基于目標拆卸的虛擬拆裝過程建模

王　昊， 曾　鴻， 張均東， 高躍峰

(大連海事大學輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

基于目標拆卸的虛擬拆裝過程建模

王昊， 曾鴻， 張均東， 高躍峰

(大連海事大學輪機工程學院，遼寧 大連 116026)

針對目前基于層次關系模型和關聯關系模型的虛擬拆裝系統中未考慮目標拆卸的問題，在原有層次關系模型基礎上引入跳躍拆卸路徑的概念，對基于層次關系模型和關聯關系模型的拆裝結構模型進行了完善和優化。對引入跳躍拆卸路徑后的拆卸模型進行序列規劃，并針對拆裝決策過程中拆裝單元的組合與還原問題進行論述，最后建立基于關聯關系模型的目標拆卸算法。以船用分油機進行實例驗證，驗證結果表明該模型能夠很好地解決目標拆卸的問題，對相關應用系統開發具有一定的參考價值。

目標拆卸；跳躍拆卸路徑；序列規劃；分油機

基于虛擬現實技術(virtual reality，VR)的虛擬拆裝是實際拆裝過程在計算機上的本質體現，是采用計算機仿真與虛擬現實技術，通過協同工作的模式來實現設備的拆裝設計分析、拆裝過程的規劃與驗證、拆裝操作訓練以及最終實現虛擬拆裝評估的過程。針對輪機設備的虛擬拆裝，主要側重于拆裝訓練和操作評估。然而基于現實的拆裝需要購置大量的設備，成本費用較高，受人員(有些拆裝操作需要多人配合完成，如主機的拆裝)、場地、時間的限制，并存在一定的安全風險。與此同時，隨著計算機軟/硬件的發展，基于虛擬現實技術的虛擬拆裝系統成為一種比較經濟、有效、快速的替代方式，可以使用戶在虛擬環境內通過輸入/輸出設備進行交互以達到預期的訓練效果，大幅度提高了效率并節約了成本，還可以使用戶(船員、學生等)熟悉設備的原理，積累拆裝經驗，為實操奠定基礎。

為使虛擬拆裝真實體現實際拆裝過程的本質，應對設備的拆裝過程進行建模，包括拆裝信息模型、配合約束模型以及拆裝結構模型等。目前針對拆裝結構模型的建模方法主要包括層次關系模型和關聯關系模型以及兩者的綜合運用，如曾鴻等[1]、鐘振龍等[2]在拆裝過程建模中應用的裝備樹模型，其實質是一種層次關系模型，陶松橋和黃正東[3]提出的基于屬性鄰接圖匹配的裝配體模型實質上是一種關聯關系模型，黃濤等[4]提出的基于 Project軟件對裝備拆裝過程的建模模型是對層次關系模型和關聯關系模型的綜合運用。上述研究在設備虛擬拆裝系統的過程建模方法上做出了積極探索，但均未考慮在實際的拆裝維修過程中可能不需要把所有的零部件都拆掉(整體拆卸)，而只是需要拆卸某個特定的零部件(目標拆卸)的問題。

本文將跳躍拆卸路徑的概念引入到虛擬拆裝結構模型中，對現有的層次關系模型和關聯關系模型進行完善和優化，解決拆裝過程中存在的目標拆卸問題，并以船用分油機的拆裝過程為例進行了實例驗證分析。

1　基于層次關系和關聯關系的拆裝結構模型

為保證設備虛擬拆裝過程的真實性和有效性，除了建立逼真的三維模型之外，對設備的拆裝過程進行建模也是很有必要的。拆裝過程建模是虛擬拆裝研究的關鍵技術之一，建立有效的拆裝過程模型是實現有效拆裝和優化拆裝過程的基礎。在面向拆卸的設計(design for disassembly，DFD)和面向裝配的設計(design for assembly，DFA)研究設計中，常見的設備拆裝結構模型概括起來主要包括層次關系模型和關聯關系模型。主要的建模方法有 IDEF3方法[5]、Petri網方法[6]、CPM/PERT方法[7]、甘特圖方法[4]、有向圖[8]等。

1.1層次關系模型

在層次關系模型中，模型按照“設備→拆裝組件→子拆裝組件→基本拆裝單元”的層次關系進行描述[4]，一個設備可以分為不同層次的子裝配體和零件，如圖 1所示。在裝配過程中，先由零件組成裝配體(部件或組件)，再參與整機的裝配；在拆卸過程中，先將設備分解成裝配體、子裝配體，直至分解到目標零部件。設備各零部件之間關系可由層次結構來表示。但層次關系模型對同一層次各裝配單元之間的裝配關系的描述不夠直觀，無法充分描述實際設備的拆裝結構約束關系和拆裝序列。

圖1　層次關系模型

1.2關聯關系模型

在關聯關系模型(圖2)中，節點表示零部件，節點間的連線表示零部件之間的配合約束關系[4]。根據連線有無方向性，模型可分為有向圖和無向圖。有向圖中，節點間的連線是有向邊，連線的方向表明了約束之間的先后制約關系；無向圖中，節點間的連線是無向邊，無法描述約束彼此之間的先后關系。關聯關系模型比較直觀，便于各種信息的存取管理和后續直接利用。信息描述往往在同一層次進行，可以很好地描述同層零部件的裝配關系，但不符合設備實際的構造習慣，且當零部件數目較多時，節點數量增多，在進行算法搜索時比較困難。

