基于虛擬現實技術的船舶維修性驗證系統研究

1 引 言

維修性是指產品在規定條件下和規定時間內，按規定程序和方法進行維修時，保持或恢復其規定狀態的能力。船舶維修性是船舶裝備重要的質量特性，是提高、保持和恢復船舶戰斗力的重要條件，是決定船舶維修品質的關鍵因素。維修性好壞對船舶的可靠度、利用率及經濟性等具有決定性作用。船舶的維修性好壞必須通過維修作業模擬試驗來評估驗證。

傳統的維修性設計驗證主要依托產品的物理樣機或全船尺寸模型，然而對于船舶，在設計的前期階段，一般缺乏試驗用的物理樣機，一些維修性驗證工作無法開展，影響維修性設計與產品設計的并行；另外，如果在設計方案的后期階段，才對維修性進行全面驗證，一旦發現問題，再對設計進行修改，則可能需花費大量經費和時間，由于設計開發周期與費用等原因，往往即使發現了存在的問題，也不能對設計進行修改。因此，在船舶設計與研制中，如何考慮維修或維修性問題一直是一個難題。如果設計人員能夠直觀地看見船舶構形和維修人員、維修工具以及維修作業的動作過程，而不是“憑空想像”，必將提高驗證效果和效益。

目前國內很多大型船舶設計單位都采用了數字化設計方法，船舶的各種信息都已數字化，如果再采用傳統的維修性驗證方法來分析，勢必將整個船舶研制周期拉長，使其不能適應現代產品并行設計的運行機制，不能與其它計算機輔助分析工具實現設計資源的共享與及時的信息交換，這實際上是對設計資源的浪費[1]。

同時，國外也將虛擬現實技術引入到裝備的設計、生產制造、試驗定型等多個方面，以縮短設計周期、降低設計成本。

綜上所述，虛擬現實技術的引入將大大縮短船舶的設計周期和提高船舶維修性設計水平，同時也節約了船舶的研制經費。因此，開展基于虛擬現實技術的船舶維修性驗證的研究工作具有較大的軍事意義和經濟意義。

2 虛擬現實技術的概述

虛擬現實技術是一種綜合應用各種技術制造逼真的人工模擬環境，并能有效地模擬人在自然環境中視、聽、觸覺等各種感知行為的高級人機交互技術[2]。虛擬現實具有3個最突出的特征：交互性、沉浸性和多感知性。

根據虛擬現實系統的不同，虛擬現實技術的實現分為兩類：沉浸式和非沉浸式[3]。沉浸式虛擬現實技術的實現需要用戶借助數據手套、頭盔顯示器和跟蹤器等系統外設，產生身臨其境的沉浸感，因此只需創建場景和操作對象三維模型；非沉浸式虛擬現實技術的實現主要是通過計算機屏幕呈現，通過鍵盤、鼠標即可游歷整個環境，不需要帶頭盔和手套等，因此用戶比較自由，對用戶數的限制也少，投資成本低，但虛擬環境的組成則變得相對復雜。非沉浸式虛擬環境除創建場景和操作對象三維模型外，還需創建工具模型和人體模型虛擬環境，從而為過程仿真及虛擬驗證建立一個近似現實的虛擬空間。非沉浸式虛擬環境要具有三維視覺效果，虛擬環境元素應盡可能真實地反映現實特性，包括實體表面光滑度、光學效果、密度、力學特性等；用戶必須能夠對模擬環境中的物體進行操作，并能從環境中得到反饋，如用戶可以控制人體模型進行零件和工具的抓取、移動，并能實時顯示活動時間、路徑、手的受力等；虛擬環境中的物體應遵從自然規律或物理定律，如當受到力的作用時，物體有沿力的方向運動的趨勢。

3 船舶虛擬維修性驗證模型

3.1 模型元素的實現

虛擬維修性驗證模型主要包含4個要素：虛擬維修環境、維修對象模型、工具模型、人體模型。這4個要素的實現分別如下：

1) 虛擬維修環境的實現

虛擬環境的建立是虛擬現實技術實現的核心內容，虛擬環境建立的目的是獲取實際環境的三維數據，并根據應用的需要，利用獲取的三維數據建立相應的虛擬環境模型[4]。在對船舶進行虛擬維修或維修性驗證時，首先通過三維建模工具如CATIA、CADDS5等，根據二維圖紙原始數據對船舶維修的相關艙段進行三維建模，以建立起一個真實反映船舶內部結構的虛擬維修環境，從而使船舶的虛擬維修環境具有可操作性。

