基于Unity 3D的石化设备可视化系统的研究

吴港本，孙雅丽，陈伯骐，林玉娟

(东北石油大学机械科学与工程学院，黑龙江 大庆 163318)

近年来，由于新媒体技术的迅速发展，AR增强现实技术(简称AR技术)在各行各业的众多领域已经有了较为广泛的应用，其不仅在教育领域有着巨大的潜力【1】,同时利用该技术还使我国的传统纸媒行业实现了模式转型【2】。AR技术的不断成熟，为传统媒体实现立体交互式、全媒体传播提供了契机。作为一种新兴技术，它在国内的应用已经延伸至各个领域【3】，但是调研发现，其在石化行业的应用仍然较少。

1 AR技术应用于石化设备的必要性

现在的石化设备制造商、供货商在加工设备时，设计图纸只限于二维图纸，只能由专业读图人员识图，这样不仅制造周期长，而且设备在安装过程中，由于零部件种类和数量繁多，而且配合关系复杂，也只能由特定的技术人员进行装配；另一方面即使是拥有丰富经验的维修人员在对设备进行维护、维修时，也会遇到查找零部件纸质说明书速度慢、信息杂乱、无用信息多、分类不明确、不直观等问题，这样不仅效率低，而且出错率高，同时对维修人员的技术要求也比较高。以上这些难点都可以通过运用AR技术得到解决。

AR技术可以用来模拟学习对象，让学习者在现实环境背景中看到虚拟生成的模型对象，而且可以快速生成、操纵和旋转模型，能够在最贴近自然的交互形式下为学习者搭建一个自主探索的空间，这对于抽象内容教学和提升学习者兴趣都有启发意义。

2 石化设备可视化系统概述

石化设备可视化系统由两个分支组成，其一是实现设备的可视化；其二是数字化工厂的建立。

要实现设备的可视化需要显示技术、跟踪定位技术、标定技术和界面与可视化技术提供支撑【4】。该系统以Unity 3D为开发环境，借助C#语言的二次开发，以Solidworks建模软件为辅助工具，结合过程装备与控制工程专业知识，实现识别对象与显示模型的一一对应，并且以显示技术为媒介将AR技术的最终环境显示出来。界面与可视化技术使得该系统可通过手机屏幕将二维图形到三维图形、三维图形到三维模型、三维动画以及三维视频的“凝实”转化等虚拟与现实结合的场景展现给用户，实现传统平面文字、图像、工程图纸的AR增强演示。该系统可服务于产品设计者、设备供应商、化工生产企业、工程培训机构等。

相关资料显示，数字化工厂总体设计可分为数据层、专业模型层、业务应用层、显示模式层。该系统在实现设备可视化的前提下，实现了数据层面数字化工厂的建立，使得无纸化办公在石化行业有了很好的应用。

3 石化设备可视化系统的设计开发

3.1 开发环境介绍

Unity 3D是Unity Technologies开发的一个可轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎【5】。Unity 3D支持各种脚本语言(其中包括 Java-Script、C#、Python)，兼容各类操作系统，目前已越来越多地被应用到三维场景的开发工作中【6】。

C#是微软公司发布的一种面向对象的、运行于.NET Framework之上的高级程序设计语言，是该公司研究员Anders Hejlsberg的最新成果，在微软职业开发者论坛(PDC)上登台亮相。C#与Java有着明显的不同，它借鉴了Delphi的一个特点，与COM(组件对象模型)直接集成，是微软公司 .NET windows网络框架的主角。

3.2 开发过程介绍

开发过程具体如下：

1) 制作识别图，可下载已经制作好的，也可使用Vuforia等平台自己制作；

2) 在Unity 3D中配置好环境，导入相应模块，如AR Camera、Image Target；

3) 制作并导入需增加的虚拟影像，并加载在Image Target上；

4) 编写C#Script添加虚拟影像的交互模块；

5) 填写License Key；

6) 配置Android环境，打包发布APP。

其开发过程流程如图1所示。

图1 石化企业AR技术的应用系统开发流程

3.3 系统功能介绍

该系统功能如表1所示。

表1 石化设备可视化系统开发功能

3.3.1图纸的交互演示

图纸的交互演示功能需要以下几个模块实现：

1) 图像输入模块。通过手机摄像头、AR眼镜等各种图像输入设备将所观察的设备进行实时录入，进行下一步处理。

2) 图像处理模块。设定好所需要增加的虚拟影像，根据需要将输入图像信息与“真实世界”拼接合成。

3) AR显示模块。将处理完成的AR效果呈现给用户。该功能可通过多种设备实现，大到电脑、小到手机，还有“沉浸感”更为完美的AR眼镜。

三维浏览交互功能的实现可通过对需要增加的虚拟影像添加指令，使虚拟的“现实”得以控制，增加真实性与趣味性，优化用户体验。该系统中设备的浏览可以通过手触摸屏幕实现，同时可以通过手势实现模型的放大缩小，而且设备放大缩小的速度与限度都可以通过编写代码实现。从二维到三维，可使入职人员清楚地了解设备结构及其工作原理。该系统除了可通过手势控制设备旋转、放大、缩小，还可以实现设备拆解安装动画视频的播放，真正做到了人机交互。

