黄豆酱生产3D虚拟仿真平台的构建与运行

李志江 戴凌燕 王艳红 张宁 王长远 张东杰

摘要：为真实模拟黄豆酱生产过程，构建了黄豆酱工厂化生产3D平台系统并进行应用。该平台利用三维可视化技术，采用虚拟仿真现实方法，依据黄豆酱生产工厂场景构建模型，按黄豆酱生产过程完成交互和评分，实现了黄豆酱生产工艺过程的在线模拟，主要包括认知学习、卫生规范和仿真学习3个模块，涵盖黄豆酱工厂化生产的原料预处理、制曲、发酵和包装等关键工艺控制和设备操作，具有多维度、高仿真、交互操作、全程参与、过程评价、实时信息反馈与指导等特点。通过应用该平台，可以达到虚拟仿真实践操作、模拟豆酱工厂化生产和企业宣传等良好效果。

关键词：黄豆酱；虚拟仿真；三维可视化技术；实践教学

中图分类号：TS264.24      文献标志码：A     文章编号：1000-9973（2023）07-0142-05

Abstract： In order to truly simulate the production process of soybean paste， a 3D platform system for the industrialized production of soybean paste is constructed and applied.Through the three-dimensional visualization technology and virtual stimulation reality method， a model is built based on the scene of soybean paste production factory. The interaction and scoring are completed according to the production process of soybean paste. Online simulation of the soybean paste production process is achieved， which mainly includes three modules such as cognitive learning， hygiene regulation and simulation learning， covering the key process control and equipment operation such as pre-treatment of raw material， koji making， fermentation and packaging in the industrialized production of soybean paste. It is characterized by many dimensions， high simulation， interactive operation， whole process participation， process evaluation， real-time information feedback and guidance. By applying this platform， good results such as virtual simulation of practical operation， simulation of factory production of soybean paste and enterprise publicity can be achieved.

Key words： soybean paste; virtual simulation; three-dimensional visualization technology; practice teaching

黄豆酱又称大豆酱、豆酱，是以黄豆为主要原料，经微生物发酵酿制的传统酱类调味品（GB/T 24399—2009）。《中国制造2025》和《智能制造发展规划（2016—2020年）》均明确提出了食品行业的智能化和绿色制造升级，随着酿造技术的进步，黄豆酱生产已由传统手工制作发展至工业“3.0时代”[1]。食品生产是一个复杂的系统工程，包括原料选择和处理、设备选型、工艺和质量控制、包装等内容，可采用数字化方式镜像食品生产工艺、物理车间和设备等，建立由“物”及“数”的联网映射，实现虚拟环境再现模拟食品的生产过程[2]。通过采集数据进行虚拟化处理，研究人员构建了白酒酿造工艺仿真体系，操作人员在虚拟仿真场景中学习了白酒固态发酵步骤和流程[3]。利用虚拟现实技术，研究人员开发了面包、鱿鱼圈、浓缩果汁、香菇汤、油炸果蔬脆片和干酪等食品生产仿真平台，使用者在视觉和听觉感官方面犹如身临其境，系统掌握了食品的工厂化生产过程[4]。借助计算机仿真，开发者构建了啤酒和葡萄酒生产的发酵控制系统，操作者体验了虚拟的单元操作仿真环境，为学习人员创造了便利[5]。

当前，传统黄豆酱生产主要集中于生产工艺控制、微生物和风味品质等的科学研究[6]，以及教学方法和实习实践等[7]，而关于黄豆酱生产虚拟仿真平台方面鲜有报道。笔者曾对“豆酱的生产与质量控制”虚拟仿真实验教学提出了构建设想，但仅提出了教学方面的特色，未对工厂化黄豆酱生产虚拟仿真平台系统进行细化[8]。因此，在互联网时代背景下，进一步探讨基于3D虚拟仿真技术的黄豆酱生产平台构建，将有助于指导我国黄豆酱生产智能化制造水平。