2) 維修對象和維修工具的實現

由于維修對象和工具要具有可操作性，因此需采用基于模型的方法，即建立維修對象和工具的三維實體模型。實體模型一般可以表示實體的幾何和物理特性，可通過CAD系統創建，如船舶設計領域常用的三維建模工具CATIA以及DELMIA等。基于模型方法建立的是實體模型，具有可操作性。但是精細逼真的模型的屬性眾多，表示方法復雜，即使場景中只有少量物體，也可能包含很大的數據量，這直接影響到實時性，因此應盡量簡化模型數量和模型的內在特性。例如，對于不需要細分的可更換單元，可以作為一個零件個體進行設計，只須滿足和其他零部件之間的裝配條件和約束等即可。

3) 人體模型的實現

從人體工程學角度考慮維修性，應采用人體全尺寸模型。從人的作業姿態、作業域、視角、關節的作用力以及環境對人的影響等方面分析系統的維修性好壞。利用CATIA或DELMIA的Human Builder模塊創建維修人員的全尺寸模型，其中人體姿態的改變是通過操縱關節運動來實現的，為了描述人體的各種姿態，在人體造型中需對每個人體關節規定局部坐標系，明確關節角度的約定。人體模型作為維修過程必不可少的主動因素，與三維裝配實體模型一起，可實現維修過程仿真以及維修性的驗證。

船舶維修人員類型的選擇，可參考GB/T 18717《用于機械安全的人類工效學設計》標準。根據標準選擇全部人體指標或主要的人體指標，如身高、臂長等，再根據需要選擇其他部位的尺寸，以便產生較為實用的人體模型。人體工程規范推薦，當結構設計必須容許維修人員調整其姿勢，以操作或維修設備時，應采用第5百分位人員的統計數值；當結構設計必須適應充分的活動空間時，應采用第95百分位人員的統計數值；如果維修人員必須穿著防寒服或攜帶其他工具時，則需要更大的活動空間。一般來說，對于關鍵的人體尺寸設計極限，應該建立在從第5百分位到第95百分位值的范圍內，采用此范圍內的尺寸在理論上提供為90%的人數適用[5,6]。

3.2 模型的建立

為了模擬維修活動，首先將人體模型與維修工具進行合并，根據維修任務，形成維修過程各階段的維修人員與工具的合并模型；其次必須將維修對象模型與帶工具的人體模型合并；然后將三維實體模型和人體模型導入虛擬場景，根據維修作業仿真過程的需要，建立一個定位參考點，初步確定人體模型在作業空間的位置；最后在人體模型中建立定位點，根據維修作業內容或任務，確定人體模型的姿態和取向。在模型合并完成后，根據維修任務階段的不同，通過合并的模型即可實現維修性的虛擬驗證。各模型及其相互關系見圖1。

圖1 維修性驗證模型

4 船舶維修性指標虛擬驗證系統

維修性的虛擬驗證，是指利用虛擬維修環境，通過維修作業仿真，考察維修對象的可達性、可視性、維修人員的工作姿態、操作簡便程度、維修時間、環境因素等維修性參數，并給出驗證結果和修改建議[7]。合理的維修性設計應使維修人員在任何時刻觀察、操作都很方便，并且在較長的時間維持某種作業姿勢時，不會產生或盡可能少地產生不適和疲勞。對于較為簡單的系統實現設計的合理性可能比較容易，然而對于船舶這樣的大型復雜系統，很難將所有需要拆卸、修復、更換的零部件都布置在最優位置，所以對于船舶維修性驗證，不能單純地驗證各個分系統或零部件的維修性如何，而應從系統的角度驗證整艘船舶的維修性，從零部件的角度驗證分系統的維修性。

船舶維修性指標虛擬驗證系統主要是利用虛擬現實仿真技術來模擬船舶裝備的預期維修，并在此基礎上通過對各分系統開展各種維修設計和驗證工作來發現并改造船舶整體維修性設計中的缺陷，從而使所設計的船舶具有良好的維修性水平。