圖2　關聯關系模型

裝配體零部件間的關聯關系可以用式(1)表達：

2　基于層次關系和關聯關系的目標拆卸拆裝過程建模

由上面的分析可知，兩種模型各有長短，為此拆裝結構建模往往采用關聯關系模型和層次關系模型相結合的策略。另外考慮到實際的拆裝活動的特點，對現有的層次關系模型和關聯關系模型進行改進，在層次關系和關聯關系的基礎上引入跳躍拆卸路徑的概念，形成以滿足目標拆卸的拆裝結構模型(如圖3所示)。該模型同一層次零部件之間的配合約束關系用關聯關系模型表示，該關聯關系模型以有向圖為基礎，并引入虛約束和無向約束的概念作為模型的改進和補充，以滿足實際拆裝順序規劃的需要。

圖3　目標拆裝結構模型

從模型中可以看出，在設備的拆裝過程中，常常將相關的零部件化為一組，在拆卸時先將該組件或部件整體拆卸下來，然后再對其組成零部件進行拆卸。這樣，可將這組零部件組合起來，當作一個新的部件，忽略其中的內部約束，僅描述外部約束即可。如圖 3所示，拆裝單元 P221，P222，…組合成子拆裝組件 P21；拆裝單元 P21，P22，…組合成拆裝組件P2。組合時，將外部約束集中到組合后的一個新的節點上，而將內部約束自動解除，P223所在拆裝層次對應的關聯關系模型中將P221，P222，P223組合成新節點P21，忽略內部約束C、E(見圖4)，外部約束A、B、D(見圖5)集中到 P21所在拆裝層次對應的關聯關系模型中的P21上。這樣可以大大簡化拆裝模型。

圖4　P223所在層次對應的關聯關系模型

圖5　P21所在層次對應的關聯關系模型

拆裝組件和基本拆裝單元是描述設備的兩個基本元素。對于每個拆裝組件，其描述結構包括兩種數據，即組成數據和組成之間的關系數據。各級拆裝組件的隸屬組成關系形成層次模型，處于同一層次的組成單元之間的配合約束關系成關聯關系模型。

2.1跳躍拆裝路徑的引入

跳躍拆裝路徑是指當一個零部件可以直接從較高層次上拆卸下來，而不嚴格遵從層次結構關系確定的拆卸路徑進行拆卸。如圖 3所示，遵循層次結構關系時，對于拆裝單元P21，其拆卸路徑為 P2→P21；對于拆裝單元 P223，其拆卸路徑為P2→P21→P223。然而對于目標拆卸，即針對某一部件進行拆卸時，考慮到拆卸過程中最小拆卸原則的要求，即不需要拆卸的部分盡量保留不動，以減少拆卸的工作量。同樣對于拆裝單元P223，跳躍拆卸路徑為P2→P223。

跳躍拆卸路徑是針對目標拆卸提出的，對于設備進行的整體拆卸，不考慮跳躍拆卸路徑，仍按層次模型中的拆卸路徑進行拆卸。

2.2拆裝決策過程中拆裝單元還原

然而，在目標拆卸過程中，當遇到跳躍拆卸路徑時(圖3中虛弧線所示)，就涉及到拆裝單元還原的問題，還原可看作是組合的逆過程。即對于拆卸單元P223存在的跳躍拆卸路徑P2→P223，首先仍利用P2所在拆裝層次對應的關聯關系模型對P2進行目標拆卸，這時將P21還原成P221，P222，P223，并恢復內部約束 C、E，外部約束相應地分配給P221，P222，P223。其中，約束A、B指向P222，約束D指向P223(見圖6)。然后利用還原后P223所在拆裝層次對應的關聯關系模型(見圖4)對P223進行目標拆卸。

圖6　還原后P21所在層次對應的關聯關系模型

可見，在拆裝單元還原后，相應的層次關系模型和關聯關系模型都有所改變，該單元的拆裝層次由三層改為兩層，被還原的單元P21所在層次對應的關聯關系模型也由圖5變為圖6。其中，各層次對應的關聯關系模型如圖4～6所示。

2.3目標拆卸序列規劃

在目標拆卸中應盡量減少拆卸的工作量，即不需要的零部件盡量保留，目標拆卸不嚴格遵循層次模型所隱含的“總成→部件→組件→零件”的拆卸順序。對于目標拆卸規劃，目的是得到為獲取目標零部件所必須解除的拆卸約束關系及順序，而不是需要拆卸的零部件的順序。在實際的拆裝過程中便存在這樣的情況，當對某一個拆裝單元進行目標拆卸時，并不需要將其父節點先拆卸下來，甚至其父節點的父節點也不需要解體，僅僅需要解除部分約束，便可直接從其所在的拆裝層次的上一級或更高層次上拆卸下來。當然，目標件如果不存在跳躍路徑，則從樹模型中搜索拆卸路徑，目標拆卸的拆卸順序規劃如圖7所示。