本文以黑龍江省某知名大型黄豆酱企业生产实际为例，建设了黄豆酱生产3D虚拟仿真平台并进行了操作运行，以期解决黄豆酱生产的虚拟仿真信息化建设难题，推动我国黄豆酱生产智能化水平，辅助食品科学与工程专业学生实验教学和专业技术人员培训。

1 黄豆酱生产3D虚拟仿真平台的开发与特色

1.1 建设目标

黄豆酱生产3D虚拟仿真平台以企业生产实际为模型，应用了企业技术标准、配套设备和质量规程等，通过仿真技术和工具建立由实物及数字的仿真平台。旨在构建多维度、高仿真度、高交互操作、全程参与式、可提供实时信息反馈与操作指导、虚拟的仿真平台，真实再现黄豆酱生产全过程，设计路线图见图1。

操作人员通过在本平台上的训练，进一步熟悉黄豆酱生产专业基础知识，掌握黄豆酱生产的操作步骤、设备原理、相关参数控制，为操作人员充分掌握黄豆酱生产做准备。

1.2 开发技术和工具

1.2.1 开发技术

通过3D仿真技术实现虚拟教学仿真。在Windows平台下，3D引擎通过DirectX技术实现黄豆酱生产3D模型渲染及材质灯光调节；通过Animation窗口利用骨骼动画、关键帧和序列帧动画进行3D模型动画制作，利用Particle System特效粒子实现设备运行特效，通过计算机图形学和计算几何学等实现仿真企业实际操作。利用后台模块化模型的搭建和链接实现数据仿真计算，结合VR、AR和动作捕捉技术，实现增强虚拟化变现和交互性，并内置评分系统对相关操作及参数内容进行实时评分。

1.2.2 开发工具

采用Unity 3D作为3D开发引擎，利用C#语言并通过Visual Studio工具进行程序开发；借助Photoshop进行课程相关知识点图片及软件UI的整合制作；结合SVN、Microsoft Project等工具进行程序版本控制和项目管理；采用次时代建模技术，使用Maya、3D Max、Substance Painter等工具制作黄豆酱仿真资源模型。操作人员可在常用的电脑端进行注册和在线使用，操作成绩可上传至平台教师站进行保存查看。

1.3 平台软件启动与运行模式

1.3.1 平台软件启动

操作人员完成软件安装后，经开发人员审核注册情况，给予使用权方可运行虚拟仿真软件。选择“豆酱生产与质量控制虚拟仿真软件”，点击“启动”按钮，显示主界面，进入场景后，进行实验操作（见图2中A）。启动软件后，出现仿真软件加载页面，软件加载完成后进入仿真实验操作界面。

1.3.2 运行模式

1.3.2.1 练习模式

该模式针对的对象是初学者。相应的步骤有提示，操作人员只有正确完成当前的操作，才会出现下一步操作的提示。

1.3.2.2 考核模式

操作人员使用练习模式后，考核人员可通过考核模式对操作人员的学习效果进行检测，该模式下无步骤提示，完成相应的步骤得到相应的分值，作为评定标准。

1.4 平台特色

本平台采用三维可视化技术，依据黄豆酱发酵工厂实际场景搭建模型，按实际生产过程完成交互，完整再现了黄豆酱生产工艺过程。配有评分系统，操作人员可查看有关设备及工艺的相关知识点，为操作人员提供了自主发挥的实训舞台，特别有利于调动操作人员动脑思考，培养操作人员的动手能力，同时也增强了学习的趣味性。

1.4.1 三维可视化技术

利用电脑模拟产生一个3D空间的虚拟世界，构建高度仿真的虚拟生产环境和生产对象，向使用者提供关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身临其境一般，可以及时、没有限制地360°旋转观察3D空间内的事物，界面友好，互动操作，形式活泼。

