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论述工业设备运维设计与混合现实技术的融合

2020-03-12 328 上传者：管理员

摘要：为解决传统烟草工业制造设备运维升级智能管理的瓶颈，提出在Hololens头戴式双目视觉设备上定制化设计的系统方法。基于此，本文采用GDX2包装机零部件的3维建模，模拟建模对象在Hololens构建的“运行、操作、巡检、维护”可视化，以实现预防维修、操作培训、远程检修的功能设计，并验证了混合现实技术设备的可视化功能。结果表明：该方法能为企业节省培训成本，提高设备有效作业率。

关键词：
工业设备
混合现实
设计
运维
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《中国制造2025重点领域技术路线图》将混合现实技术列为工业企业智能制造核心信息设备的关键技术之一，要求工业制造领域广泛推广和深入应用，研究企业设备升级、转型创新的实施利用对象，核心为“3维空间RFID注册定位技术，工业物联网信息3维空间、搜索、显示与交互技术”。笔者选定Hololens智能眼镜作为烟草工业企业设备数字化转型的可视化运维工作升级的研发平台。在工信部《中国制造2025》规划与湖南中烟工业公司《智能工厂》课题框架内，以混合现实技术(mixed reality)支持烟草机械设备运维的光学全息可视化为研究对象，通过研发Hololens智能眼镜平台匹配GDX2卷烟包装机保障的功能设计，论证传统工业转型智能制造在设备管控可视化的可行性，设计MRApp系统应用原型，服务GDX2包装机一轮、铝箔纸等设备组件的解构和认知，扫描设备影像，构建软件3维设计重建后的虚拟场景，导入混合现实，视觉系统(mixed reality，MR)，生成3维图像和Hololens平台的虚拟装备，多维度呈现烟机设备运行状况、装备数字化的认知。

1、定义

混合现实(mediated reality，MR)^[1]是由“智能硬件之父”多伦多大学SteveMann教授提出的介导现实，是虚拟现实技术的进一步发展。如图1，MR技术通过在现实场景呈现虚拟场景信息，在现实世界、虚拟世界和员工之间搭起一个交互反馈的信息回路，以增强员工体验的真实感^[2]。

图1 MR(混合现实)技术工作原理

2、需求分析

卷烟工业流水线部署的物流自动化及精密超高速设备，可根据企业MES系统排产的订单计划进行柔性生产，机械自动化全程控制，对设备运行状况的数据采集工作要求科学并全程信息化。作为设备运维人员，维修工与操作工必须掌握设备的工作原理及性能参数，能按标准规范熟练地进行设备维护与操作。确认工业设备精细化运维的5个方向，即规避设备操作人员的人为失误、提升设备保养人员的操作规范和标准、提升设备现场有效作业率及创新设备保障作业模式、执行设备安全检修和培训工作程序。系统需求场景描述见表1。

表1 HoloLens基于企业需求的研发场景

3、基于MR技术的工业设备运维设计

3.1 系统设计

烟机设备全息可视化运维的研发、MR App软件产品的开发是以StrangeIOC框架为基础。基于MR技术的系统框架和烟草制造场景，识别和展现烟机设备全息效果图，实现设备零部件的运行、维修、装配、拆卸、远程诊断、语音协同、保障等功能可视化。

系统基于功能需求的设计规划，对产品架构、场景、交互功能、流程和数据进行初始化。当员工佩戴Hololens眼镜，通过手势点击，启动程序，进入生产车间扫描对应的识别图Mark，弹出菜单项，根据菜单项的提示，选择相应的功能进行操作^[3-4]。软件设计是以C#.net技术为基础，以Vuforia SDK作为图像识别库，提供图像识别功能，通过Unity和Microsoft Visual studio2015开发工具以及Unity UGUI设计适用对象交互界面。

系统流程设计见图2，系统设计原则包括：1)模块化；2)先进性；3)实用性；4)扩展性。

图2 MR混合现实系统的流程结构设计

3.2 可视化设计

MR-App系统可视化设计见图3。使用人员分为车间操作人员、设备维修人员。车间操作人员在现场设备运行时对设备操作，是对当前设备运行的状况信息进行收集及监控管理。设备维修人员主要对生产设备进行维修、维护与保养，服务需求设计以动态模型的方式进行，让员工了解零部件组成结构、设备拆卸组装、巡检点检和远程专家功能。

图3 系统可视化设计

3.3 人机交互设计

笔者进行了4项人机交互功能设计。

1) 设备零部件的组成结构认知功能设计，含零部件名称、规格资料、零部件拆卸装配的顺序以及位置、部件的构成和组织结构。员工通过AR眼镜的手势功能，选择需要认知的对象，当选择零部件整体，界面弹出部件信息，包括作用、材质、规格参数等信息。提高技师对于零部件的认知，即为提高培训、设备维修的效率。

