張玉梅,魏沁祺,曾 俊
中國船船研究設計中心,湖北武漢 430064
基于虛擬現實的艦船使用和維修性分析評價系統
張玉梅,魏沁祺,曾 俊
中國船船研究設計中心,湖北武漢 430064
針對艦船總體使用和維修性設計驗證手段不足的現狀,基于并行工程思想,以虛擬現實、計算機仿真和高性能圖形系統作為共性支撐技術,同時依據虛擬現實技術與CAD,PDM以及與使用和維修相關的CAE的集成,構建艦船使用和維修性分析評價系統。該系統構建了面向使用和維修的功能樣船和動素層人體姿態庫,基于可達性和人因工程兩個指標完成艦船使用和維修性分析評價,通過與PDM系統集成實現數據管控與總體設計并行開展。本文的研究成果可為在設計階段發現、解決艦船的使用和維修問題,提供普遍使用的技術依據和實施方法。
艦船設計;使用性分析;維修性分析;虛擬現實;仿真設計
在艦船設計中,總體設計人員需要謹慎考慮如何在有限的空間內布設復雜的管系和電纜,需結合全艦系統以及設備的使用和維修要求,布置各種裝置和設施(如動力、武備、通信、導航、控制等設備及生活設施),以保證它們有機地集成并有效運行。目前,用于對設計方案進行補充、驗證的物理和計算機仿真模型,大多都不適用于全船的使用和維修性設計驗證,往往要等到實船系泊試驗時才能進行定性評估。這種明顯滯后的檢驗,給艦船產品的設計質量帶來了非常不利的影響。為在總體設計階段就能充分評估和解決艦船后續使用和維修過程中的問題,促進設計方案的改進,迫切需要研究一種針對艦船產品使用和維修性設計驗證的新方法[1]。
針對艦船使用和維修性設計驗證手段不足的現狀,基于并行工程思想,將采用虛擬現實、計算機仿真和高性能圖形系統作為共性支撐技術,同時強調虛擬現實技術與CAD,PDM以及與使用和維修相關的CAE的集成,構建艦船使用和維修性分析評價系統。一方面,將選擇艦船上典型的系統設備密集艙室,進行人機工程分析,考察作業域中人機界面的可達性、舒適性和勞動強度等內容,為優化人機操作界面設計提供依據;另一方面,將進行拆卸、裝配、工具和儀器使用等維修操作過程的規劃、仿真和分析,對艦船總體維修性(包括人因工程、可拆卸性和可裝配性等)進行驗證,以盡可能在設計階段就發現、解決艦船的使用和維修問題[2-3]。
近年來,歐美等發達國家已將虛擬現實技術廣泛應用于艦船、飛機等總體設計制造的各個階段中。使用和維修作為裝備全壽期的重要環節,是虛擬現實技術應用的重點領域之一。洛克希德·馬丁公司海空集成實驗室“著陸和艦載適應性”研究小組在F-35戰斗機項目中,利用實尺寸沉浸式投影環境、人體實時動作捕捉系統和力反饋裝置等虛擬現實設施,通過3D激光掃描儀快速捕捉和創建3D模型,綜合考慮基地和船舶適應性、人因工程、維修性和可靠性等因素,完成了內部武器裝載、緊急捕捉鉤操作、聯合發電裝置維護、加油裝置降落檢查保護、發動機拆卸、升力風扇拆卸、捆綁裝置操作、水上維護時的飛機尾翼裝置操作、噪音控制、外部武器裝載、飛機清洗以及分布式孔徑有效區域檢查等裝備使用、維修和技術保養等過程的虛擬仿真模擬分析。該項目利用虛擬模型替代物理模型,成本降低了50%以上,其通過在早期及時發現和解決問題,積極有效地改善了飛機設計,解決了多個核心領域的整合問題,為設計變更節省了7.5億美元。
國內研究的虛擬使用和維修系統大部分是通過接口從商用CAD系統中獲取產品的數字化模型。清華大學等針對虛擬設計環境方面進行了研究;浙江大學CAD&CG國家重點實驗室基于三維虛擬設備,在CAVE環境下開發了完全沉浸式的虛擬裝配原型系統VAVDS;軍械工程學院建立了專業的維修研究實驗室,在維修性設計以及虛擬維修訓練方面開展了研究,并已基于Jack平臺開發了專門進行虛擬維修仿真、分析與評價的軟件。
艦船結構復雜,系統設備眾多,往往涉及“充、填、加、掛”等多種操作,維修環境狹小,破壞形式多樣,且還受諸如時間、地點等外部因素的影響。目前對于艦船虛擬使用和維修平臺的研究還不夠深入,沒有形成完整的體系,主要體現在:
1)虛擬使用和維修模型的真實度不高。
虛擬使用和維修樣船與實船的相似程度有限,針對艦船產品的虛擬人體模型庫尚屬空白。
2)虛擬使用和維修仿真的分析評價功能不強。
對艦船使用和維修仿真過程中涉及的維修資源、作業流程和人員等因素缺乏系統的考慮,僅能提供初步的驗證功能,無法實現對使用和維修進行定性或定量的分析評價。
3)虛擬使用和維修應用系統的數據管控能力不強。
缺乏合理、完善的組織及管理艦船使用和維修原始信息及仿真數據的技術手段。由于艦船虛擬使用和維修應用系統與商用CAD系統的數據轉換過程繁瑣,仿真結果、改進設計意見和建議不能及時、有效地反饋到CAD系統中,因而無法實現使用和維修性設計驗證與總體設計的并行開展。
針對上述不足,本文將分別給出解決方案。
面向虛擬使用和維修的數字樣船包括使用和維修對象模型、維修工具模型及艙室環境模型,既要保證與實際裝備在幾何外形上的高度相似,又必須為虛擬環境提供充足的功能信息,是典型的功能樣船。在使用和維修任務信息的驅動下,首先從三維設計CAD系統中提取使用和維修對象、維修工具及艙室環境的組成、層次結構以及裝配信息等數據,產生新的對象、工具、艙室環境屬性數據及裝配信息,然后再根據使用和維修任務將三者組合起來,形成功能樣船模型[4],建模過程如圖1所示。
虛擬使用和維修功能樣船建模重點解決從艦船CAD系統到虛擬使用和維修系統轉換過程中模型信息提取、剔除、優化和功能屬性添加的問題,主要體現在以下幾方面:

