人工智能科学与工程投稿格式参考范文：卷烟设备在混合现实技术下的创新应用策略

　　引言：中国制造业发展迅速，烟草行业是重要组成部分，也是财政税收主要来源，在工业智能化趋势下面临智能化转型需求，国家烟草局也对烟草行业智能卷烟制造新模式提出构建工业互联网平台、制定相关标准等新要求。为此，卷烟生产企业和研究人员开展了大数据、工业互联网等技术在烟草行业多领域应用的研究探索，当前烟草行业已基本实现生产和物流配送自动化，具备一定智能制造基础。但行业仍存在控制系统数据共享程度不足、卷烟质量待提升、生产工艺需改进等问题，本研究聚焦卷烟生产过程的数据共享问题，引入混合现实技术，力求全面实时呈现卷烟设备运行状况，为烟草行业智能化管理奠定基础。

　　混合现实技术由 Steve Mann 教授提出，由虚拟现实技术发展而来，能在真实场景中呈现虚拟场景信息，在真实世界、虚拟世界和用户间建立交互式反馈信息回路，增强体验真实感。该技术会合并现实与虚拟世界形成可视化环境，实现数字与物理实体对象共存及实时互动，具有虚拟和现实结合、虚拟的三维、实时运行三个特点，其中与现实世界的实时信息交互是其核心特征，也是其能广泛应用于工业领域的主要原因。本研究结合混合现实技术分析提升卷烟流程智能化的方法，拟基于该技术设计卷烟设备运维系统，采用 StrangeIoc 框架搭建系统实现设备可视化，还创新性将混合现实技术和人机交互理念应用于卷烟设备创新，为烟草行业智能化管理发展提供参考。

　　1 材料与方法

　　1.1 材料与试剂

　　研究使用的主要材料为某大型卷烟厂生产的一等品卷烟。

　　1.2 仪器与设备

　　核心设备为美国微软公司的 HoloLens 混合现实全息化投射头盔显示器，其余卷烟设备均采用某大型卷烟厂的现有设备。

　　1.3 实验方法

　　1.3.1 混合现实技术基本原理及卷烟厂需求分析

　　混合现实技术属于计算机视觉技术，核心是在真实物理空间叠加虚拟影像，主要通过与虚拟物体交互实现，使用方式包含凝视、手势等，应用中需考虑使用者体验、整体方案设计、原生技术等方面，交互体验设计、虚拟物体呈现等是其实践技术难点。该技术的主要功能是在现实场景呈现虚拟场景，在人员、虚拟与现实世界间构建具备交互反馈功能的信息回路，大幅增强使用者的真实感。

　　卷烟厂的智能化需求主要集中在运维层面，工厂精密设备与物流自动化依据订单开展柔性生产，设备运维人员需掌握设备性能、工作原理并熟练操作维护。工业设备精细化运维主要包含五个方向，分别是规避设备操作人员人为失误、提升设备保养人员操作规范和标准、提升设备现场有效作业率、提升创新设备保障作业模式、执行设备安全检测和培训工作程序。

　　研究采用 HoloLens 全息化投射头盔显示器实现混合现实技术，该设备在卷烟厂应用中具备检索服务、语义处理、影像处理、知识处理和语音处理五大功能，其操作系统为基于 Windows 10 定制的 Windows Holograpic。使用者操作该设备时，以手势为动作开关、头部移动为虚拟指针、声音指令为辅助，其中手势动作是主要控制动作，手部跟踪采用贝叶斯滤波算法、蒙特卡罗方法等，研究还通过一系列公式完成手部动作粒子状态预测、粒子滤波算法未知参数计算、粒子权值更新以及手部跟踪特征的计算分析。

　　1.3.2 卷烟设备运维设计

　　卷烟设备运维设计包含系统设计、可视化设计和人机交互设计三部分，研究以 StrangeIoc 框架为基础，开展卷烟设备全息可视化运维研发及混合现实软件开发，结合卷烟制造场景和混合现实原理，展现并识别卷烟设备全息效果图，最终打造自动化、智能化、可视化的卷烟设备。