2) 设备结构零部件的运行方式功能设计，以3维动画的方式进行，虚拟部件在设备内部的运行方式，附录运行状态介绍，包括部件旋转速率、切刀刀速，高危部件危险提示，提醒员工在使用过程中的注意事项。

3) 设备巡检、点检、维保准备步骤功能设计，含操作流程、按步骤的具体操作过程。员工通过语音或者手势^[5]，控制流程步骤执行下一步，检查是否按部就班地完成每一步。规范执行步骤，减少员工误操作的可能。

4) 设备操作运行维护保养的远程协助功能设计，以P2P音视频传输技术实现，AR眼镜端是被动接受端，在操作过程中不需要设计过多的操作手势及命令，接受远程工程师的指导意见和沟通。P2P技术原理见图4。

图4 P2P技术原理

如图5所示，笔者采用微软HoloLens混合现实全息化透射头盔显示器。

图5 微软公司混合现实全息化透视头盔显示器HoloLens

HoloLens是微软公司的头戴式增强现实全息眼镜，操作系统是Windows Holograpic，基于Windows10定制,无线WIFI，内置全息处理单元和处理器，可独立使用。佩戴者能在现实的世界里混入虚拟物体或信息，嵌入到一个混合空间中，将穿戴者的头部移动虚拟成指针，将手势用作动作开关，将声音指令作为辅助，协助切换不同动作指令^[6]。

5) 系统功能设计的明细见表2，包括功能研发的需求设计特征。

表2 HoloLens基于系统功能研发的需求设计特征

3.4 关键技术

3.4.1 核心技术

Hololens眼镜是MR-App混合现实的应用平台。微软出品的双目视觉AR产品采用全息技术，基本原理与双目视觉VR产品类似，笔者研究的核心技术是结合多个传感器，将虚拟内容投射成全息影像，实现虚实融合，无须连接任何其他设备，实现与真实世界的交互。

3.4.2 技术难点

MR技术是一种将虚拟影像直接叠加到真实物理空间^[8]，采用手势、视线、凝视等方式与虚拟物体交互的计算机视觉技术，为最终呈现效果最大化地贴近人与真实物理世界的交互方式，包括原生技术、整体呈现方案的设计、员工的体验效果。在实践上的技术难点，总结归纳为4个方面：1)虚拟物体呈现；2)交互体验设计；3)远程技术支持；4)空间标注功能^[9]。

4、应用效果

全息展现设备零部件相互间空间关系的功能，表现零部件之间的构建合作运行关系，包括运行结构、物料、烟盒和磨合等原材料的运动形式。配合3维模型动画与同步的生产流程和细节展现，加深员工的工作认知与维度认识，精确快捷掌握技能知识。实现效果及功能对比见图6-11。

图6 传统设备检修-GDX2包装机现场更换包装条盒拍板

图7 全息可视化设备检修-GDX2包装机现场检验铝箔纸

图8 全息可视化设备检修-PTS70卷接机接收鼓零部件

图9 全息可视化设备服务认知-GDX2包装机3D模型核心部件关系构造

图10 全息可视化设备服务认知—包装机1轮、AGV小车的结构认知

图11 全息可视化设备服务认知—专家远程指导现场设备修理标注关键点

5、应用效益分析

以生产实践为背景，面对当前烟草工业企业在生产组织“烟草卷接、包装和装箱”工序的设备管理运维需求，提出MR技术在设备保障、维修、操作等环节发挥作用的可行性利用研究^[10-11]，引入MR技术降低设备维护和运行费用，提高实时操作效率。混合现实技术对于企业生产中的保障、维修、操作等方面的效益见表3。

表3 MR设备可视化运维应用及收益

6、结束语

笔者通过研制MR-App系统辅助功能，在企业真实生产环境中实现员工手势、语音的交互体验，为企业节省培训成本、降低设备运行消耗，使用智能眼镜装备在维修、巡检、点检等方面，提高了设备有效作业率，并提出了烟草工业基于全息可视化系统条件下，围绕运维目标设计的智能制造成果。混合现实的全息光学技术^[13-14]，促进工业设备影像图谱从2维平面升级到3维立体，加速装备信息数字化的挖掘。设备管理团队深知设备隐患与设备各零配件空间位置关系，是工业设备可视化应用的攻坚阶段。构建全息可视化的业务数据库、模型素材库，实现“模型参数的动态化、设备运行动态及健康数据的远程监控、虚拟车间可视化”，是融合MR技术企业数字化的转型目标，可为全面实现智能化工厂做准备^[15]。

参考文献：

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