基于虛擬現實技術的LNG 工廠虛擬仿真系統設計與實現

丁佳杰，李旭航，王云飛

（青島科技大學機電工程學院，山東青島 266061）

虛擬現實是一項集計算機圖形學、電子信息處理技術、傳感器技術、多媒體技術于一體的綜合電子信息技術，典型特征為真實性、沉浸性、交互性[1-2]。虛擬現實與教育的結合有效提高了教學質量，主要表現為借助三維建模和渲染技術建立接近真實情境的虛擬環境，學生在與其相互作用過程中五官都能獲得真實體驗，親身感受知識點[3-4]。該文基于虛擬現實技術開發一套功能完善且具有一定可行性的LNG工廠虛擬仿真系統，對于提高課堂效率、提高實訓能力有積極良好作用。

1 系統開發流程

基于軟件工程的設計思想，LNG 工廠虛擬仿真系統的開發流程主要分為兩個階段[5]：第一階段是通過前期需求分析和材料收集確定系統模塊；第二階段是在Unity3D 平臺開發系統主要功能。首先通過線上資料分析和線下實地考察確定場景布局和工藝路線，并根據院校課程標準制定模塊功能；第二階段采用Unity3D 引擎來實現場景構建和功能開發，Unity3D 是一個對編輯器、地形編輯、著色器、腳本等特性全面整合的專業游戲引擎，其內置程序編輯器支持C#、JavaScript、Python 等多種編程語言,其開發的產品可在Windows、iOS、Mac、Android 等多平臺進行發布[6-7]。首先采用Solid Works 建立并裝配LNG工廠，將其導入3D Max 進行渲染，并以FBX 格式導入Unity 工程；通過場景集成、光源設置、創建陰影、添加Sky Box、添加火焰粒子特效等操作對場景進行優化，達到高度的場景實體仿真和物理仿真[8]；通過動畫設計并結合碰撞檢測技術實現站場巡檢，通過C#編寫腳本模擬閥門啟動，采用UGUI 進行人機交互設計，利用場景相機實現多視角轉換，最后，通過多次人機交互反饋修改設計，完成系統發布并交付用戶使用，主要開發流程如圖1 所示。

圖1 開發流程

2 關鍵技術展示

2.1 動畫設計

2.1.1 人物動畫

LNG 虛擬仿真系統設置一工人模型，用以站場巡檢，該人物有跑動和待機兩種狀態。該文通過外部方式導入動畫，利用3Dmax 建立人物模型并添加骨骼節點、蒙皮綁定，以拖動關鍵幀方式將人物運動過程中肢體位置變化記錄下來，實現動畫制作，并導出FBX 格式[8]。動畫準備完畢后，通過在Unity3D 進行設置實現動畫效果，具體流程：將動畫模型拖進Assets 中，勾選Model、Loop Time 和Materials 的默認值選項，設置完成后，新建Animator Controller 并將其拖進模型自動生成的Animator,通過Inspector 菜單進入Base Layer,將“普通工人待機”“普通工人跑”拖進去并改名為“站立”“跑”，通過Make Transition 添加連接線,最后通過C#腳本傳入動畫觸發參數指令。這里主要采用如下代碼來觸發：

2.1.2 火焰粒子特效

LNG 工廠開車之前，需要對管線和設備進行氮氣置換，即利用氮氣推動管道殘余天然氣至火炬，通過燃燒方式實現放空，為增強場景真實感，利用Unity3D 內置粒子系統（Particle System)制作火焰特效，粒子系統是Unity 用來實現火焰、煙霧、流動等其他特效插件，主要由粒子發射器（Particle Emitter)、粒子動畫（Particle Animator)、粒子渲染器（Particle Render)三部分構成[9]。該系統采用使用粒子發射器（Particle Emitter)產生粒子,采用粒子動畫（Particle Animator)在時間軸上移動調整至合適的火焰外形和擺動頻率，最后由粒子渲染器（Particle Render)完成渲染，具體效果如圖2 所示。

圖2 粒子系統火焰特效

2.2 碰撞檢測技術

碰撞檢測是虛擬現實技術在進行模擬過程中處理運動規劃的關鍵所在，主要是指在指定時間域內某一時刻，檢測場景中一對或多對物體之間是否有接觸[10]。Unity3D 內置六種碰撞器，分別為盒狀碰撞器、球狀碰撞器、膠囊碰撞器、網格碰撞器、輪胎碰撞器和地形碰撞器，不同碰撞器適用算法不同[11]。該系統碰撞檢測技術體現在工人巡檢過程中的面板調用，采用盒狀碰撞器，算法采用層次包圍盒算法[12]。當包圍盒發生相交、處于相交狀態和相交狀態取消時，會分別調用OnTriggerEnter()、OnTriggerStay()、OnTriggerExit()三個函數，執行邏輯關系從而實現碰撞檢測功能[13]。當工人與吸收塔距離達到最小檢測距離時，吸收塔參數面板調出，實訓人員可查看壓降、溫度等重要參數，當面板壓降達到報警值時指示吸收塔運行出現異常，如發生填料堵塞、淹塔或胺液發生起泡，此時需采取相應措施，以保證吸收塔正常運行從而達到巡檢目的[14]。參數面板碰撞檢測效果如圖3 所示。

