基于OSG虛擬現實的轉向架車間布局規劃

林藍，姜良奎，付建林，張恒志，江海凡

基于OSG虛擬現實的轉向架車間布局規劃

林藍1，姜良奎1，付建林2，張恒志1，江海凡2

（1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266000；2.西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

針對動車組轉向架生產車間布局規劃問題，結合三維仿真技術、虛擬現實技術和人機交互設備，建立基于OSG的虛擬現實轉向架車間布局規劃系統，將物理生產車間映射到虛擬現實空間中，建立與真實一致的三維可視化轉向架車間模型，基于OSG虛擬現實平臺和人機交互手段，進行轉向架虛擬車間的可視化展示與漫游、虛擬車間布局規劃評審，闡述了基于OSG虛擬現實車間布局規劃系統的組成、結構與關鍵實現技術。實際應用效果證明了方法的正確性和有效性。

OSG；虛擬現實；轉向架；車間布局

車間布局規劃對于車間生產線的運行性能有重大的影響，車間生產線一旦建成，再改變布局較為困難，因此，一般企業在建線前都會對車間生產線進行細致的布局規劃。但目前車間規劃主要停留在經驗方面，也有使用布局工具進行規劃的，但不直觀不形象，人機交互體驗差，布局規劃效率不高。而三維仿真技術以及虛擬現實（Virtual Reality，VR）提供了直觀的可視化效果以及沉浸式人機交互體驗，可以建立虛擬的三維可視化車間場景，進行沉浸式交互評審，直觀高效地進行車間布局規劃。通過虛擬現實技術對設施布局問題進行逼真的三維可視化仿真，能夠有效彌補傳統布局方法過于抽象、不夠準確等缺點，從而大幅度提高布局設計方案的可行性，以達到節省投資成本和節約時間的目的[1]。已經有學者進行了這方面的嘗試，楊凡[2]以錨桿鉆機為研究對象，將開源三維圖形渲染引擎OSG（OpenSceneGraph）和MFC結合起來創建錨桿鉆機的交互式仿真培訓平臺，可以通過各個不同視角之間的快捷切換滿足培訓者的不同需求；賈坤[3]對基于OSG虛擬現實平臺的交互式三維工藝布局技術進行了研究，分別從三維模型的拾取技術、操縱技術、場景交互式漫游技術和路徑漫游技術四個方面對三維虛擬環境下的交互式布局關鍵技術進行了研究；李琳琳[4]利用OSG虛擬現實技術建立叉車駕駛場景實體三維模型，模擬叉車駕駛中的各種操作，實現了叉車操作仿真培訓；杜駱銘[1]利用OSG開發了虛擬設施布局系統，提供一個三維虛擬環境來檢驗布局設計方案的可行性和潛在問題；馬思群[5]基于Unity3D引擎開發了動車轉向架虛擬拆裝培訓系統，具有真實的培訓場景及操作、交互性強、培訓效果明顯等特點；夏文文[6]應用OSG技術，針對典型起重機，開發了交互式虛擬拆卸系統，實現對起重機的虛擬拆卸；蒼松[7]利用OSG建立了動車組轉向架虛擬裝配系統的虛擬現實環境，實現了對動車組轉向架虛擬拆裝的功能；谷成偉[8]基于OSG運用立體顯示、網絡協同、碰撞檢測等技術，設計并開發了采煤機虛擬裝配試驗系統，能夠利用軌跡球、數據手套及位置跟蹤器實現虛擬裝配人機交互；王學文[9]基于OSG、Cegui、VC++等軟硬件設備，搭建了交互性好、沉浸感強的某型號電牽引采煤機虛擬現實裝配應用系統。高穎[10]針對航空發動機虛擬教學研究了基于數據手套與碰撞檢測的人機交互式虛擬裝配、基于立體眼睛與頭盔的立體顯示等技術。范巖萍[11]研究了立體視覺在虛擬訓練仿真系統中的應用，能夠從立體聽覺和視覺上增強虛擬訓練的沉浸性和實用性。可見，利用三維圖形技術、計算機仿真技術能夠對研究對象進行虛擬仿真，結合虛擬現實技術能夠提供沉浸式體驗。但當前研究中尚未有利用三維仿真技術和虛擬現實技術對轉向架生產車間進行布局規劃研究，本文以某動車組轉向架生產車間為對象，將物理車間映射到虛擬現實空間中，建立與真實一致的三維可視化轉向架車間模型，利用虛擬現實人機交互手段，進行轉向架虛擬車間的可視化展示與漫游、虛擬車間布局規劃評審。