圖1 從CAD系統到虛擬使用和維修功能樣船的建模過程Fig.1 Modeling process from CAD system to virtual function ship of operation and maintenance
1)使用和維修對象模型構建方法。
虛擬使用和維修對象所需的原始幾何數據從艦船CAD系統中獲取,例如,零部件的幾何模型、材質、體積、質量、顏色等。對象內及對象間的裝配約束關系,如零部件的解脫方式、拆卸順序、拆卸運動路徑等,則需要利用CAD系統中的裝配信息進行推理,由計算機自動進行或用戶手工輸入。使用和維修對象的關聯性信息,如維修資源、維修技術要求等,可以從可靠性和維修性(RMST)的相關數據信息和標準中獲得。
2)基于功能特征的維修工具參數化設計。
艦船維修工具主要包括兩類:連接類和破壞類。連接類主要是緊固件的裝拆工具,該類工具在裝配過程中引導零件建立連接關系,在拆卸過程中引導零件解除連接關系,如扳手、螺絲刀等均屬于這類工具;破壞類工具的操作過程通常伴隨著零件不同程度的變形,該類工具主要包括錘類、鉗類和刀具類等。為提高維修工具的利用性,避免每次調用不同型號的同類工具時都要重新建模,考慮了基于參數化的設計方法,通過定義圖形間的拓撲關系以及改變具體零件尺寸來產生同類型的零件模型。
3)艙室模型數據輕量化。
由于艦上布置了各種裝置和設施,如動力、通信、武備、導航、控制等設施和生活艙室以及各種復雜的管系、電纜等,因而艙室環境涉及的模型數據量極其龐大和復雜。目前,船舶行業主流CAD軟件CADDS5,FORAN無直接支持虛擬仿真軟件DELMIA的模型格式轉換器。如何將艙室環境模型輕量化,正確合理地優化艙室三維場景數據,有效實現大場景調度管理,提高虛擬使用和維修系統運行的流暢度和逼真度,是當前亟待解決的難題。
虛擬使用和維修人體建模包括形體和動作建模。根據《用于機械安全的人類工效學設計》(GB/T 18717)標準,采用人體的主要指標(身高、臂長等),然后再根據需要選擇人體其它部位尺寸生成艦員人體模型。對于艦船這樣的大型復雜系統,基于過程分段和分層設計思想,使用和維修操作可以按照“使用和維修任務—使用和維修事件—使用和維修作業—使用和維修動作—使用和維修動素”的層次劃分[5],如圖2所示。

