公路客車DRVVS的設計及實現

胡海敏，左從菊，王 華，李 琴

（1.防空兵學院 參謀系，河南 鄭州450052；2.陸軍軍官學院 仿真系，安徽 合肥230031）

0 引 言

公路客車駕駛區域設計過程中，設計方案的校核過程一直是困擾設計人員的難題之一。近年來，隨著CAD／CAM／CAE技術及平臺的發展［1］，為公路客車駕駛區域的設計方案校核提供了新的方法和手段，即虛擬校核。虛擬校核基于計算機仿真環境所建立的各種數字化模型，在計算機生成的虛擬環境中，綜合運用相關設計標準、設計規則及工程師在實踐中總結的設計經驗等知識內容，對設計方案進行全面系統地校驗評估，為方案的改進、優化提供合理的決策建議，可充分縮短產品最優化設計方案的形成周期。

虛擬校核是虛擬設計［2］的重要組成部分，在轎車設計領域得到了充分應用和發展。國外的福特、通用、大眾、雷諾及三菱等世界知名汽車公司，已經把產品的虛擬設計與虛擬校核作為其研發新產品的重要方法和手段［3］。國內汽車領域在虛擬設計及虛擬校核方面的應用研究也取得了一定進展，如車身整體設計、外觀效果設計、視野校核評估及動態仿真分析等方面的研究成果，推動了虛擬設計與虛擬校核在我國汽車工業設計與制造領域的應用發展［4－6］。然而，虛擬校核在我國公路客車駕駛區域設計領域的研究應用仍處于探索階段。因此，結合公路客車駕駛區域設計實踐的需求現狀，對虛擬校核的關鍵技術及應用方式進行研究，是當前公路客車駕駛區域設計領域研究的重點和熱點內容之一［7－8］。

本文基于安徽安凱汽車股份有限公司 （AK公司）公路客車駕駛區域設計的實踐需求，借鑒虛擬校核在轎車領域的研究成果，通過對關鍵技術問題進行研究，設計了公路客車駕駛區域虛擬校核系統 （driven region virtual verification system，DRVVS）的體系結構、功能邏輯流程及技術實現路線，編程實現公路客車DRVVS的原型系統。

1 系統設計

圍繞公路客車駕駛區域設計過程的校核實踐需求，基于通用的CAD平臺系統環境，設計了DRVVS的體系結構、功能模塊及邏輯流程，構建了通過KBE系統實現知識庫與通用CAD系統集成的融合機制。

1.1 體系結構設計

公路客車駕駛區域設計過程中需要校核的部件及相關內容很多，原型系統重點考慮方向盤、座椅、儀表盲區、前方視野、后方視野、A柱盲區等駕駛區域核心組成部件的虛擬校核。校核過程主要依據國家針對公路客車所制定的相關標準，考慮到客車產品面臨的市場競爭及客戶對人性化指標的更高需求，在原型系統所參照的校核標準中引入了美國SAE標準中與駕駛區域及駕駛員人體設計校核相關的內容，同時參照了汽車制造領域工程師在實踐中積累的工程經驗數據及成熟的設計規則等內容。另外，針對駕駛區域的人性化校核需求，需引入虛擬人體代替實際駕駛員配合駕駛區域的校核。綜合以上考慮，公路客車DRVVS的體系結構設計如圖1所示。

系統的體系結構主要由四部分組成：用戶界面、集成系統、KBE系統及知識資源。

圖1 DRVVS體系結構

（1）用戶界面：用戶界面主要提供圖形化用戶界面及人機交互操作接口。圖形化用戶界面主要包括用戶登錄DRVVS所需的環境窗口、數據庫連接窗口、零部件管理窗口、裝配可視化窗口和產品方案可視化場景顯示窗口。人機交互操作接口是系統內部連接虛擬設備的邏輯接口，用于驅動鼠標、數據手套、空間球等虛擬輸入設備，為虛擬校核過程中實時操控虛擬模型及人工干預校核流程而提供控制途徑。

（2）集成系統：集成系統實現虛擬校核相關的業務邏輯功能，由CAD系統及校核模塊兩大部分組成。

CAD系統為虛擬校核提供可視化的環境支撐，主要包括幾何建模、模型編輯、模型可視化、模型數據格式轉換等針對CAD模型的通用功能。目前，主流的CAD系統如CATIA、UG NX和Pro／E等［9－11］提供的圖形編輯環境，均可以滿足本系統功能設計的環境需求。