1.4.2 智能操作指導

系统能够模拟生产操作中的每个步骤，并加以文字或语言说明和解释。

1.4.3 评分系统

系统给出操作提示，操作正确时得分，错误时扣分，每个步骤最多扣分3次。

1.4.4 应用价值和应用前景

本平台由计算机程序设计人员、三维可视化技术人员、具有实际经验的一线工程技术人员、专业教师合作完成，贴近实际，过程规范，实用性强，具有较大的可推广应用价值，适合教育和培训使用。

2 黄豆酱生产3D虚拟仿真平台的运行

平台包括3个模块：认知学习、规范性卫生操作和仿真学习。

2.1 认知学习模块

通过图文的形式将黄豆酱生产的相关知识点呈现给操作人员，作为认知学习的一部分。主要内容包括原辅料简介、生产设备简介、成品简介、生产工艺学习、原料处理相关知识点、制曲、黄豆酱发酵相关知识、灭菌和包装的注意事项等。操作人员点击“知识预习”按钮，进行理论知识学习。按照操作步骤选择工艺，人物跳转到该工艺相关车间并对相关工艺流程进行知识点学习。点击“设备原理”按钮，选择相关设备，人物跳转至该设备面前，并对设备进行知识点学习。点击“关键参数”按钮，选择查看相关参数要点。

2.2 规范性卫生操作模块

通过认知操作的方式及人物动画展示，还原操作人员进入工厂之前更衣消毒的标准流程，详细讲解及演示每一步操作。主要内容包括换拖鞋、修剪指甲、戴头套、更衣、粘毛发、戴工作帽、戴口罩、换工作鞋、对镜自检、风淋、洗手、消毒等。

点击“卫生规范”，进入更衣消毒车间进行更衣消毒学习。更换拖鞋后，通过“智能访客管理机”进行“人员进出入登记”。进入更衣间，戴好蓝色发网带，脱去便服。利用毛发粘辊去除身上的毛发。依次戴好工作帽、口罩，更换工作服和工作鞋。对镜自检后走出更衣间，再次对工作服进行粘毛发处理。通过风淋间进行风淋，于洗手池进行洗手消毒和烘干（见图2中B）。更衣消毒任务完成后，点击右侧的返回按钮回到菜单主页。本模块包含的人物动画主要有换鞋、风淋、洗手消毒、对镜自检、粘毛发等，通过交互三维动画形式对各步骤进行考核，锻炼操作人员的判断能力，巩固知识的掌握程度。在学习过程中，除了考核操作人员对步骤顺序的熟练程度，还内置思考题，考察操作人员对不同消毒剂不同用途的掌握程度。

2.3 仿真学习模块

本模块是黄豆酱生产3D虚拟仿真平台的核心。采用仿真技术和工具，以黄豆酱企业生产实际为模型，搭建一个高度逼真的黄豆酱生产虚拟场景，包括原料验收区、原辅料加工区、制曲工作区、发酵车间、灭菌包装车间等场景，以及储粮仓、输送泵、蒸煮锅、清洗罐、泡豆罐、制曲池、发酵池、管式灭菌机、包装机等生产设备。操作人员控制虚拟人物在该场景进行仿真操作，任务流程包括黄豆酱生产的全部流程如原料验收、辅料加工、原料加工、混合制曲、一次发酵、二次发酵和灭菌包装。

黄豆酱生产原料验收与预处理操作及车间实践和仿真过程关键点见图3。

2.3.1 原料验收操作与仿真

点击原料仓，学习原辅料验收标准。点击运料车上的大豆和面粉，判断符合验收标准的原料（见图3中A）。原料验收完毕后，沿地面箭头进入生产厂房，更衣消毒（已跳过）后进行黄豆酱生产。