4.1 系統驗證內容

根據船舶維修性設計的相應要求，維修性虛擬驗證過程應當包括3個主要驗證內容：即維修可達性與可視性驗證、維修過程的干涉和碰撞驗證、維修人員工作姿態驗證。

1) 可達性與可視性驗證

維修可達性是指對部件進行修理、更換或保養時容易接近的程度。可達性和可視性是船舶維修性必須滿足的最基本要求，其設計必須滿足如下基本準則：維修作業空間應根據人體尺寸設計，作業空間大于人體最小作業空間；維修人員在維修過程中應能夠看到自己的操作動作。

2) 干涉和碰撞驗證

干涉和碰撞驗證的主要內容是檢驗維修人員在維修過程中是否與維修對象發生干涉，作業空間能否為操作者創造舒適的工作環境等。

3) 工作姿態驗證

工作姿態驗證的內容是判斷維修人員是否能夠處于最佳作業姿勢，運用最佳作業動作進行維修作業，維修作業是否會引起維修人員工作效率下降和疲勞，同時還必須判斷維修操作中的舉起、推拉、提起及轉動等作業能否控制在人的體力限度以內等。此項工作可以利用CATIA中的姿態評分分析功能來完成，通過建立最優人體作業姿態庫，評價作業姿態接近最優姿態的程度，以判斷工作姿態是否合理[8]。

4.2 系統驗證流程

維修性虛擬驗證系統工作流程如圖2所示，其工作步驟如下：

1) 進入維修性虛擬驗證系統；

2) 將維修工具庫、人體模型和維修對象合并到虛擬維修環境中去；

圖2 虛擬維修性設計驗證流程

3) 確定維修任務，并根據所確定的維修任務，選擇合適的維修工具，確定人體模型到達作業空間的路徑；

4) 進行可達性和可視性驗證，判斷維修對象是否位于人體模型的可達空間和可視范圍內。如果不在人體模型的可達空間內或維修部位不可視，則調整人體模型的路徑，重新進行判斷。如果維修對象位于人體模型的可達空間范圍內，則確定可達路徑。

5) 進行干涉和碰撞驗證，判斷維修員在維修活動過程中是否會發生干涉或碰撞，如果發生干涉，則調整人體模型在作業空間中的位置，重新進行判斷；如果沒有發生干涉，則確定人體模型位置。

6) 最后進行工作姿態驗證，判斷維修人員工作姿態是否舒適，如果姿態舒適，則確定姿態。否則，重新調整人體模型的作業姿勢進行判斷。

7) 完成上述驗證內容后，系統對整個維修作業過程進行模擬。

8) 根據具體情況和要求，進行其他必要的維修性驗證。最后得出驗證結果，并做出進一步的設計修改，以完善設計。

5 結 論

船舶虛擬維修或維修性驗證不同于在實物模型或樣機上的演示或實際操作，而是利用計算機軟、硬件平臺，將船舶的虛擬樣機和維修人員、維修工具等放入虛擬環境，進行模擬實驗，在虛擬樣機上進行各種維修活動的演示，模擬各種維修操作或過程，對船舶的維修或維修性進行驗證，即以一種基于計算機的樣機代替昂貴的實物樣機進行維修、維修性驗證，模擬部分或整個維修過程。利用虛擬現實技術進行維修或維修性設計驗證，不需要從物理上實現產品和維修過程，從而克服了實物樣機制造周期長，成本高，難以修改更新的不足。本文研究的船舶維修性虛擬驗證系統，是當今船舶維修性設計的重要發展方向，其研究的基本方法和思路對開展船舶維修性設計具有一定的參考價值。

[1] 朱曉軍，閔少松，袁宇明．艦船裝備虛擬維修性驗證系統研究[J]．中國修船，2006,19(6):40-42．

[2] BURDEA G,COIFET P ．Virtual real technology [M]．USA:wiley-Interscience,2004.

[3] 陳定方，羅亞伯．虛擬設計[M]．北京:機械工業出版社，2002．

[4] 劉賢梅，李勤，司國海，等，虛擬現實技術及其應用[J]．大慶石油學院學報，2002，26(2)：112-115．

[5] 郭伏，楊學涵．人因工程學[M]．沈陽：東北大學出版社，2001．

[6] 袁修干，莊達民．人機工程[M]．北京：北京航空航天大學出版社，2002．

[7] 王栓杰，柳輝，李建忠．基于虛擬現實的維修性演示驗證系統研究[J]．軍械工程學院學報，2006(6)．

[8] 尤春風．CATIA V5機械設計[M]．北京:清華大學出版社，2002．