校核模塊基于CAD系統提供的可視化建模環境，圍繞公路客車駕駛區域虛擬設計與校核的需求，負責實現：零部件的CAD模型數據庫管理、設計方案數據庫管理、校核標準數據庫管理、設計方案的虛擬裝配、設計方案的虛擬校核及編輯等功能。

（3）KBE系統：KBE系統是集成系統與知識資源之間的知識熔接系統，能夠根據集成系統虛擬校核的具體需求，自動從知識資源中獲取相應的校核標準、設計手冊、專家經驗、相關規則及數據表格等內容，供虛擬校核模塊直接使用；相反，KBE系統也可把校核過程中總結出的經驗、規則及相關知識更新到知識資源中，實現對知識的理解、抽象、描述、使用和維護。

當前，UG NX與CATIA等主流軟件提供了簡單的KBE系統［12－13］，但其重點是針對設計過程中的設計經驗、規則的重復使用，一般無法完成非常復雜的數學推理及精確計算。而虛擬校核的核心需求正是數據推理與精確計算，因此本文所設計的虛擬校核需要構建自己的KBE系統，以此來滿足虛擬校核實踐過程中的復雜需求。

（4）知識資源：知識資源是集成系統的數據服務層，同時也是KBE系統的數據支撐層，用于提供系統所需的基礎數據與工程數據。產品庫、方案庫及部件模型數據庫用以支撐系統的設計方案可視化裝配及交互編輯功能，人體庫、國標庫、SAE標準庫、規則庫、經驗庫及技術手冊等用以支撐系統的標準校核功能。知識資源通過KBE系統實現其數據的存儲、表示、推理、啟發及搜索等內容，滿足虛擬校核領域知識的學習與更新需求。

1.2 邏輯流程設計

基于系統虛擬校核過程的設計方案對象，綜合設計出系統校核的功能邏輯流程，如圖2所示。功能邏輯流程圖反映了校核過程中系統各部分作用于方案對象的邏輯順序及相互關系，可分為校核準備階段與校核實施階段兩部分。

圖2 功能邏輯流程

（1）校核準備

校核準備主要是基于駕駛區域的幾何模型部件及相應的設計方案，使用虛擬裝配技術生成駕駛區域的三維CAD模型。其主要過程包括：依據用戶需求在圖形化可視界面中輸入相應的設計需求參數，根據需求參數調用KBE系統篩選出方案庫中的指定產品設計方案，裝配子系統依據產品方案的設計參數，從部件模型庫及人體庫中獲取駕駛區域所需的部件CAD模型及相應的虛擬人體模型，采用自頂向下的虛擬裝配方式自動生成產品的CAD裝配模型，該模型將為校核實施階段提供數據支撐。

（2）校核實施

校核實施階段基于校核準備階段提供的CAD裝配模型，分析用戶的校核需求，KBE系統從國標庫、SAE庫、規則庫及經驗庫中抽取校核知識，依據產品CAD模型的幾何及工程信息對其進行可視化的校核過程。校核方式分單項校核與多項協調校核兩種，單項校核對駕駛區域設計過程中某一單獨部件的設計是否合理進行校核，而多項校核同時考慮多個部件的空間位置及相互影響等設計因素進行綜合校核。校核的結果將為用戶提供可視化的評估結果，并為方案的修改提供建議。

用戶可依據校核結果重新返回到校核準備階段，直接在可視化環境中對產品的CAD裝配模型進行交互修改，然后再進行校核實施階段，直到最終形成合理的設計方案。對于校核過程中的經驗數據及工程數據可通過KBE系統更新到知識資源中，為后續校核提供新的知識資源。

2 原型系統實現

根據系統的總體設計框架、模塊組成及功能流程，選擇相應的環境平臺與開發工具，實現了公路客車DRVVS原型系統。

2.1 開發環境構建

原型系統的開發環境基于Windows XP操作系統，UG NX6.0為系統的可視化環境支撐平臺，SQL Server2000為系統數據的管理平臺，集成環境開發平臺Visual C＋＋2005為主要編程工具。

2.2 技術實現方法

系統的技術實現方法為：基于UG NX6.0的可視化環境支撐平臺，通過UG Open二次開發工具集，實現對公路客車駕駛區域的設計方案數據管理系統、校核模塊、KBE系統等的集成。