3.3.2数字化工厂的建立

数字化工厂是利用数字化技术，收集设计、制造工艺，生产管理，企业管理，销售和供应链等各方面人员的知识、智慧和经验，进行产品设计、生产、管理、销售、服务的现代化工厂模式，其实质就是工业物联网的应用【7】。虽然各国政府积极倡导，但是其并没有在应用上有实质性的突破。而该系统是从石化行业基础数据出发，以建立高效管理的现代化工厂模式为目标，先实现了基于数据层面的数字化工厂的建立，将3D/虚拟现实可视化与数据管理集成在一起。

实现该数字化工厂的建立需要将设备的型号、检维修历程等导入数据库中，当化工厂发生设备故障时或在检维修期间，维修人员可以直接通过扫描工艺流程中设备所对应的铭牌而实时获取设备的详细信息，例如设备型号、规格、过往检维修历程以及高发问题等。这样可以免去翻阅以往记录的繁琐过程，节省时间与人力，同时该工厂的数据库还可以实时进行更新，避免信息记录不全与丢失的可能性，也有助于实现石化系统中的信息共享，方便管理。

4 石化设备可视化系统的应用展示

以螺杆泵为例进行图纸交互演示功能的展示。利用发布的APP并以手机为媒介对螺杆泵的零部件图纸以及装配图进行扫描，会出现相应设备。图2为螺杆泵装配图三维模型的虚拟显示。

图2 螺杆泵三维模型显示

AR技术最大的优越性体现在可实现虚拟事物与真实环境的结合，让真实世界与虚拟物体共存，同时可实现虚拟世界与真实世界的实时同步，使得用户在现实世界中真实地感受到虚拟空间中模拟的事物，增强使用的互动性。为实现人机交互，提供更好的用户体验，该系统将AR技术的这一优势进行了很好的开发与应用【8】。同样以螺杆泵为例，不论是学习者还是设备制造者都可以通过该系统在现实环境背景中看到虚拟生成的螺杆泵模型，而且可以通过触摸屏幕实现螺杆泵模型的旋转与缩放，如图3和图4所示。

图3 螺杆泵三维模型旋转显示

基于数据层面的数字化工厂的建立，实现了系统APP与数据库的结合，通过扫描设备铭牌或流程图中对应设备便可获取设备检维修历程与各零部件型号规格等。图5所示即为扫描流程图中的设备，在手机界面上显现出设备的立体模型以及在对话框中显示设备型号、规格等的示例。在对话框中还可以选择显示模型的检维修历程以及设备高发故障等。

图4 螺杆泵三维模型放大、缩小显示

图5 数字化工厂

5 石化设备可视化系统的应用价值

对于刚刚入职的员工，化工厂中AR技术的应用，不仅可为其提供丰富多彩的学习机会，还可增强其对可视物理规律的理解，提升实验能力。对于维修人员的培训，也可实现设备、零件的可视化，使其通过触碰进行与三维模型的交互体验，更生动地观察所要学习的对象，增加学习的趣味性，提高学习效率，大大减少培训费用和培训周期。

对于化工相关行业(如制造业等)，AR将设备的工作原理展现得更加清晰，使其对“门外汉”培训变得更加容易。通过二维图纸形成三维模型的交互演示，使学员对陌生零件的观察与认识更为简便，解决了只有专业技术人员识图、设备复杂、维修困难等问题。

化工生产中AR技术的配套使用，实现了工厂数字化，使得对工厂的管理更为准确与简便，略过繁杂的纸质资料，通过AR技术直接了解所需设备的各项资料，既节省了查阅时间，又能保证资料的准确性、实时性，同时还可实现无纸电子化办公， 绿色、高效、安全， 有效优化生产组织的全部活动， 提高生产效率、 物流运转效率以及资源利用效率。

6 结语

基于Unity 3D交互平台，在三维建模软件辅助作用下，将AR增强现实技术成功应用到化工及其相关行业，开发出相关APP， 仅仅需要一台配置摄像头的电脑或者是一部智能手机就能完成真实环境和虚拟对象的交互，更好地实现了理论学习与实践的结合。同时AR技术的发展为石化企业实现高效、节能开辟了新纪元。石化企业AR技术应用系统的研究促进了石化行业的更快速发展， AR数字化工厂的建立给石化企业的检维修带来很大的便利，使数据的获取更加便捷，零部件的更换更加高效、准确， 从而提高工厂经济效益。