基于虛擬現實技術的煙草工程三維設計平臺研究與開發

黃啟錄　魏斌　陶智麟　陶鐵托　陳飛宇　李超

摘 ?要：為解決煙草工程傳統二維設計方法難以多專業協同設計、計算與繪圖不能結合等問題，研究虛擬現實技術在煙草工程三維設計中的應用，并開發基于虛擬現實技術的煙草工程三維設計平臺。設計平臺具備三維工廠建模、可視化設計、作業過程模擬、虛擬漫游等功能，在實際應用中，設計效率大幅提高，構建了所見即所得的虛擬在線工廠，并實現虛擬監控與虛擬教學。

關鍵詞：虛擬現實;煙草工程;三維設計;虛擬工廠

中圖分類號：TP391.9 ? ? 文獻標識碼：A

Research and Development of Three-dimensional Design Platform for

Tobacco Engineering based on Virtual Reality Technology

HUANG Qilu1，2， WEI Bin2， TAO Zhilin1，2， TAO Tietuo1，2， CHEN Feiyu2， LI Chao2

（1.Zhengzhou Tobacco Research Institute of CNTC， Zhengzhou 450001， China;

2.Zhengzhou Yisheng Tobacco Engineering Design Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450001， China）

huangqiluztri@126.com; 512296358@qq.com; taozhilin75@126.com;

hqlztri@126.com; hql198652@126.com; ysyclichao@163.com

Abstract： In this paper， application of virtual reality technology in the 3D design of tobacco engineering is studied and then a three-dimensional design platform for tobacco engineering is developed. This study aims at the problems with traditional two-dimensional design method in tobacco engineering， such as difficulty in multi-specialty collaborative design and inability of combining calculation and drawing in designing. The proposed 3D design platform has functions of 3D factory modeling， visual design， operation process simulation， operation plan simulation， 3D roaming and so on. In practical use， design efficiency are substantially improved， a virtual online factory is constructed， and virtual monitoring and virtual teaching are also realized.

Keywords： virtual reality; tobacco engineering; three-dimensional design; virtual factory

1 ? 引言（Introduction）

傳統的煙草工程設計使用計算機繪圖軟件，通常只進行二維平面設計。方案設計中的相關計算只能單獨完成，無法與繪圖工作結合。隨著設計內容的增加和多專業協同設計的開展，傳統設計方法已無法滿足新的設計需要。近年來，虛擬現實等一批新技術的發展與應用，為新型煙草工程設計平臺的開發提供了技術支撐。為擴大設計范圍，提高設計效率，提升設計水平，本文研究基于虛擬現實技術的煙草工程三維設計平臺。

2 ? 虛擬現實技術（Virtual reality technology）

虛擬現實（Virtual Reality，VR）是以計算機技術為核心，生成與一定范圍真實環境在視、聽、觸感等方面近似的數字化環境[1，2]。虛擬現實技術建立人工構造的三維虛擬環境，用戶以自然的方式與虛擬環境中的物體進行交互作用、相互影響，極大擴展了人類認識世界，模擬和適應世界的能力。近年來，在仿真訓練、工業設計、交互體驗等多個領域解決了一些重大或普遍性需求，目前在理論研究與應用開展等方面都取得了很大進展[3，4]。隨著虛擬現實技術的不斷發展，其在仿真實訓、展示體驗、設計開發方面進行了應用。張波等[5]將虛擬現實技術應用到了船舶消防訓練系統的開發中，黃勇等[6]對虛擬現實技術在軍事院校實戰化教學中的應用進行了研究。

目前還未有將虛擬現實技術應用到煙草工程設計的文獻。虛擬現實技術應用到煙草工程設計中，構建三維設計平臺，可使設計人員和用戶身臨設計的虛擬場景，實現交互設計，提高設計效率。

3 ? 設計平臺需求（Requirement of design platform）

研究開發基于虛擬現實技術的煙草工程三維設計平臺，可建立煙草生產線數字化模型并進行仿真，從而對生產線的規劃布局、生產和物流設備配置、物流系統合理性和有效性進行評價和選優。另外，打造逼真的仿真視覺效果，實現交互設計和遠程管理。