1 虛擬現實轉向架車間布局規劃

基于OSG虛擬現實的轉向架車間布局規劃技術思路如下：首先對轉向架生產車間進行數字化建模，構建面向虛擬布局的轉向架車間數字化模型；然后將轉向架車間數字化模型導入OSG虛擬現實平臺，開發三維可視化的車間布局場景，實現車間可視化展示；最后在虛擬現實交互系統的支持下，進行轉向架虛擬車間的交互式漫游、布局規劃驗證和評審。具體技術路線如圖1所示。

首先，轉向架車間建模將以轉向架某生產車間為對象，基于1:1真實性建模原則，采用CATIA三維建模軟件，對車間生產線各類資源進行數字化三維建模，重點針對關鍵工藝環節進行各類自動化生產線建模，其余從物流角度簡化建模即可，建模內容包括加工設備、裝配設備、立體倉庫、桁架機械手、機器人、AGV/RGV小車、工人等資源，由于數據量較大，需要進行相關的模型輕量化處理，最終形成轉向架生產數字化車間模型。然后，通過三維圖形引擎OSG導入轉向架數字車間模型，在OSG中進行虛擬現實可視化展示漫游的編輯與開發，轉向架虛擬車間布局規劃仿真的編輯與開發。最后，在虛擬現實軟硬件平臺和虛擬現實立體投影系統的支持下，讓人進入虛擬車間環境中，通過立體眼鏡、三維鼠標等虛擬交互設備實現用戶對虛擬車間場景的沉浸式體驗與交互，進行轉向架虛擬車間布局規劃仿真驗證與評審。

圖1 基于OSG虛擬現實的轉向架車間布局技術路線

2 關鍵實現技術

2.1 基于OSG的轉向架車間可視化展示與漫游

轉向架車間布局規劃是以虛擬現實技術為基礎的，而其中最重要的就是虛擬環境的構建，這也是用戶獲得逼真感和沉浸感的保證。虛擬環境的構建通常是對某種三維渲染引擎進行二次開發以滿足自身需求，OSG是一款開源高效的三維圖形渲染引擎，使用OpenGL技術開發，是一套基于C++平臺的應用程序接口，能夠更加快速、便捷地創建高性能、跨平臺的交互式圖形程序。它采用面向對象、基于組件式的開發框架，通過圖來組織和管理場景，具有豐富的類庫和插件工具，是一個成熟、穩定的開源圖形引擎。本文從可擴展性、許可性、性能和可移植性等多個方面綜合考慮，最終選取了OSG來構建轉向架車間的虛擬布局場景。

（1）基于OSG的轉向架車間展示與漫游架構

基于OSG的轉向架車間可視化展示與漫游架構如圖2所示，分為四層，分別為數據層、中間層、應用層和表現層。

分四步實施，分別為前期素材準備、工藝流程梳理、圖形場景渲染和應用功能實現。前期素材準備、工藝流程梳理對應系統數據層的構建和實現，圖形場景渲染對應系統中間層的構建和實現，應用功能實現對應系統應用層和表現層。前期素材準備是可視化實施的基礎與關鍵，素材的豐富性、真實性、準確性決定了可視化的視覺效果和用戶體驗，關鍵技術有三維建模技術、圖像處理技術、模型輕量化技術、數據庫技術，主要通過現場調研和利用三維建模軟件CATIA、模型處理軟件3DMAX、圖像處理軟件PhotoShop及數據庫管理軟件ACCESS實現。圖形場景渲染是系統的核心部分，關鍵技術有真實感光照技術、紋理烘焙技術、場景組織技術、面向對象技術、動畫動作編輯技術，主要通過OSG（三維渲染引擎）和C++編程實現。應用功能實現提供對外人機交互接口和系統主體功能，關鍵技術有可視化仿真技術、虛擬漫游技術、碰撞檢測技術、UI（用戶接口）設計技術、C++編程技術等，主要通過OSG和MFC編程實現。