2.3.2 面粉蒸煮操作与仿真

在面粉蒸煮车间，首先检测蒸煮锅设备。点击打开蒸煮锅排水阀，排出管内残水。排水完毕，关闭蒸煮锅排水阀，然后找到控制柜，点击输送泵启动按钮，将面粉输送至蒸煮锅。面粉输送完毕后，关闭输送泵开关，开启蒸汽进汽阀门，通入加热蒸汽。预加热一段时间后，锅内空气被排出，关闭蒸汽进汽阀门。点击封闭螺丝，拧紧蒸煮锅封闭螺丝。将蒸煮锅密封后，再次打开蒸汽进气阀门进行加热。点击蒸煮锅电机启动按钮，对面粉进行旋转加热。调节蒸煮锅蒸汽进汽阀门，观察蒸煮锅压力表，控制蒸煮压力在0.18～0.25 MPa，設置蒸煮时间（见图3中B）。蒸煮完毕后，关闭蒸汽进汽阀门，停止加热。右键点击蒸煮锅，旋转180°，倒出面粉，打开绞龙提升机启动，粉碎按钮，将粉碎后的熟面粉送入风冷机。对熟面粉进行质量检测，将熟面粉吸入旋风分离器进行旋风分离。

2.3.3 大豆预处理操作与仿真

在大豆清洗车间，通过清洗罐清洗大豆，去除洗出的杂质，并学习大豆清洗标准（见图3中C）。打开输送泵，将清洗完成后的大豆输送至泡豆罐，向泡豆罐中注入清水。在泡豆罐二楼平台，将大豆摊平。右键点击泡豆锅中的大豆，根据季节设置泡豆时间。泡豆完毕后，点击泡豆锅内大豆，进行质量检测。

泡豆完毕后，点击1号浸泡罐排料口，打开排料口，将1号浸泡罐中的大豆经漏料口漏至蒸煮锅（操作如面粉蒸煮，见图3中D）。控制蒸煮压力在0.15～0.18 MPa，蒸煮温度在110～130 ℃。蒸煮完毕后排出熟豆，点开输送履带按钮，打开原料输送履带，向风冷机中吹入冷风将大豆降温至35～45 ℃。

依次打开面粉排料按钮、菌种排料按钮、混合绞龙按钮、提升机按钮，将原料混合输送至曲室。点击混合绞龙，测量接种料的温度。

2.3.4 制曲操作与仿真

在制曲室车间，操作人员选择进入，利用“耙”工具铺平曲料。当孢子发芽期培养时间设定为8～10 h，设定曲室适宜温度。点击曲池的温度表，查看品温，当品温超过35 ℃时，打开通风阀门，向曲池中通风降温，控制曲料品温为34～35 ℃。制曲16 h时，曲料进入菌丝生长期后会有曲料结块，此时点击曲池上面的翻曲机，进行翻曲操作（见图4中A）。制曲24 h时，曲料发白并产生裂缝时，点击曲池上面的翻曲机，进行二次翻曲操作。制曲24 h时，曲料发白并产生裂缝时，点击曲池上面的翻曲机，进行二次翻曲操作。制曲完成后，右键点击曲料，将曲池中的成曲通过卸料口排至发酵池。

2.3.5 发酵与灭菌操作与仿真

在发酵车间，点击卸料槽，将曲料引入发酵池。选择“加盐水”，设置盐水浓度及温度。加盐水完毕，右键点击1号发酵池中的物料，设置前期发酵参数（见图4中B），翻酱操作20 min。前期发酵完毕，右键点击发酵池，选择倒池，将酱料倒至中期发酵池。倒池完毕，右键点击2号发酵池中的物料，设置中期发酵参数，翻酱操作15 min。中期发酵完毕，选择倒池，将酱料倒至后酵池，翻酱操作15 min。发酵时间24 h 后，选择“加盐水”，设置黄豆酱参数。黄豆酱发酵完毕，点击发酵池，选择倒池，将酱料倒至贮存池。点击贮存池中的黄豆酱，查看产品质量要求。

