新型水泥生产装备虚拟仿真系统开发

吴飞　黄威

摘 要：由于水泥生产现场环境恶劣、生产过程中使用的设备种类繁多、到现场参与实习的费用巨大以及到现场安全风险较高等问题，学生无法通过传统的实验教学方法了解水泥生产设备的组成和工作原理，也无法真正了解水泥生产的工艺流程。为解决以上问题，通过功能强大的Unity 3D三维引擎，设计并开发了一套基于VR（Virtual Reality）技术的三维虚拟水泥生产装备仿真实验系统。该虚拟仿真系统能够准确地展示相关的装备知识及工艺流程，同时能提升实验教学质量和教学水平。

关键词：水泥生产装备;虚拟现实;实验教学;Unity 3D技术

1 引言

水泥的生产工艺极其复杂，涉及破碎、粉磨、均化、预热、煅烧、冷却等工艺流程，生产过程运用多种大型设备，涉及颚式破碎机、立式磨、均化库、旋风式悬浮预热器、分解炉、回转窑、篦式冷却机、增湿塔、球磨机、电除尘器等，生产现场为高温、高粉尘、高噪声的恶劣环境[1]，生产企业基本不接受在校学生现场实习，且即使学生到达生产现场，也只能观察到大型设备的部分外观，无法深入了解水泥生产设备的组成结构和工作原理，更无法真切了解水泥生产的工艺流程，而学校实验室则不可能建设真实的水泥生产线，真实实验平台根本无法搭建。

虚拟现实（Virtual Reality， VR）技术是仿真技术、计算机图形学人机接口技术、多媒体技术、传感技术、网络技术等技术的交叉技术，它具有： 交互性、多媒体信息感知性、沉浸感、自主性等特点[2]。利用VR技术可以用可靠安全和经济的逼真虚拟实验项目替代了高危险性、高成本和部分不可操作的实物实验。自2013年教育部启动全国虚拟仿真实验教学中心建设以来，许多高校相继开展建设了虚拟仿真实验教学中心，VR技术技术在工学、理学、农学、医学、管理学等11个主要学科领域都得到广泛应用[3-6]。

本项目以真实现代化大型水泥生产企业线为原型，利用虚拟仿真技术直观展现当前最先进的新型干法水泥生产工艺。综合运用水泥生产工艺流程认知、关键设备结构认知与分析等实验内容，引导学生在虚拟仿真环境中完成对新型干法水泥生产工艺与装备从认识分析到实践学习全过程。另外，该项目已获批2018年国家级虚拟仿真实验项目。

2 开发工具及开发流程

Unity3D游戏开发工具能轻松创建三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等互动内容[7]。将Unity3D应用于三维虚拟水泥生产装备仿真实验系统开发能提高虚拟仿真实验的仿真程度。

虚拟仿真系统开发流程有：建模、交互设计、测试与修改等，如图1所示。

2.1 水泥厂场景模型建模

在水泥厂场景模型建模前，首先拍摄和搜集了水泥厂实物照片，并对照其三维实物模型确定其各尺寸数据。

整个虚拟仿真系统的逼真程度由场景模型的建模、贴图和渲染等效果直接决定。常见的建模软件有SolidWorks、AutoCAD、Sketch、Maya、3Ds Max等。综合考虑建模逼真程度、学习难易程度、硬件系统要求等因素，开发过程中选择使用3Ds Max建模。

在完成模型建模和相应的模型贴图后，将模型格式转化为Unity3D引擎所支持的.fbx格式，以便后续添加交互操作。

2.2 交互設计

在Unity3D工程中，三维模型以及相应的模型贴图都存放在Assert文件夹中。在向模型添加交互前将前期准备好的模型和贴图导入Assert文件夹，Unity3D会自动兼容这些资源的格式。

作为用户的第一印象，UI界面的设计很重要。在本系统中，使用UGUI控件来完成整个系统的界面设计。其中的窗口、按钮、输入框、文本框等外观则由Photoshop绘制，绘制完成后将资源导入Assert文件夹中以备使用。

为了防止操作两个对象时出现穿透现象，需要在虚拟环境中使用碰撞检测技术。常见的碰撞检测方法可从时间域和空间域两个角度归类，从时间域角度可分为静态碰撞检测算法、离散碰撞检测算法和连续碰撞检测算法，从空间域角度可分为物体空间和图像空间两个方向，其中物体空间方向有均匀划分、八叉树、BSP树、包围盒等碰撞检测算法[8]。由于包围盒算法能将碰撞的测试时间复杂度降为[9]。因此在本系统中使用常见的包围盒算法来对物体对象进行碰撞检测。

为了使以上的资源在Unity3D拥有动态的行为，还需要编写相应的脚本程序。在Unity3D中编写脚本程序可使用的是其内部集成的MonoDevelop编辑器，而脚本语言则用C#和JavaScript语言编写。

2.3 测试与修改

交互设计完成后，需要将系统按照需求在Unity3D的界面File菜单中Build Setting设置生成应用程序，以便后续的测试与修改[10]。测试主要是为了检查交互设计中的功能是否运行正常、操作过程中是否存在Bug、UI界面是否协调等。测试中发现不合理的地方只需返回交互设计中的相应部分修改。完成测试与修改部分后即可发布应用程序完成系统。