（1）模型庫。建立煙草行業生產及其他設備3D模型庫，可實現快速連接，快速修改;建立其他輔助模型，可構建虛擬工廠環境，提升3D漫游和VR漫游的體驗效果。

（2）分析計算。提供計算校核、數據分析等工具，計劃排產、路徑優化等算法，可完成數據分析或方案優化。

（3）虛擬仿真。在設計階段，可對生產線能力與作業計劃等進行仿真，在運行階段，可對生產效率和能源計劃等進行仿真。

（4）擴展功能。設計平臺需具有擴展功能和接口，兼容性好，可與MES系統等實現數據交換。

4 ? 設計平臺研究與開發（Research and development of design platform）

4.1 ? 平臺總體架構

基于虛擬現實技術的煙草工程三維設計平臺由主控窗口程序、3D虛擬工廠窗口及數據庫模塊三個部分組成。3D虛擬工廠窗口以內嵌進程方式運行在主控窗口程序中，數據庫模塊獨立運行，主控窗口程序提供針對虛擬仿真平臺特性的關鍵數據查看/管理界面。總體架構如圖1所示。

4.2 ? 平臺關鍵技術

三維建模。系統中所有的模型具備雙重屬性：視覺模型和數值模型。視覺模型包括3D模型、貼圖和動作。設備三維模型采用三維繪圖軟件建模，然后在美術軟件中添加視覺效果。3D模型導入系統后，為其設置數值屬性和管理屬性。

模型布局。在模型庫的基礎上，開發一個可視化的生產線布局界面，將已經建好的模型，通過可視化的操作方法，布置成一個完整的虛擬工廠。布局界面包括一個可視化設備列表，以及一個空白的工廠地面畫布;支持用鼠標拖拽設備到達布局畫布，并可調整設備的位置和形狀參數;通過雙擊或者右鍵進行屬性操作，可以彈出設備屬性編輯器;通過鼠標連接，可以設置兩個設備之間的連接關系，定義輸入端口和輸出端口，從邏輯上將兩個設備連接起來。

作業計劃仿真。作業計劃包含制梗絲線、制葉絲線和卷接包線作業計劃。其中制梗絲線和制葉絲線作業計劃帶有流體生產的特點，而卷接包線作業計劃兼有連續和離散的特點。研究計劃排產有關算法，并根據生產線特點設置約束和仿真規則，形成數值模型。

生產線仿真。生產線仿真包含兩個層次：單元仿真和整線仿真。單元仿真包括展示設備及工藝流程、調試、驗證工藝參數、設備編程測試、設備聯調測試、虛擬教學等。整線仿真包括生產線規劃與布局的設計驗證、作業計劃的制定與驗證、物流系統的分析與改善、生產線效率的分析與改善、虛擬培訓等。生產線仿真時圖形仿真和數值仿真同時進行，圖形仿真展示生產過程中物料流的變化、主機的運動、倉庫的變化、物流設備的運動等，數值仿真模擬連續系統仿真時數值實時變化和離散系統的數值變化。

虛擬漫游。漫游分為3D漫游和VR漫游。漫游功能依賴高效率、高品質的3D圖形渲染。3D漫游以第一人稱視角觀察虛擬工廠。通過鼠標和鍵盤的操作來移動視角、轉動視角。通過對所有模型進行碰撞體設置，避免漫游過程中出現穿插、穿墻等不合理的操作。基于虛擬現實技術，開發設計平臺VR漫游功能。通過將3D場景渲染成左右眼視角兩幅畫面，在VR眼鏡中給用戶帶來沉浸式視覺體驗，讓用戶以直觀的方式觀察生產線的實況。

4.3 ? 平臺功能模塊

4.3.1 ? 模型庫管理

該模塊用于建立模型庫信息并維護。美術人員做好3D模型后，在該模塊中添加模型說明，設置參數，關聯模型文件。使用者可以預覽模型的外形，查閱、修改模型參數。

4.3.2 ? 生產線布局

該模塊用于生產線建模，設計人員調用模型庫設備模型，在界面上設置各類設備的外形、位置、動作等參數。生產線布局模塊的功能主要有：檢驗產品生產線上各生產要素是否齊備;檢驗生產原料堆放場地是否合理利用，適用何種運輸工具;檢驗生產線的布局是否符合流水化作業進程，生產加工機械布局是否高效，是否能夠形成流水作業閉環;檢驗貨架暫存、倉儲及轉運空間是否足夠、布局是否合理等;檢驗運輸通道是否流暢，運輸工具是否適，三維空間運輸是否存在交叉沖突;優化生產環境等其他因素。

4.3.3 ? 作業計劃管理

該模塊的功能為：管理生產線基礎數據，錄入或制定電子版作業計劃，作業計劃查詢等。基礎設置功能為將生產線基本信息錄入數據庫并維護，包括牌號、摻配物、摻配比例、班次、生產線工段、生產線參數等。

在生產線基本信息建立后，可制定每個生產線每日的作業計劃。作業計劃包括多個工段/生產線的計劃，為了建立計劃的數值模型，需要對計劃與實體設備進行統一管理。圖2為計劃數據與設備實體、工藝過程的規劃圖。

