Введение
Виртуальная реальность - это технология, позволяющая пользователю погрузиться в искусственный мир и действовать непосредственно в нем с помощью специальных сенсорных устройств, которые связывают его движения с аудиовизуальными эффектами [1]. Фактически это принципиально новая разновидность человеко-машинного интерфейса, наибольшая эффективность которого достигается при использовании трехмерной информации. При этом аудиовизуальные, осязательные, моторные и все остальные ощущения пользователя замещаются их симуляцией, создаваемой при помощи современных информационных технологий. В результате, средства виртуальной реальности позволяют выполнять моделирование сложных процессов в режиме реального времени, имитацию окружающей обстановки с высокой степенью детализации, а также реализуют возможность воздействия на окружающую среду, обеспечивая при этом устойчивую обратную связь с пользователем [2].
На долю визуального восприятия окружающего мира человеком приходится около 80% от общего количества информации. Для решения задач такого типа наиболее удобны системы, обеспечивающие «эффект погружения пользователя» и максимально реалистичное трехмерное изображение в масштабе 1:1. Это позволяет работать с виртуальными трехмерными моделями, практически аналогичными моделям, напечатанным на 3D-принтере.
Виртуальная и дополненная реальности могут использоваться на многих стадиях машиностроительного производства для оптимизации производственных участков, а также увеличения производительности труда и качества готовой продукции [3].
Технологии виртуальной реальности позволяют оперативно, наглядно и информативно продемонстрировать конструктивные особенности и компоненты любого изделия. Кроме этого, возможно проведение виртуальных экскурсий для заказчиков и других заинтересованных лиц, стажировка персонала, обучение, проверка теоретических и практических знаний.
Цель исследования
Целью настоящего исследования является изучение теоретических аспектов и практического опыта применения технологий виртуальной и дополненной реальности в машиностроительном производстве, анализ текущего состояния и перспектив их развития.
Материал и методы исследования
Для создания эффекта виртуальной реальности используются различные технические средства: от самых простых шлемов виртуальной реальности до сложных VR-систем, таких, как специализированные комнаты виртуальной реальности (CAVE). Эти средства позволяют человеку ощутить себя увидеть перед собой максимально реалистичный прототип изделия или сложного объекта, который существует только в виде чертежей.
Виртуализация производства – это установление взаимно однозначного соответствия между физическим и информационным пространством, средствами компьютерного моделирования физических объектов и операций [4].
Для решения всех этих задач в настоящее время становится возможным использование средств виртуального макетирования и прототипирования, которые включают в себя:
· системы визуализации изображения (проекторы, экраны, очки виртуальной реальности и т.д.);
· специальное программное обеспечение, обеспечивающие качественное отображение трехмерных объектов;
· системы связи и коммутации;
· акустические системы, обеспечивающие качественный пространственный звук (усилители, колонки, наушники и т.д.);
· средства интерактивного взаимодействия с человеком (датчики, устройства имитации физических воздействий), обеспечивающие обратную связь;
· средства управления.
Все вышеперечисленные средства, объединенные в вычислительные центры и комплексы, представляют собой комплексное решение, центр виртуального прототипирования.
Основное назначение таких центров – это решение задач виртуального прототипирования и макетирования отдельных изделий и сложных объектов, процессов их производства, эксплуатации, обслуживания, ремонта и т.д.
Так, в профессиональной системе виртуальной реальности (CAVE-системе), интегрированной с рабочим местом инженера-проектировщика, может быть воспроизведен масштабный трехмерный макет практически любого объекта (кабины самолета, блочного щита управления атомным реактором, поста управления сложным технологическим процессом и т.д.). Наглядное представление проекта в системе виртуального прототипирования позволяет инженерам – проектировщикам протестировать прототип на соответствие всем требованиям и выявить максимум нештатных ситуаций.