圖2 艦船使用和維修層次分解關系圖Fig.2 Decomposition relationship chart of warship operation and maintenance level
根據艦船使用和維修動作的特點,將其分為了移動類和操作類。移動類動作是指艦員在使用和維修過程中的位置移動和姿態變化與調整;操作類動作則是指使用和維修的徒手操作和使用工作操作。在建模過程中,將這兩類動作劃分為了10類動素,以便采用統一的參數來描述運動特征,實現參數化。動素類型、名稱和定義如表1所示[6-7]。
利用商用軟件平臺DELMIA,基于使用和維修動素層構建人體姿態庫,用戶僅通過對姿態庫中的基本姿勢進行組合便可建立適合使用和維修操作的動作。DELMIA軟件的人機工程模塊對虛擬人體模型的姿勢控制是一個難點,用戶很難把握虛擬人當前作業姿勢的準確性,因而調整人體作業姿勢往往是一個反復修改的過程,其不足之處主要體現在以下5個方面:
1)通過IK系統調節的人體姿態不是很自然,不符合人體運動學特征。
2)一些艦船特有的動素姿態無法在現有人體姿態庫中找到。
3)創建新的動素姿態用時過長。

表1 艦船使用和維修動素類型、名稱和定義Tab.1 Type,name and definition of warship operation and maintenance motion elements
4)現有的動素姿態交互復雜,修改困難。
5)現有的人體姿態未考慮物理環境,如重力等因素,過于理想化。
為解決上述問題,可采用真人動作捕捉技術,快速、準確記錄人體的動作,進行延時分析或多次回放,從而極大提高虛擬使用和維修動素層人體姿態建庫的速度和生物力學特征的準確性。光學式全人體動作捕捉系統通常由6~12個高速相機環繞表演場地排列,這些相機的視野重疊區域就是表演者的動作范圍。表演者穿上單色的服裝,并在身體的關鍵部位,如關節、髖、肘、腕等位置貼上特制的標志或發光點(Marker)。相機連續拍攝表演者的使用和維修動作,并將圖像序列保存下來,然后進行分析和處理。通過識別其中的標志點,并計算其在每一瞬間的空間位置,就可得到表演者準確的運動軌跡[8]。通過捕獲的運動數據驅動虛擬人體,完成使用和維修動素層人體姿態建立的工作流程如圖3所示。

圖3 全人體動作捕捉系統工作流程Fig.3 Work flow of human body motion capture system
艦船虛擬使用和維修仿真研究按照預定的使用和維修任務過程,在虛擬環境下完成一系列動作,包括虛擬人的行為、虛擬樣船行為以及虛擬人—虛擬工具—虛擬樣船之間的交互行為。艦船虛擬使用和維修仿真必須按照實際的使用和維修任務流程,才能將仿真結果反饋到艦船的設計過程中,從而提供輔助決策。重點解決的問題主要有以下兩方面:
1)設備拆裝規劃仿真。
對于大型艦船而言,維修作業往往在特定的狹小維修空間內(如輔機艙、駕駛室、作戰指揮室等)完成,維修通道對設備的拆裝方向具有很大的影響。因此,在對設備進行拆卸分析時,必須研究其它設備對拆卸方向的影響。以使用和維修功能樣船為對象,應建立完整的拆裝信息模型,如用于描述拓撲信息的拆裝層次關系模型、拆裝關聯關系模型、配合約束關系模型以及拆裝結構模型等,獲取人員、工具、對象之間的空間干涉與碰撞信息,進而分析部件的可行拆裝路徑,并對拆裝路徑進行插入、刪除、直接插補、曲線插補等操作,以此確定最優拆裝順序。
2)虛擬人使用和維修過程仿真。
使用和維修過程實際上是人—艦船—維修工具三者之間相互作用的過程,人體基于運動學的動作模型沒有考慮環境對執行動作的影響,在仿真過程中無法實現對障礙的規避,導致出現穿插現象。可從移動類和操作類動作模型兩個大的層面進行分析,采用基于運動學與運動規劃相結合的方法來實現虛擬使用和維修過程的仿真。通過運動規劃,在給定的初始姿勢和目標姿勢之間找出一條滿足運動約束的路徑,并將其轉化為運動軌跡,然后再由動作模型驅動虛擬人沿給定的軌跡運動,從而實現對艦員動作的仿真[9]。
艦船是一個復雜的系統,考慮從任務的角度評價整船的使用和維修性,從零部件的角度研制分系統的使用和維修性,這樣既可從宏觀上給出評價,判斷其是否實現總體要求,又可準確描述和定位存在的問題,便于設計人員理解和分析問題的原因。根據這一特點,使用和維修性分析評價可以按照“使用和維修任務—使用和維修事件—使用和維修作業—使用和維修動作”的層次進行。使用和維修過程或狀態的描述數據、可靠性和維修性設計信息、檢測到的初始障礙數據分別為不同層次使用和維修性分析評判的依據。根據預先制定的判斷準則,可從使用和維修可達性與人因工程這兩種屬性的優劣程度對檢測到的初始障礙數據加以判定和分析。從使用和維修難度方面對艦船的使用和維修性給出量化的優劣結論,其基本思路如圖4所示。

