梭式窯陶瓷燒制技藝虛擬仿真系統的研究與開發

李家春

（南昌工學院，江西 南昌 330108）

一、研究內容及定位

（一）研究內容

本系統立足于現代新型的間歇式窯爐燃氣梭式窯燒瓷技藝，以燃氣梭式窯陶瓷燒成操作工序為藍本，借助VR 交互呈現技術，依據景德鎮真實的梭式窯燒窯場景搭建的全比例實物設備數字化模型及場景空間布局，研究并開發燃氣梭式窯燒窯技藝以高仿真、高交互操作的、全程沉浸參與式的虛擬梭式窯燒成操作工序仿真教學系統，呈現燃氣梭式窯燒成操作過程中的燒成工作原理、關鍵燒成設備結構拆解、場景布局、燒窯操作工序核心技術。以解決傳統授課中如步驟繁多、燒成周期較長、成本高、危險大、參與度低等弊端，從而讓學生在虛擬環境中通過智能操作指導、具體化的操作流程、自主控制燒窯實驗過程，獨立開展陶瓷梭式窯燒成工序實驗。

（二）項目定位

目前陶瓷燒成技藝由于操作步驟繁多、燒成周期較長、經驗要求高、危險因素多等屬高危行業。傳統陶瓷燒成工序講授主要依靠口頭傳授和燒窯師傅傳帶以及三維動畫漫游等方式，但都會受到場地大小、安全性、體驗差等因素限制。本項目將為陶瓷工廠和作坊員工培訓、宣傳，以及高等院校陶瓷相關專業學生學習燒窯工序提供一個三維數字化的、高仿真度的、高交互操作的、全程參與式的逼真人機交互梭式窯燒成實驗模擬系統。讓學生有效克服梭式窯的燒制過程耗時長，缺少全程參與、錯誤操作導致的嚴重后果與燒制過程的局限性，培養學生們的操作手法和危險意識以及梭式窯燒成原理的理解。熟悉掌握梭式窯陶瓷燒成的真實工作環境，為梭式窯燒成實踐操作奠定良好基礎。根據項目定位，系統采用模塊化設計，將大綱要求的教學內容融入燒窯工作面的操作工序流程中，劃分梭式窯窯爐升溫規律理論、燃氣梭式窯燒窯設備拆解、燒窯環境實景式認知、裝窯、燃氣梭式窯燒窯工序、實驗模擬考核等模塊。

二、燃氣梭式窯燒制技藝虛擬仿真系統架構

（一）窯爐升溫規律理論教學模塊

本模塊是仿真實操教學系統中基礎理論教學模塊，本模塊針對復雜燃氣梭式窯燒窯工序中的操作環節技術要點與原理進行講解學習，包括梭式窯概念、分類、生產系統、窯爐升溫曲線燒制方法、更換液化氣、調整壓力閥、點火、調控火焰顏色、燒窯操作安全規范，危險意識等理論。教師在講授過程中，搭配VR 設備，點擊PC 端界面上按鈕，進入仿真系統虛擬空間后，可根據需要從不同視角進行切換。分別點擊“教學目標”、“教學重點”、“難點”圖標按鈕，左側伸出畫布；點擊“教學內容”按鈕，會彈出“梭式概念”、“燒成技術”兩個按鈕，再點擊會彈出相關教學文字內容，可上下滑動進行翻頁講解相關知識點。如圖1

（二）燃氣梭式窯燒窯設備拆解模塊

本仿真系統中，設有梭式窯燒窯設備拆解模塊，主要包括窯體、燒嘴、汽化爐、窯車、氣化爐工作原理等仿真實訓。該模塊基于Unity3D開發引擎，依據景德鎮真實的梭式窯設備，導入3dmax 建模軟件中完成次世代模型資源制作，數字化全比例完整再現梭式窯陶瓷燒成設備仿真、場景仿真。運用動畫技術、火焰粒子特效、煙霧、對窯爐主體結構拆解、汽化爐工作原理等進行沉浸式、交互式呈現。實驗教學中，通過VR 手柄點擊“梭式窯基本結構”按鈕，轉換虛擬場景，通過分別單擊不同設備名稱按鈕，進入到相應的設備虛擬場景界面中，可通過360°自由動態捕捉選擇與切換視角直播，捕捉梭式窯各設備結構中的細節，點擊“歸位”按鈕，可以回到初始位置，讓學生身臨其境的拆解梭式窯設備，全面認知梭式窯生產系統中燃料供給及燃燒設備、燃燒風機、煙氣－空氣換熱器、調溫風機和排煙風機、汽化爐等組成與工作原理。如圖2