4.3.4 ? 運行仿真

運行仿真模塊既能仿真某條生產線的作業過程，又能按照全廠作業計劃進行仿真。仿真模塊體系結構如圖3所示。

仿真模塊體系結構由計劃與調度模塊、仿真參數設置、初始狀態設置、約束規則集、仿真規則集、仿真引擎及仿真歷史庫組成。仿真參數設置主要對仿真的基礎數據進行設置，在仿真中為了加快仿真的速度，設置時間比例尺來調整仿真的速度。初始狀態設置主要用于輸入仿真計劃執行時生產線初始狀態信息，在制絲線中主要是設置各貯絲柜的余量、品牌及批次信息等。約束規則為仿真過程中的資源約束，包括制絲線上關鍵設備的能力信息及生產狀態信息。仿真規則用于控制計劃仿真執行時的仿真流程及計劃的執行時間，可以根據實際應用情況動態添加。

4.3.5 ? 漫游

3D漫游模塊使設計人員或用戶以第一人稱視角，游歷整個工廠。該視角的高度與人體相仿，可以隨意調整。通過鍵盤和鼠標，可以移動、旋轉視角。如圖4所示。

VR漫游的控制與3D漫游類似。VR眼鏡上帶陀螺儀，可以同步用戶頭部的轉動，與VR內視角一致。VR渲染的效果如圖5所示。

5 ? 設計平臺應用（Design platform application）

在某卷煙廠易地技術改造項目的總體設計中，應用了本文所研究開發的基于虛擬現實技術的煙草工程三維設計平臺，取得了良好的應用效果。

（1）設計質量提升、設計效率提高。在卷煙工廠的設計優化階段，采用煙草工程三維設計平臺建立煙草生產線的數字化模型，通過運行仿真、自動優化、交互設計，對生產線的規劃布局、設備配置、工藝流程、物流路線等進行評價和選優，得到最優方案。在設計階段模擬投產運行，提前發現設計問題，避免了設計返工和資源浪費。圖6為仿真優化后擇優確定的工廠設計方案模型。

（2）所見即所得的虛擬工廠。利用三維設計平臺打造逼真的仿真視覺效果，構建了所見即所得的虛擬環境，使設計者和使用者直觀看到了所設計的生產線，并看到生產線未來的運行過程;佩戴VR眼鏡，更能沉浸式的觀察到未來的工廠。虛擬工廠的效果如圖7所示。

（3）設計階段模擬工廠管理。在設計方案確定后，利用三維設計平臺對生產線的生產狀態進行分析，對生產線抗干擾和抗故障能力進行分析和評價，對作業計劃進行仿真和分析，預測生產線在不同作業計劃下的性能，通過智能程序控制下的多次仿真與選優，為生產線制定合理的作業計劃。

（4）實現虛擬監控與虛擬教學。三維設計平臺導出的虛擬工

廠系統與企業的MES系統對接，實現“虛擬在線工廠”，即數字工廠運作與真實工廠同步。管理者無須到生產現場即能監控生產線的狀況，通過佩戴VR眼鏡，員工可沉浸于虛擬環境，進行虛擬教學。

6 ? 結論（Conclusion）

隨著煙草工業企業技術改造的不斷深化，工藝、工程技術的不斷發展，技術改造的復雜程度和系統關聯程度大大增加。傳統的煙草工程設計方法已明顯落后，無法滿足設計的新要求。本文對虛擬現實技術在煙草工程三維設計中的應用進行了研究，開發出了基于虛擬現實技術的煙草工程三維設計平臺。該平臺具備三維工廠建模、可視化設計、作業計劃仿真、運行仿真、虛擬漫游等功能，在卷煙廠總體設計項目應用中，提升了設計質量，提高了設計效率，擴展了設計的內涵，將工廠的設計、管理、運維和教學結合在一起，為煙草工程設計提供了新型設計平臺，同時為煙草行業的智能制造建設提供了有力支持。

參考文獻（References）

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[6] 李曉燕，姜廣輝，胡磊，等.基于GIS與虛擬現實的土地利用總體規劃仿真展示平臺設計[J].國土資源遙感，2014，26（04）：195-200.

作者簡介：

黃啟錄（1985-），男，碩士，工程師.研究領域：仿真平臺與應用.

魏 ? 斌（1984-），男，本科，工程師.研究領域：虛擬現實技術.

陶智麟（1975-），男，本科，高級工程師.研究領域：工程設計與管理.

陶鐵托（1982-），男，碩士，高級工程師.研究領域：工程設計與管理.

陳飛宇（1986-），男，本科，工程師.研究領域：計算機仿真技術.

李 ? 超（1988-），男，本科，工程師.研究領域：計算機仿真技術.