圖4 基于虛擬仿真的艦船使用和維修性分析評價思路Fig.4 Analysis and evaluation ideas of warship operability and maintainability based on virtual simulation
可達性和人因工程是艦船虛擬使用和維修仿真評價的關鍵依據。可達性是艦員及工具設備接近產品不同組成單元(操作、維修部位)的相對難易程度,可分為視覺可達性、接觸可達性和拆卸可達性等子屬性。視覺可達性用于分析評價艦員在作業過程中能否清晰地看見待操作部件;接觸可達性反映了作業空間、維修通道對部件使用和維修工作的影響;拆卸可達性反映了部件布局、緊固件的選用、維修工具使用等方面對部件拆卸作業的影響,在拆卸某一部件之前須拆卸的干涉部件數量越少、拆卸代價越小,便證明該部件的拆卸可達性越好。人因工程是根據對人體各部分的姿勢、用力情況和肌肉的使用情況來研究和評估由于工作原因造成人體生理損傷風險的大小。
按照障礙的表現形式,使用和維修障礙可分為可達性障礙和人因工程障礙。可從使用和維修可達性與人因工程這兩種屬性的優劣程度對檢測到的初始障礙數據加以判定,具體的判斷依據、描述數據和數據獲取方式如表2所示[10]。
根據使用和維修任務完成過程中發生障礙對應因素的影響權重,建立使用和維修難度數學模型


表2 艦船使用和維修初始障礙的信息判斷Tab.2 Initial barriers information judgment of warship operation and maintenance

式中:S為某任務的使用和維修難度;m為完成該任務的使用和維修操作需要的事件數;n,l為每個使用和維修作業的作業數;Xi,Yij,Zijk為每項使用和維修事件的難度;α為任務層使用和維修難度的修正系數;β為事件層使用和維修難度的修正系數;γ為作業層使用和維修難度的修正系數[11]。
艦船產品的使用和維修信息屬工程數據范疇,為確保在數字化的虛擬環境中使用信息,一方面,可將上述信息進行合理組織,使用相關的文本和幾何數據建立一種方便用戶和其他應用系統訪問的手段,建立單一數據源管理圖形及附加屬性;另一方面,可通過與PDM系統進行集成來管理上述信息,為實施艦船使用和維修性設計提供集成框架支持,從而改變以往艦船使用和維修性設計不能融入總體設計過程的局面,體現了并行工程的設計理念。
艦船虛擬使用和維修性分析評價系統從PDM系統中獲取所需要的數據信息,如CAD數據、可靠性信息、故障信息、使用和維修性設計要求等,用于在虛擬環境中新建使用和維修任務或導入已存在的使用和維修任務,利用虛擬現實的交互功能,在虛擬環境中對數字樣船進行操作使用、拆卸與裝配過程的規劃、過程仿真以及分析與評價等工作。所形成的過程數據與結果數據將提交到PDM系統統一管理。艦船虛擬使用和維修性設計分析評價系統與PDM系統的關系如圖5所示。

圖5 艦船虛擬使用和維修性設計分析評價系統與PDM系統的數據關系Fig.5 Data relationship from the virtual analysis and evaluation system of warship operability and maintainability to PDM system
艦船虛擬使用和維修應用系統分為數字樣船、使用和維修仿真、使用和維修性分析評價以及系統管理這4個相對獨立的功能模塊。數字樣船模塊包括幾何數據處理、虛擬樣船裝配及樣船行為確定;維修仿真模塊包括建立仿真場景、單元仿真、仿真過程控制和仿真檢測;使用和維修性分析評價模塊包括定性分析與評價、拆裝時間估算、設計修改建議及生成分析評價報告;系統管理模塊包括系統運行管理、系統數據管理及系統基礎數據維護管理。
該系統是一個復雜的應用集成平臺,平臺內具有標準的軟、硬件接口,整體上形成一個完整的面向工程的虛擬使用和維修應用環境。該系統的總體架構采用分層結構,分為界面層、應用層、對象層和技術支持層4個層次[12],如圖6所示。
1)界面層。界面層是用戶與系統的交互方式和接口,包括輸入界面和輸出界面。輸入界面用于接受用戶的輸入命令、響應用戶的鼠標和鍵盤輸入,接收來自艦船CAD系統和RMST系統的數據;輸出界面用于將應用層的處理結果以可視化的交互方式反饋給用戶。