点击管式灭菌机蒸汽进口阀，向管式灭菌机中通入蒸汽（见图4中C）。设置灭菌机相关参数，点击启动物料输送泵，将成品酱输送至管式灭菌机中进行高温灭菌。成品酱经灭菌后送入无菌暂存罐，请到暂存车间，右键点击无菌暂存罐，查看相关知识点。设置无菌罐相关参数，点击打开无菌暂存罐出料阀，点击打开无菌暂存罐出料泵，将成品酱送至灌装车间。

2.3.6 包装操作与仿真

在灌装车间，点击内灌装机（见图4中D），进行全自动灌装与人工灌装的对比学习。灌装完毕后需再次进行灭菌风干操作，进入包装车间，点击包装灭菌机控制柜，调整灭菌状态。打开本控制界面，包括加热电源、冲淋电源、风机电源、传动电源等。在功能设置界面设置传动速度及风机功率，在温度设置界面设置杀菌温度及杀菌时间。右键点击封箱机，查看设备运行原理。黄豆酱生产任务完成，回答相关问题。

3 应用效果

平台建成3年以来，已在黄豆酱生产企业进行员工培训，针对本科生和研究生进行工程实践，以及在省外高校进行应用，起到了良好的推广效果。

3.1 用于黄豆酱生产企业培训员工和企业宣传

经建设和完善，本平台已获批“黄豆酱生产与质量控制虚拟仿真软件”著作权（登记号2022SR0346166）。通过单机单角色、单机多角色、分组单角色和分组多角色等方式，对企业生产人员、品控人员和销售人员进行平台使用培训和黄豆酱生产培训，得到了企业和用户的好评，有效提升了黄豆酱生产质量，宣传了企业产品。

3.2 用于本科生和研究生实践教学

随着OBE理念和工程教育专业认证的不断深入，虚拟仿真平台与教学符合食品科学与工程专业“新工科”建设思想[9]，也适应“新农科”建设对卓越农林新型人才的培养需求[10]。2022年6月，本校食品科学与工程专业接受工程教育专业认证考核，作为实习实践环节支撑材料，黄豆酱生产3D虚拟仿真平台对学生工程能力培养起到了重要作用，得到了行业专家的好评。通过学生操作进行全程评分（见图5中A），教师通过平台后台对交互操作内容实时评分，充分了解学生对黄豆酱生产的掌握情况。依据考试系统（见图5中B）中的培训模式、授权管理、组织考试、统计成绩等方式，教师可导出成绩、打印成绩。同时，疫情期间，专业硕士通过本平台也进行了系统训练，达到了良好的效果。

3.3 在外校推广应用

目前，在哈尔滨、沈阳和大连等东北地区部分食品专业学校进行了平台的推广和应用，得到了同行和外校学生的认可。

4 结论

随着信息技术和互联网技术融入食品生产行业，黄豆酱生产3D虚拟仿真平台紧密对接企业生产实际，将黄豆酱生产从企业引入到虚拟平台，实现了客户端的在线仿真操作。在黄豆酱生产3D虚拟仿真平台中，操作人员既能学习黄豆酱生产工艺、设备操作和质量控制，也能以第一视觉感受车间布局、卫生规范和质量管理，并实时考核评价操作水平。操作人员如临其境、感同身受的实践操作，有利于其掌握生产本产品或从事本行业的技能水平。通过应用本平台，有助于企业生产人员全程掌握企业生产环节，为本科生和研究生教学方法改革和教学效果提升提供了创新手段。但构建的平台水平并未达到完全的“工业仿真”程度，尤其是在平台应用时，虚拟仿真技术不能完全反映生产实践中可能出现的技术问题、操作水平和产品质量判别，应注重虚实结合，才能达到真正的虚拟现实与实践生产结合。

参考文献：

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[9]吴永祥，胡长玉，王德青，等.“新工科”视域下食品科学与工程专业虚拟仿真教学与创新平台的构建[J].黄山学院学报，2020，22（5）：121-124.

[10]张旭辉，刘晓雨，王洪梅，等.基于新农科建设的线上线下混合虚实互补探究式实践教学模式构建与实践[J].高等农业教育，2021（6）：58-63.