（2）基于OSG的轉向架車間可視化展示

首先將前期建模的車間各類資源模型在OSG環境中進行布局與組裝，形成完整的數字化車間模型。一種方式是導入各類設備模型，然后依據布局尺寸手動分別進行調整，另外一種方法是導入布局圖，按照布局圖導入各類設備模型，快速布局。

采用第二種方式更能保障位置準確性，以用戶原始CAD布局圖為基礎，進行簡化形成車間模型布局圖。將各類主要設備、各類物流設備、各類工裝工具設備等組裝到車間基本布局里面，按照生產線實際布局再進行各類設備的布置。

圖2 基于OSG的轉向架車間可視化展示與漫游架構

車間可視化展示主要以二維和三維形式呈現車間真實布局，系統從數據庫中導入模型設備，根據實際車間布局情況，確定各個設備之間的連接關系，最終裝配成為整個車間模型，然后保存至數據庫，這樣就能夠直接通過加載車間模型來展現車間的真實形態，其中車間可以由單元模塊組成，這樣能夠更加清晰地向用戶展現車間的具體結構，各生產線間的連接關系也能清楚地展現。系統能夠對轉向架車間進行布局設置，可以將車間分為多條生產線/單元區域，并通過樹狀圖顯示各生產線/單元區域的設備對象，系統能夠單獨展示其中的某一條生產線/單元區域，如圖3所示。

（3）基于OSG的轉向架車間交互漫游

為了便于進行車間布局評審，還需要開發基于OSG的轉向架車間交互漫游功能，人機交互式漫游實現用戶與虛擬環境之間進行信息交互，通過外部設備向系統發出控制指令，當該指令被系統執行后，虛擬場景中的攝像機會按照用戶的操作需求不斷的改變位置和朝向，可以滿足用戶以不同的視角來觀察虛擬場景的需求，讓用戶仿佛置身其中，獲得身臨其境的直觀感受，分為自動漫游和路徑漫游。

自動漫游是根據所編輯的漫游路徑進行漫游，自動漫游可進行漫游參數的調節，包括漫游速度、漫游的視點高度和漫游路徑順序的調節。

通過自動漫游不僅可以瀏覽車間內的設備布局和設備外觀，而且可以通過漫游過程所添加的工藝說明了解每個設備的作用和加工流程。最后通過調節漫游參數可以增強用戶漫游體驗。自由漫游是通過使用鍵盤方向鍵和鼠標控制漫游方向等參數。自由漫游可根據用戶的控制自由移動和停留，可以根據用戶需求自主選擇參觀路徑和停留時間。圖4為基于OSG的轉向架車間交互漫游。

圖3 基于OSG的轉向架車間可視化展示效果

圖4 基于OSG的轉向架車間交互漫游

而路徑漫游可以對漫游的路徑進行靈活管理。在車間漫游布局管理中，可設置車間漫游的路徑。首先對創建的路徑命名，然后在需要的漫游途徑上畫出路徑，每條路徑上有一個方向鍵，可通過它來更改漫游的方向。此外可以將在普通路徑和分段路徑間切換，后者可以加入簡單操作，對漫游所要經過的區間進行文字性描述，以增強漫游中用戶的體驗。漫游路徑定義好之后轉入到三維場景，通過快捷鍵實現漫游路徑的切換、多條漫游路徑的先后選擇、漫游速度的設置、視點高度的調節等。

2.2 虛擬現實人機交互布局評審

在OSG可視化展示漫游的基礎上，將虛擬現實交互設備引入，可進行身臨其境沉浸式轉向架車間布局規劃評審。虛擬現實人機交互車間布局評審如圖5所示。需要引入的虛擬現實硬件包括：HPZ800圖站，主動紅外立體眼鏡，主動紅外立體發射器，多通道立體投影系統，跟蹤定位器（高速傳感器，手持跟蹤器，眼部跟蹤器）等，虛擬現實軟件包括：OSG可視化展示漫游軟件，虛擬現實支持軟件TechViz，多窗口視頻信號切換管理軟件等。將開發的OSG

可視化展示漫游系統與虛擬現實硬件設備接口，為用戶提供一個高度逼真、具有沉浸感的虛擬現實情景，通過交互設備可以進行身如其境的虛擬車間體驗。用戶在車間虛擬漫游時可以參觀轉向架車間的生產工藝和物流過程，能夠真實再現轉向架車間生產過程，實現具有沉浸感的、人機交互好、身臨其境的虛擬場景漫游，進而實現轉向架車間的布局驗證與規劃評審。轉向架車間布局規劃評審內容包括：