Так, геометрическая модель сборки наглядно определяет структуру изделия, а также содержит дополнительные информационные ресурсы, необходимые на всех этапах жизненного цикла объекта. Например, объемная модель изделия может быть с использована для разработки упаковки, операций складирования и транспортировки продукции, технологий производства, ремонта и утилизации (рисунок 1).
Рисунок 1 – Практическое применение объемной модели изделия
Кроме создания непосредственно виртуального макета изделия, можно моделировать технологию производства, а также его эксплуатацию и ремонт. Результатом моделирования производства является возможность оптимизации всех технологических процессов, что в итоге существенно влияет на эффективность производства, а виртуальное моделирование эксплуатации и ремонта изделий позволяет отработать ремонтопригодность изделий и снизить издержки в процессе эксплуатации.
Применение технологий виртуальной реальности
В качестве примеров успешной реализации технологий виртуальной реальности в России можно привести такие компании, как «Северсталь», СИБУР, Магнитогорский металлургический комбинат (ММК) и ряд других [5].
В компании «Северсталь» проекты по VR-технологиям пока ведутся преимущественно в части обучения. Это виртуальные тренажеры для обучения производственного персонала, а также для отработки навыков рабочих специальностей, для которых сложно или невозможно изготовить демонстрационный стенд, но которые требуют максимального погружения в виртуальную среду. Планируется расширять применение VR в области тренингов, проектирования зданий и сооружений на производственных площадках, а также в области содействия выполнению ремонтов оборудования.
В компании СИБУР данное направление применяется для повышения качества проведения работ по техническому обслуживанию и ремонтам на заводах. Внедряются инструменты для удаленного консультирования полевых специалистов – слесарей, механиков, выполняющих работы, с подключением внешних экспертов. В дальнейшем планируется использовать AR-оборудование в качестве интерфейса для «подсказок» с привязкой к оборудованию по различным меткам, внедрение функционала для удаленного обучения специалистов, отработки действий при работе с опасными реагентами, при изучении основ промышленной безопасности и работы в опасных условиях и т.д.
Магнитогорский металлургический комбинат (ММК) также активно внедряет технологии виртуальной реальности в области охраны труда и обучения сотрудников. Другой важный проект по внедрению этой технологии предусматривает создание виртуальной модели всего завода, а целью - реализация инновационных подходов к обучению работников. Одно из направлений данного проекта – создание условий для эффективной адаптации новых сотрудников путем использования виртуальных рабочих мест.
Также успешно технологии виртуальной реальности внедряются и реализуются в таких компаниях, как АО «Росатом», АО «РЖД», Объединенной судостроительной корпорацией, нефтедобывающими компаниями и т.д.
Заключение
За последние годы центры и лаборатории виртуального прототипирования были внедрены во всех крупных автомобилестроительных и авиакосмических компаниях мира, а также в тех, которые занимаются созданием сложных изделий, таких как корабли, электростанции, буровые платформы и т. д.
Центры виртуального прототипирования различной конфигурации есть почти у всех крупных иностранных и российских компаний. Это обусловлено экономической эффективностью использования таких центров. Использование лабораторий виртуального прототипирования позволяет решать следующие задачи:
· снизить срок разработки проекта (по различным оценкам, от 15 до 30%);
· снизить количество ошибок при разработке готового изделия;
· повысить качество готового изделия за счет более качественной проработки эргономики, ремонтных и эксплуатационных характеристик;
· повысить удовлетворенность клиента изделием за счет вовлечения его в процесс компоновки;
· снизить ремонтные и эксплуатационные издержки за счет проработки и прототипирования не только самого изделия, но и процессов его производства и последующей эксплуатации.
Виртуальные прототипы реальных производственных компаний, пока встречаются нечасто, но через 2-3 года и VR-инжиниринг в машиностроении, станет обычным делом. VR-технологии стремительно дешевеют, конкуренция в этом секторе постоянно возрастает, появляются новые компании, технологии. Переход физического производства в область цифровых технологий становится всё более доступным.