（1）界面實現

系統應用界面是指虛擬校核系統的輸入輸出界面，即相應的菜單及對話框等。界面的實現可采用兩種方法，一是基于UG／Open套件提供的MenuScript（菜單腳本語言）和UIStyler（對話框設計工具）界面設計工具，二是基于MFC （Microsoft foundation class）提供的對話框編輯工具。綜合考慮兩種方法的各自特點及DRVVS本身的功能需要，論文基于第一種方法設計并實現用戶的界面。

（2）KBE系統集成

UG框架與KBE系統的集成主要通過UG／Open API與MFC結合，構建了一系列DLL文件集合 （又稱插件集），從而實現了DRVVS的核心功能，如駕駛區域的智能虛擬裝配可視化、設計方案的單項虛擬校核及多項協調虛擬校核可視化、知識資源的智能獲取、處理及學習過程等。

UG框架與KBE系統集成后，UG框架的菜單和對話框可直接調用KBE系統相應的DLL文件中所包括的各項功能，KBE系統也可通過回調機制在UG主界面中創建交互式程序界面，能夠直接生成、修改、查詢UG的各種對象 （part文件、點、線、面、實體、特征、坐標系、表達式等），還能進行向量、矩陣的運算處理，真正實現了UG框架與KBE系統的無縫集成。

（3）數據管理

數據是DRVVS能夠正確、高效運行的基礎，在系統運行過程中需要對大量的部件幾何模型、設計方案、虛擬人體模型、人機工程、校核知識資源等數據進行管理與維護。而這些數據種類繁多、結構復雜，很難用統一的方法對其進行管理與維護。本文根據數據的類型、使用頻率、數據之間的相互關系，把數據分為模型數據、方案數據、知識數據及工程數據，并使用數據庫建模工具構建了相應的關系數據庫模型。數據管理的開發過程中主要基于SQL Server2000所提供的數據庫支撐環境，使用微軟的VC＋＋2005開發工具，構建了虛擬校核系統的數據管理模塊。該模塊實現了人體幾何模型與人機工程數據、部件幾何模型數據與設計方案數據、校核流程與校核知識庫數據、實體數據與可視化形式等數據之間的分離與融合等功能。

3 原型系統測試

為了驗證系統運行結果的正確性，選擇AK公司已有的某型客車駕駛區域設計方案圖紙作為實例，對原型系統進行了虛擬校核。虛擬校核的主要流程如圖3所示。

圖3 實例校核流程

根據已有的某型客車駕駛區域設計方案，通過系統用戶界面輸入相關參數后，系統調用駕駛區域裝配可視化子系統及相關數據庫，在可視化場景中生成了該型客車駕駛區域可視化的三維裝配體模型，如圖4所示。基于裝配體模型調用方案驗證及生成子系統的各個校核模塊，依據用戶所選擇的校核標準及相關需求，對方案的各個主要組成部分進行校核，其中圖5與圖6所示分別為對左后視野及儀表盲區進行的可視化校核過程。系統對實例的校核結果與AK設計工程師手工計算校核的結果進行了比較，比較結果表明該系統能夠滿足客車駕駛區域設計過程中的校核實踐需求，而虛擬校核所耗費的時間相比于人工校核節省了2／3。由此表明，系統設計技術路線的可行性、相關算法設計的正確性及系統運行的高效行。

圖6 儀表盲區可視化校核分析

4 結束語

本文在調研CAD技術在國內外汽車設計制造領域研究現狀的基礎上，結合企業在汽車駕駛區域虛擬校核階段的實踐需求，基于CAD平臺、數據庫系統、虛擬裝配、KBE系統、人機工程、虛擬人體及模型可視化等相關技術，設計了公路客車DRVVS原型系統的體系結構及功能邏輯流程，使用合理的技術路線編程實現了DRVVS的原型系統。通過AK公司提供的實例測試，驗證了該系統能夠滿足公路客車駕駛區域主要部件校核的實踐需求，在校核效率上優于手工校核，表明系統總體設計技術路線的可行性和相關算法設計的正確性。

系統在設計及實現過程中所使用的技術方法具有通用性，可以把系統實現過程中所編制的大部分知識資源庫以插件的形式配置到UG NX6.0平臺中，可實現汽車領域知識資源與UG平臺的無縫集成。對于虛擬校核系統的后續研究，將考慮借鑒國外對轎車虛擬設計中所使用的虛擬現實技術來完善與改進DRVVS的原型系統，這也是本系統下一步改進研究的重點。

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