（1）空間距離的合理性。對產品、設備、工裝工具、圍欄等各類資源相互距離，空間相對位置的合理性進行評審。

（2）人員操作通暢性。對涉及到有人工操作的工位進行工人操作暢通性評審。

（3）各類設備的碰撞干涉。對產品、設備、工裝工具、物流設備等相互碰撞干涉進行評審。

（4）工裝工具的可達性。對工裝工具的可達性進行評審。

（5）物流通暢性。對各類工況下各類資源的物流通暢性進行評審。

圖5 虛擬現實人機交互車間布局評審

3 結論

本文提出的基于OSG虛擬現實的轉向架車間布局規劃方法，將車間各類資源按照1:1方式建模，導入OSG場景中，建立了三維可視化虛擬車間布局模型，在此基礎上開發了虛擬車間可視化展示與漫游功能，結合虛擬現實軟硬件設備實現了虛擬車間的沉浸式交互體驗，進而實現了轉向架虛擬車間的布局驗證與評審。以某轉向架車間為實例，驗證了方法的有效性，所提出的方法可以用于解決大多數車間的布局規劃問題，具有普遍適用性，為解決智能制造數字化工廠的布局規劃問題提供了解決思路。

[1]杜駱銘. 基于OSG的虛擬設施布局系統的研究與設計[D]. 青島：山東大學，2011.

[2]楊凡. 基于虛擬現實技術的錨桿鉆機培訓系統的研究[D]. 西安：西安建筑科技大學，2016.

[3]賈坤. 基于OSG的交互式三維工藝布局系統的研究與開發[D].安徽：合肥工業大學，2014.

[4]李琳琳，曹華軍，劉菁華. OSG虛擬現實技術在叉車仿真中的應用[J]. 電子技術，2017，46（8）：38-40.

[5]馬思群，王開順，李健，等. 基于Unity3D的動車轉向架虛擬拆裝培訓系統研究[J]. 鐵路計算機應用，2017，26（8）：33-37.

[6]夏文文，楊艷芳. 基于OSG的起重機虛擬拆卸系統的實現[J].湖北工業大學學報，2014，29（4）：51-53，56.

[7]蒼松. 動車組轉向架虛擬裝配技術的研究與應用[D]. 大連：大連交通大學，2010.

[8]谷成偉. 采煤機虛擬裝配試驗系統研究[D]. 太遠：太原理工大學，2012.

[9]王學文，秦毅，楊昕宇，等. 采煤機虛擬現實裝配仿真系統研究[J]. 圖學學報，2015，36（2）：268-273.

[10]高穎，鐘嘯，許志國，等. 基于VR的航空發動機虛擬教學實驗系統設計[J]. 系統仿真學報，2008（11）：2925-2930.

[11]范巖萍. 具有立體視覺的虛擬訓練仿真系統的實現[D]. 北京：北方工業大學，2010.

Bogie Workshop Layout Planning Based on OSG Virtual Reality

LIN Lan1，JIANG Liangkui1，FU Jianlin2，ZHANG Hengzhi1，JIANG Haifan2

(1.CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao266000, China; 2.School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu610031,China)

In order to solve the layout planning problem in EMU bogie production workshop, a layout planning system based on OSG virtual reality is established, combined with 3D simulation technology, virtual reality technology and human-computer interaction equipment. The production workshop is mapped to a virtual reality space, and then a three-dimensional visualized bogie workshop model consistent with reality is established. Based on OSG virtual reality platform and man-machine interaction means, this paper carries out the visual display, roaming, and review of bogie virtual workshop and layout planning. It further describes the composition, structure and key technology of workshop layout planning system based on OSG virtual reality. The application proves the correctness and validity of the method.

OSG；virtual reality；bogie；workshop layout

TP391.9；U260.331

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.01.002

1006－0316 (2020) 01－0009－05

2019－07－29

山東省重大科技創新工程項目—智能工廠人機協同與虛擬現實增強現實技術（2017CXGC0608）

林藍（1991－），女，山東青島人，碩士，工程師，主要研究方向為虛擬制造。