梭式窑陶瓷烧制技艺虚拟仿真系统的研究与开发

李家春

（南昌工学院，江西 南昌 330108）

一、研究内容及定位

（一）研究内容

本系统立足于现代新型的间歇式窑炉燃气梭式窑烧瓷技艺，以燃气梭式窑陶瓷烧成操作工序为蓝本，借助VR 交互呈现技术，依据景德镇真实的梭式窑烧窑场景搭建的全比例实物设备数字化模型及场景空间布局，研究并开发燃气梭式窑烧窑技艺以高仿真、高交互操作的、全程沉浸参与式的虚拟梭式窑烧成操作工序仿真教学系统，呈现燃气梭式窑烧成操作过程中的烧成工作原理、关键烧成设备结构拆解、场景布局、烧窑操作工序核心技术。以解决传统授课中如步骤繁多、烧成周期较长、成本高、危险大、参与度低等弊端，从而让学生在虚拟环境中通过智能操作指导、具体化的操作流程、自主控制烧窑实验过程，独立开展陶瓷梭式窑烧成工序实验。

（二）项目定位

目前陶瓷烧成技艺由于操作步骤繁多、烧成周期较长、经验要求高、危险因素多等属高危行业。传统陶瓷烧成工序讲授主要依靠口头传授和烧窑师傅传带以及三维动画漫游等方式，但都会受到场地大小、安全性、体验差等因素限制。本项目将为陶瓷工厂和作坊员工培训、宣传，以及高等院校陶瓷相关专业学生学习烧窑工序提供一个三维数字化的、高仿真度的、高交互操作的、全程参与式的逼真人机交互梭式窑烧成实验模拟系统。让学生有效克服梭式窑的烧制过程耗时长，缺少全程参与、错误操作导致的严重后果与烧制过程的局限性，培养学生们的操作手法和危险意识以及梭式窑烧成原理的理解。熟悉掌握梭式窑陶瓷烧成的真实工作环境，为梭式窑烧成实践操作奠定良好基础。根据项目定位，系统采用模块化设计，将大纲要求的教学内容融入烧窑工作面的操作工序流程中，划分梭式窑窑炉升温规律理论、燃气梭式窑烧窑设备拆解、烧窑环境实景式认知、装窑、燃气梭式窑烧窑工序、实验模拟考核等模块。

二、燃气梭式窑烧制技艺虚拟仿真系统架构

（一）窑炉升温规律理论教学模块

本模块是仿真实操教学系统中基础理论教学模块，本模块针对复杂燃气梭式窑烧窑工序中的操作环节技术要点与原理进行讲解学习，包括梭式窑概念、分类、生产系统、窑炉升温曲线烧制方法、更换液化气、调整压力阀、点火、调控火焰颜色、烧窑操作安全规范，危险意识等理论。教师在讲授过程中，搭配VR 设备，点击PC 端界面上按钮，进入仿真系统虚拟空间后，可根据需要从不同视角进行切换。分别点击“教学目标”、“教学重点”、“难点”图标按钮，左侧伸出画布；点击“教学内容”按钮，会弹出“梭式概念”、“烧成技术”两个按钮，再点击会弹出相关教学文字内容，可上下滑动进行翻页讲解相关知识点。如图1

（二）燃气梭式窑烧窑设备拆解模块

本仿真系统中，设有梭式窑烧窑设备拆解模块，主要包括窑体、烧嘴、汽化炉、窑车、气化炉工作原理等仿真实训。该模块基于Unity3D开发引擎，依据景德镇真实的梭式窑设备，导入3dmax 建模软件中完成次世代模型资源制作，数字化全比例完整再现梭式窑陶瓷烧成设备仿真、场景仿真。运用动画技术、火焰粒子特效、烟雾、对窑炉主体结构拆解、汽化炉工作原理等进行沉浸式、交互式呈现。实验教学中，通过VR 手柄点击“梭式窑基本结构”按钮，转换虚拟场景，通过分别单击不同设备名称按钮，进入到相应的设备虚拟场景界面中，可通过360°自由动态捕捉选择与切换视角直播，捕捉梭式窑各设备结构中的细节，点击“归位”按钮，可以回到初始位置，让学生身临其境的拆解梭式窑设备，全面认知梭式窑生产系统中燃料供给及燃烧设备、燃烧风机、烟气－空气换热器、调温风机和排烟风机、汽化炉等组成与工作原理。如图2