圖3 參數面板查驗

2.3 閥門啟停

LNG 虛擬仿真系統中的閥門是控制生產負荷的關鍵設備，原料氣進口流量以及儲罐裝存流量均通過閥門控制，該系統主要采用自力式調節閥和截止閥，自力式調節閥將管道介質流動產生的壓力傳輸至彈簧壓力裝置進而推動閥桿改變閥門開度，截止閥則需手動轉動手輪推動閥桿改變閥室開度[15]。該系統采用材質球調用和浮點數插件實現閥門開度的變化，場景中的調節閥和截止閥閥蓋手輪位置添加了碰撞器組件，通過Input.GetMouseButtonDown()[16]系統API 檢測實訓人員否單擊鼠標左鍵，鼠標左鍵單擊閥蓋時，通過ColorChange() 方法調用Green Material 至閥蓋以及所連管道，表示閥門開啟，具體對比效果如圖4 所示。

圖4 閥門啟停

通過浮點數插件模擬手輪扭矩力累加，達到最大扭矩手輪轉動，最大扭矩計算公式為:

式中，MF為截止閥手輪最大扭矩，DN為閥門口徑，PN為設計壓力，Kε為螺紋摩擦系數。當API檢測鼠標點擊手輪時，程序自動將該事件定義為一次浮點數并存儲至后臺計算程序，達到預設最大扭矩值時執行手輪旋轉效果，該插件采用C#編寫，核心程序如下：

3 系統功能與實現

3.1 登錄模塊

LNG 虛擬仿真系統登錄和場景轉換通過UGUI插件實現，User Interface 是用戶與系統進行交互控制和信息交換的重要媒介，Unity3D 集成了功能完善的UGUI，設計人員通過在Canvas 畫布上部署系統所需元素，可以靈活、快速地實現人機交互操作[17]。學員在登錄界面正確輸入學號密碼后點擊登錄，將彈出“學習模塊”、“實訓模塊”場景入口按鈕，點擊相應場景入口即可進入。登錄界面如圖5 所示。

圖5 登錄界面

場景入口Button 掛載場景轉換腳本，以學習模塊為例，主要代碼為functionOnGUI(){GUI.Label(React(300,50,600,300),str)；If(GUI.Button(Tect(250,450,200,50“)進入學習模塊”））}

3.2 效果展示

LNG 虛擬仿真系統主要由學習模塊和實訓模塊兩部分構成，學習模塊主要為教師提供知識講解平臺，包括工藝流程、操作演示、設備簡介等內容，其中通過對關鍵設備的拆解和透明化處理，學員可學習主要生產設備的結構和運行原理；此外，學習模塊還提供LNG 工廠工藝流程分部展示和理論知識講解，使學員快速掌握工廠操作規程；實訓模塊則要求學生親自動手進行模擬投產、正常運行、正常停車、緊急停車等操作。學習模塊用戶主要操作方式為場景漫游，通過改變相視角從而進行全局漫游，該功能依靠場景中掛載FreeCamera 腳本的Main Camera 實現，用戶通過鍵盤按鍵和鼠標右鍵控制相機空間方位，具體效果為W、S、A、D 控制視角前后左右移動，Q、E鍵控制視角升沉，長按鼠標右鍵可進行環繞四周，從而全面了解整個場景的布局，實訓模塊則在次基礎上增加了第一人稱功能，用戶可選擇工人視角作為第一人稱視角，通過該“化身”進行站場巡檢、工藝控制等操作。設備介紹和視角效果如圖6 所示。

圖6 效果展示

4 結束語

該文以LNG 工廠為工業背景，重點討論虛擬現實系統的設計和開發，系統設置學習模塊和實訓模塊，將理論和操作相結合，既滿足傳統課堂教師授課要求，又能實現學生由單方面接收知識到動手操作的轉變。LNG 工藝流程復雜，并具有易燃易爆低溫特性，傳統實訓方式存在一定風險，而目前LNG 操作仿真系統多采用scada 組態軟件開發[18]，相較傳統實訓式具有高效安全低成本等優勢，但受限于只能進行二維展示，無法真實展示站場總體布局和關鍵設備外形結構，實現LNG 工廠真實場景的沉浸式教學,基于虛擬現實技術的LNG 工廠虛擬仿真系統的開發利用計算機三維建模和渲染技術，高度還原真實站場，采用編程語言實現虛擬生產過程，有效解決傳統仿真教學缺乏沉浸性、交互性、趣味性等難題，同時也將為其他領域的虛擬仿真項目開展提供一定參考價值。