擬銹跡線，表明除銹過程，除銹過程結束后，銹跡線消失。

板列定位按鈕。鋼板稍有移動使一端對齊，在距板列端一定距離處有檢測線閃動，顯示鋼板對齊。

定位焊按鈕。通過先中間再兩邊后密集的方式依次在鋼板的接縫處出現粒子效果，粒子閃爍后就會自動消失，代表定位焊結束。

焊接按鈕。場景中會在所有鋼板的縫隙處出現焊接線模擬焊接的過程，焊接線是從中間向兩邊出現的。

火工矯正按鈕。場景中會有氧乙炔烘炬在鋼板上方走過，模擬火工矯正的過程。

畫線標注按鈕。在焊接好的鋼板上會出現邊緣線和構件安裝線。

翻身按鈕。鋼板自動翻身180°，接著再點擊焊接按鈕，在反面進行鋼板的封底焊，焊接方向與正面相反，由兩邊向中間依次出現焊接線。

通過點擊上述按扭完成整個拼板的交互操作。如果是測試模式的話，場景中會自動顯示出整個過程的評分結果，包括評分等級以及正確、錯誤的步驟；如果是教學模式的話，在交互過程的任何時刻按“B”鍵都可以重新進行交互操作。

4 結束語

船體裝配仿真實訓系統通過對船廠廠區、建造設施、船體結構等進行逼真的3D可視化虛擬展示，采用人機互動方式，與虛擬環境中的船體模型、施工場地及設施進行交互操作，完成船體模擬裝配。該系統的人機互動操作方式在國內船舶建造仿真中是首例，創新了我國船體裝配操作人員的培訓模式。

由于船舶制造的生產現場任務多、產品建造的周期較長、裝配現場危險性較大，在企業現場進行員工培訓及學生實訓的條件有限，對船舶建造過程缺乏直觀地了解。船體裝配仿真系統的開發，能夠為船舶建造生產、職工培訓及教學等應用服務，可使船體裝配初學者通過仿真系統的學習，掌握船舶及海洋工程建造工藝過程、船體裝配方法、場地設施和所使用工具。并通過人機互動的訓練方式，在如身臨現場的狀態下，達到對船體裝配操作的訓練，提高實際操作能力，從而大大提高裝配人員的培訓效率。船體裝配仿真實訓系統主要是以散貨船的船體裝配操作進行的開發，以后還可擴展到其他常規船型船體裝配的仿真訓練，并應對船舶舾裝和涂裝方面的仿真實訓系統進行開發。

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