（三）燃气梭式窑烧成工序流程实践仿真模块

本模块包括景德镇烧窑环境实景式认知体验、装窑仿真、梭式窑陶瓷烧成角色代入式实操、考试模拟等模块。模块中涵盖实验场地安全须知、烧窑操作安全规范，危险突发状况处理指导手册、装窑介绍、烧窑工序操作流程指导书、实验报告书等。学生通过点击界面上的“梭式窑烧制仿真体验”按钮，转换进入模拟景德镇梭式窑烧窑作坊真实场景而构建的3D虚拟环境，在虚拟环境中开展燃气梭式窑烧成工序操作实践。

1.景德镇烧窑环境实景式认知体验

景德镇烧窑环境漫游以第三人称视角漫游方式，结合语音播报引导，进行烧窑场所漫游，“真实”体验景德镇梭式窑烧窑环境。学生通过左手扣动射线点击UI，右手贝塞尔曲线瞬移和触摸等进行快速跳转和定位，了解液化气操作间、窑炉操作间的主要设备布置。准确识别窑体、烧嘴、汽化炉、窑车、燃料供给及燃烧设备、燃烧风机、排烟风机等布局。

2.装窑仿真实训

该模块学生可根据所烧陶瓷产品的规格、釉料温度需求,自主确定所采用码脚、棚板尺寸规格,位置等，在装窑时,要求棚板、码脚平衡,牢固,装一层码一层,注意产品装载高度勿碰到窑炉内的热电偶。装窑操作完成后,结合动画技术，通过VR 手柄拖动窑车送入梭式窑内，关上窑门，完成装窑仿真操作工序，让学生体验装窑的规律与方法。

3.燃气梭式窑烧窑工序角色代入式仿真

燃气梭式窑烧窑工序实操以烧窑老艺人角色扮演为核心，借助HTC VIVE 眼镜和手柄交互模拟操作梭式窑烧成设备。学生参照烧窑流程指导书，通过手柄交互操控液化气罐阀门、截止阀、气压表、气化炉、烧嘴、烟气－空气换热器、调温风机和排烟风机等,结合智能操作指导，模拟梭式窑陶瓷烧制工序全流程，包括烧窑前检查准备、汽化炉升温、窑体烘干、低温阶段、氧化阶段、还原阶段、保温阶段、冷却阶段等操作工序的交互仿真。培养学生们的操作手法和危险意识以及烧窑操作流程。如图3（a-b）

图3 燃气梭式窑烧窑工序仿真

4.考核模拟

考核包括理论考核和实训考核两个方面部分。系统内设置多套陶瓷烧成知识试题库，学生通过进入“课堂知识考核”模块，系统将随机抽取20道的陶瓷烧成知识试题进行课堂互动与练习。从而达到对梭式窑烧成工序的关键流程和安全注意事项考核的目的。学生也可以进入“实操考核”，学生将在关闭智能操作指导下，开展自主控制烧窑实验过程，系统将判断烧窑工序中步骤操作的正确性，记录操作过程，得出相应分数。

三、总结

本系统立足于现代新型的间歇式窑炉燃气梭式窑烧瓷技艺，以燃气梭式窑烧成操作工序为蓝本，借助VR交互技术，结合动画技术、粒子特效技术，呈现燃气梭式窑烧成操作过程中的烧成工作原理、关键烧成设备结构拆解、烧窑操作工序核心技术和关键步骤等数字化交互仿真实训功能，从而有效克服陶瓷作坊、高校等传统烧窑讲授方式的弊端。