圖6 基于虛擬仿真的艦船使用和維修性設計分析與評價系統架構Fig.6 Analysis and evaluation system architecture of warship operability and maintainability based on virtual simulation
2)應用層。應用層是系統應用的核心,主要包括建模、仿真和分析評價工具。建模包括虛擬使用和維修功能樣船建模與虛擬人建模,其中功能樣船建模包括CAD數據轉換、樣船裝配和行為建模,虛擬人建模包括形體和動作建模。仿真包括對零部件的各種拆裝操作、運動約束、碰撞和干涉檢查等。分析工具主要是基于可達性和人因工程兩個指標進行障礙確認和等級分析。最后,對分析結果予以綜合,計算使用和維修任務難度,形成艦船使用和維修性設計的總體評價。
3)對象層。對象層用于存取、生成、維護和管理系統運行過程中的功能樣船模型對象、虛擬人模型對象以及使用和維修過程模型對象,提供系統的數據支持。使用和維修功能樣船模型用于描述使用和維修裝備或零部件的幾何信息、裝配關系,以及人—機交互特征的信息組織結構;虛擬人模型用于描述基于過程分段和分層設計思想的人體姿態信息結構;使用和維修過程模型用于描述艦船裝備使用和維修的步驟,以及每個維修步驟中零部件的拆裝路徑等信息。
4)技術支持層。技術支持層是支持基于虛擬使用和維修應用系統運行的各種軟、硬件平臺,包括全人體動作捕捉系統、虛擬人體建模和仿真軟件,以及系統數據管理系統PDM和網絡環境。其中,全人體動作捕捉系統用于獲取人體的姿態信息;虛擬人體建模和仿真軟件DELMIA用于實現虛擬人建模和人機工程仿真;系統數據管理系統PDM用于管理虛擬使用和維修設計分析評價系統的輸入、輸出以及中間數據,提供與CAD系統和RMST系統間的接口;網絡環境用于向系統提供網絡通信和安全支持。
基于虛擬仿真的艦船使用和維修性分析評價技術是艦船數字化設計的重要發展方向,其研究的基本方法和思路對于開展艦船總體使用和維修性設計具有一定的參考價值。開展基于虛擬現實的艦船使用和維修研究對于提升我國艦船總體設計能力,提高使用性能,縮短研制周期,降低維護維修費用等具有十分重要的意義。
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Evaluation of Overall Warship Operability and Maintainability Based on the Technology of Virtual Reality
ZHANG Yumei,WEI Qinqi,ZENG Jun China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China
To resolve the current deficiency in the design verification means for overall warship operability and maintainability,an evaluation system is constructed in this paper,based on the generic technology of concurrent engineering,virtual reality,computer simulation and high-performance graphics processing.Particularly,the development emphasizes the integration of virtual reality and softwares that relate to the warship operation and maintenance such as CAD,PDM,and CAE.The digital functional ship is first modeled,and the human body posture library is also constructed in accordance with the therblig layer.The evaluation process then commences based on the principle of merged accessibility and ergonomics,with the parallel operation of data control and overall design being realized through the PDM system integration.In brief,the analysis presented here provides universal technical basis as well as implementation measures to locate and resolve the potential problems during the stage of warship operation and maintenance design.Key words:warship design;operability analysis;maintainability analysis;virtual reality;simulation-based design
U662.9
A
1673-3185(2013)02-06-07
10.3969/j.issn.1673-3185.2013.02.002
http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20130313.1502.002.html
2012-05-28 網絡出版時間:2013-03-13 15∶02
國防基礎科研計劃資助項目(A0820133005)
張玉梅(1981-),女,碩士,工程師。研究方向:虛擬現實仿真及可視化。E-mail:zhangyumei821202@sina.com魏沁祺(1979-),男,博士,工程師。研究方向:計算機系統結構。E-mail:weiqinqi@163.com
張玉梅。
胡文莉]