（三）燃氣梭式窯燒成工序流程實踐仿真模塊

本模塊包括景德鎮燒窯環境實景式認知體驗、裝窯仿真、梭式窯陶瓷燒成角色代入式實操、考試模擬等模塊。模塊中涵蓋實驗場地安全須知、燒窯操作安全規范，危險突發狀況處理指導手冊、裝窯介紹、燒窯工序操作流程指導書、實驗報告書等。學生通過點擊界面上的“梭式窯燒制仿真體驗”按鈕，轉換進入模擬景德鎮梭式窯燒窯作坊真實場景而構建的3D虛擬環境，在虛擬環境中開展燃氣梭式窯燒成工序操作實踐。

1.景德鎮燒窯環境實景式認知體驗

景德鎮燒窯環境漫游以第三人稱視角漫游方式，結合語音播報引導，進行燒窯場所漫游，“真實”體驗景德鎮梭式窯燒窯環境。學生通過左手扣動射線點擊UI，右手貝塞爾曲線瞬移和觸摸等進行快速跳轉和定位，了解液化氣操作間、窯爐操作間的主要設備布置。準確識別窯體、燒嘴、汽化爐、窯車、燃料供給及燃燒設備、燃燒風機、排煙風機等布局。

2.裝窯仿真實訓

該模塊學生可根據所燒陶瓷產品的規格、釉料溫度需求,自主確定所采用碼腳、棚板尺寸規格,位置等，在裝窯時,要求棚板、碼腳平衡,牢固,裝一層碼一層,注意產品裝載高度勿碰到窯爐內的熱電偶。裝窯操作完成后,結合動畫技術，通過VR 手柄拖動窯車送入梭式窯內，關上窯門，完成裝窯仿真操作工序，讓學生體驗裝窯的規律與方法。

3.燃氣梭式窯燒窯工序角色代入式仿真

燃氣梭式窯燒窯工序實操以燒窯老藝人角色扮演為核心，借助HTC VIVE 眼鏡和手柄交互模擬操作梭式窯燒成設備。學生參照燒窯流程指導書，通過手柄交互操控液化氣罐閥門、截止閥、氣壓表、氣化爐、燒嘴、煙氣－空氣換熱器、調溫風機和排煙風機等,結合智能操作指導，模擬梭式窯陶瓷燒制工序全流程，包括燒窯前檢查準備、汽化爐升溫、窯體烘干、低溫階段、氧化階段、還原階段、保溫階段、冷卻階段等操作工序的交互仿真。培養學生們的操作手法和危險意識以及燒窯操作流程。如圖3（a-b）

圖3 燃氣梭式窯燒窯工序仿真

4.考核模擬

考核包括理論考核和實訓考核兩個方面部分。系統內設置多套陶瓷燒成知識試題庫，學生通過進入“課堂知識考核”模塊，系統將隨機抽取20道的陶瓷燒成知識試題進行課堂互動與練習。從而達到對梭式窯燒成工序的關鍵流程和安全注意事項考核的目的。學生也可以進入“實操考核”，學生將在關閉智能操作指導下，開展自主控制燒窯實驗過程，系統將判斷燒窯工序中步驟操作的正確性，記錄操作過程，得出相應分數。

三、總結

本系統立足于現代新型的間歇式窯爐燃氣梭式窯燒瓷技藝，以燃氣梭式窯燒成操作工序為藍本，借助VR交互技術，結合動畫技術、粒子特效技術，呈現燃氣梭式窯燒成操作過程中的燒成工作原理、關鍵燒成設備結構拆解、燒窯操作工序核心技術和關鍵步驟等數字化交互仿真實訓功能，從而有效克服陶瓷作坊、高校等傳統燒窯講授方式的弊端。