　　系统设计遵循扩展性、先进性、模块化和实用性原则，技术基础为C#.net，采用 Vuforia Sdk 图像识别库，适用对象交互界面基于 UGUI 及 Microsoft Visual studio 2015 开发工具设计。系统运行先完成数据、产品架构等的初始化，运维人员佩戴 HoloLens 头盔显示器后启动程序，扫描车间对应识别图并按结果操作，不同角色(管理者、远程专家、维修工、操作工)可实现流程模拟、点检巡检、设备维修、生产培训等不同功能。

　　可视化设计主要面向设备操作人员和维修人员，操作人员负责生产监控和设备操作，维修人员开展设备维护保养，设计中还包含服务需求设计和远程专家功能，涵盖软件登陆、设备看板、车间与机台选择、备件库、设备巡检等模块。

　　人机交互设计包含四项功能设计，分别是零部件组成结构认知、设备结构零部件运行方式、设备检验与维护准备步骤、设备操作运行维护保养远程协助，其中远程协助功能依托 P2P 音视频传输技术实现，HoloLens 头盔显示器作为被动接受端，仅需保障与远程工程师的沟通即可。

　　此外，HoloLens 头盔显示器针对不同使用人员有不同的功能需求特征：维修工可结合语音操作唤出全息可视指南、实现双向互动远程操作等;操作工可通过手势查看并写入中控数据;管理员扫描二维码可弹出数据查询界面并进行输入操作;员工可监控实时生产信息，通过语音命令唤出功能操作界面。

　　因混合现实技术下卷烟设备创新效果难以量化，研究将成果融入卷烟设备智能控制体系，结合该技术获取的数据，开展卷烟设备全过程筒壁温度和冷却水分数值分析。

　　2 结果与分析

　　2.1 应用效果分析

　　基于混合现实技术的全息展现设备应用效果良好，验证了该卷烟设备创新方法的可行性，能完整展现设备零部件之间的空间关系，且三维动画的融入，对员工学习掌握专业知识和操作技能起到了积极的促进作用。

　　2.2 基于混合现实技术的卷烟设备创新设计应用效果量化分析

　　研究选取烘丝机为研究对象，对比智能控制和人工干预下烘丝机筒壁温度，以此量化分析创新设计应用效果。结果显示，自动控制与人工干预的实际温度曲线均与设定值呈现出一致起伏，烘丝段智能自动化控制对冷却水分的控制效果良好，曲线后半段趋于平稳。

　　但人工干预下的烘丝机筒壁温度曲线起伏更小，控制效果更优;智能控制下的温度出现较大起伏，原因可能是温度爬升过程中出现严重过冲现象，若料头烘丝筒内烟丝量不足，还会导致料头阶段烟丝过干。同时，智能控制工艺对温度过高的改善趋势较为缓慢，或与工艺过程中冷却水分偏低相关。

　　总体而言，基于混合现实技术的智能控制卷烟设备性能表现良好，但仍有改进空间，与人工干预下的设备管理效果存在一定差距。

　　3 结论与讨论

　　本研究针对卷烟设备运维领域，结合混合现实技术并依托 HoloLens 头盔显示器，提出了创新的运维方案，经某大型卷烟厂卷烟设备包装机的实际应用评估，验证了方案的可行性和有效性，主要研究结论与贡献如下：

　　混合现实技术在卷烟设备运维领域具备巨大应用潜力，该技术能让运维人员直观获取设备运行状态信息，实现远程监控和实时操作指导，有效提升运维效率与准确性，同时减少设备故障率，提高生产线的稳定性和安全性。

　　研究成果存在一定局限性，一方面因研究时间和资源限制，未对创新方案的应用效益开展全面深入的统计分析;另一方面仅对 HoloLens 的手势识别功能做简要介绍，该技术的应用挖掘不够深入。

　　与以往研究相比，本研究将混合现实技术引入卷烟设备运维领域并完成应用效果量化分析，丰富了该领域的研究内容，为卷烟设备智能化控制提供了新思路。在理论层面，为混合现实技术在工业领域的应用提供了新的理论支撑和实践经验;在实用层面，该创新方案有望在各大卷烟工厂推广应用，推动卷烟生产线向智能化、自动化、高效化发展。

　　未来研究需进一步关注该方案在卷烟设备运维中的实际应用效益，开展全面的统计分析，同时深化手势识别等关键技术在卷烟设备运维中的应用研究，优化用户体验、提升操作便捷性，实现卷烟设备运维的持续优化。

金学权,邱浩峰,吉林烟草工业有限责任公司延吉卷烟厂,202404