3 虚拟仿真实验系统

3.1 实验系统总体框架

水泥生产工艺复杂，装备众多，相比其他单一功能的虚拟仿真系统，水泥生产装备虚拟仿真系统需要能实现多种实验以适应教学需求。在水泥生产的实验中，各实验之间相互联系小，可独立成一个模块。本文的虚拟仿真实验系统框架设计如图2所示。由图可看出，本文的虚拟仿真实验系统中，用户可通过输入/输出设备（鼠标、键盘等）在图形用户界面（GUI）进入其中一个独立的虚拟仿真实验，在有序完成该实验各步骤后才能正常退出。

3.2 实验功能模块设计

本文的虚拟仿真系统现包括漫游功能和颚式破碎机仿真两个主要功能模块，在后续也可在已有的基础上根据需求开发出新的功能模块，其总体功能规划图如下图3所示。

3.2.1 漫游功能

漫游模式中使用者可改变观察距离及角度，以便宏观了解新型水泥生产线的基本构成。漫游模式主界面图如图4所示。

漫游模式设计为：流程漫游、场景俯视、上帝视角和自由漫游四个功能。流程漫游中配有画面及语音讲解，以便熟悉新型水泥生产工艺流程、设备结构组成、设备工作原理及物料发生的物理化学变化情况。场景俯视中可直观地观察水泥生产企业的设备布局及工艺流程。上帝视角中能对整个厂区的放大、缩小、旋转和平移等操作。自由漫游中可以使用类似网络游戏的操作模式，完成在虚拟厂区的自由走动，自行选择学习和观察对象。

查看感兴趣的设备时，可进入三维模型展示区，并能对三维模型进行旋转、放大、缩小等操作。如图5左侧为颚式破碎机的结构展示，右侧为知识点查看区。知识点查看区中展示该设备的用途、结构及工作原理、主要类型、实物图片和视频动画。

3.2.2 颚式破碎机拆装及设计

颚式破碎机拆装及设计模块设计为爆炸图、引导式分步拆装、自主拆装和关键设计尺寸等不同的模式。颚式破碎机拆装及设计实验中可通过爆炸图模式直观地了解破碎机的结构组成，然后以观察破碎机的运动仿真动画、查看文字资料等方式学习颚式破碎机工作原理，如图6所示为颚式破碎机的结构展示爆炸图。

引导式分步拆装模式中引导学习拆装基本知识，进行分步拆装训练，在掌握破碎机结构组成、零部件之间的装配关系及正确的拆装顺序后，方可自主拆装，起到教学示范作用。

关键尺寸设计模块中主要是对啮角、动颚水平行程、偏心距、连杆、动颚长度和推力板长度五个关键参数进行设计计算。由于关键参数在设计和计算过程中具有一定的先后关系，因此必须按照啮角-动颚水平行程-偏心距-连杆、动颚长度-推力板长度的先后顺序依次进行计算。如图7所示，为啮角的设计悬浮框。

通过类似形式，可完成动颚水平行程、偏心距、连杆、动颚长度和推力板长度的尺寸设计。

4 结语

在虚拟仿真实验教学项目场景中，通过无死角查看新型干法水泥生产各设备组成结构及生产过程，并结合文字、图片、语音等资料，学习设备用途、结构及工作原理等内容，配合透过设备外观观察到的设备内部物料发生的物理、化学变化，掌握水泥生产工藝流程，不仅减少了经费投入、节约了场地，同时还避免了去现场实习的安全风险，更重要的是该系统能够不受时间和空间的限制，准确、直观地展示教学内容，提升了教学质量。

参考文献：

[1]王强.水泥装备制造数字化管理平台的研究与应用[D].武汉理工大学，2013.

[2]张宜静，马治家，姜国华.基于虚拟现实的空间人控交会对接仿真实验系统[J].计算机仿真，2002（06）：33-36.

[3]祖强，魏永军.国家级虚拟仿真实验教学中心建设现状探析[J].实验技术与管理，2015，32（11）：156-158.

[4]汪云甲，杨敏，郭广礼，余接情，查剑峰.矿山测量虚拟仿真实验教学系统构建及应用[J].测绘通报，2016（07）：129-132.

[5]李传，王振波，刘欣梅，王丽飞，严文娟，李军.石油化工与装备国家级虚拟仿真实验教学中心的构建与实践[J].实验室研究与探索，2018，37（05）：162-167.

[6]李平，毛昌杰，徐进.开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高高校实验教学信息化水平[J].实验室研究与探索，2013，32（11）：5-8.

[7]郭静，朱学江，袁艺标.Unity3D在基础医学虚拟仿真实验教学中的运用[J].科技视界，2016（24）：48-49.

[8]高越. 计算机辅助吊装选型及碰撞检测研究[D].北方民族大学，2016.

[9]吴景. 基于Unity3D的虚拟实验系统的设计[D].广东工业大学，2015.

[10]朱柱. 基于Unity3D的虚拟实验系统设计与应用研究[D].华中师范大学，2012.