圖7　目標拆卸序列規劃流程

在進行目標組件的拆卸時，首先判斷其父節點是否為根節點，若是，則根據層次關系模型中Ⅰ級拆裝基準層對應的關聯關系模型調用目標拆卸算法對目標組件進行拆卸規劃；若不是，則依據層次關系模型搜索拆卸路徑并判斷搜索到的拆卸路徑上的各節點是否有跳躍拆卸路徑，若有，則給出存在跳躍拆卸路徑后的目標拆卸件的拆卸路徑，將被跳躍的中間節點還原得到還原后的拆裝結構模型，此時按照搜索到的拆卸路徑上各節點的先后順序，根據各節點所在層次對應的關聯關系模型調用目標拆卸算法，分別對各節點對應的拆裝單元進行目標拆卸規劃，從而得到目標組件的拆卸順序；若沒有，則按照層次關系模型路徑上各節點的先后順序，根據各節點所在層次對應的關聯關系模型，調用目標拆卸算法，分別對相應的拆裝單元進行目標拆卸規劃。

2.4基于關聯關系模型的目標拆卸算法

在設備拆卸序列的生成過程中，按照拆卸的目的不同可以分為完全拆卸序列算法和目標拆卸序列算法兩種不同的形式。其中，完全拆卸序列的生成又可分為基于廣度的拆卸序列、基于深度的拆卸序列以及兩者結合的拆卸序列算法[9]。設備的目標拆卸序列可看作是完全拆卸序列的子序列，但又不等同于完全拆卸序列。目標拆卸序列的生成算法一般不采用完全拆卸序列的生成算法，因為其盲目性太大，會嚴重降低工作效率。本文采用反推法來生成目標單元的拆卸序列，具體步驟如下：

步驟1. 在設備的關聯矩陣S中查找目標單元所對應的行，并進行檢索，查找元素值為 1所對應的列所代表的單元，將其存入一個數組中；

步驟2. 在步驟1生成的數組中選擇一個元素，在 S中查找該元素所代表單元所在的行，在行中進行檢索，查找元素值為 1所對應的列所代表的單元，將其與上一步數組中存儲單元存到一個新的數組中；

步驟3. 重復步驟2的做法，將查找到的單元與前幾步數組中存儲的不同單元存到一個新數組中；

步驟4. 按照步驟1～3的方法進行循環，直到所有搜索到的單元都為可拆卸單元時為止，這時，生成序列的反序即為目標單元所對應的拆卸序列。

由設備的關聯矩陣可以看出要拆單元需要解除的約束關系。如果關聯矩陣中某單元所對應的行中所有元素均為0，則表明該單元已被拆卸；如果所對應行沒有值為 1的元素，則表明該行所對應的單元在產品中只與其他單元存在直接聯系而無間接聯系，即該單元可拆；相反，如果存在值為 1的元素，則表明該單元的拆卸受到其他單元的影響，該單元不可拆。

3　實例驗證分析

分油機是船舶燃油、滑油的凈化設備之一，分油機運行的好壞直接影響船舶的安全航行和經濟效益。由于船舶對燃油、滑油要經常進行分離，因而分油機的拆裝、測量、檢查、清洗便是管理項目中一項經常性的工作。

由于船用分油機整體拆裝相當復雜，本文以分油機分離筒本體的拆卸為例，建立其虛擬拆裝過程模型。整個拆裝過程的流程如圖 8所示。當遇到目標拆卸件時，按照圖 7所示流程規劃圖調用目標拆卸算法。

圖9展示了基于Virtools 4.0的船用分油機分離筒部分組件的拆卸過程模型，在一定程度上表達了設備整體拆卸的序列規劃。其拆裝序列基本是按圖 8所示的流程進行規劃。對用戶指定的目標組件是在整體拆裝序列的基礎上，判斷其父節點是否為根節點，決定是否調用目標拆卸算法。對于不存在跳躍拆卸路徑的目標件，仍然按照基于層次結構模型的整體拆卸序列進行拆卸。

圖8　分離筒拆裝流程圖

圖9　分離筒部分組件拆卸過程模型

利用這種模型能夠適應不同的用戶需求，即在要求整體拆卸的情況下直接調用整體拆卸序列規劃的流程進行拆裝；對于要求指定目標件的用戶，按照引入跳躍拆卸路徑后的模型進行拆卸，以提高工作效率，節省工作時間。圖10展示的是船用分油機的實際拆裝效果圖。

圖10　船用分油機虛擬拆裝效果圖

4　總　結

本文在原有層次關系模型和關聯關系模型的基礎上引入跳躍拆卸路徑的概念，解決了基于層次關系和關聯關系的拆裝結構模型中未考慮目標拆卸的問題，使虛擬拆裝更加貼近實際拆裝過程的本質。對具有跳躍拆卸路徑的拆裝結構模型進行序列規劃及拆裝單元的還原，建立基于關聯關系模型的目標拆卸算法。通過對船用分油機虛擬拆裝進行實例建模與驗證分析，說明該模型能減少虛擬拆裝過程中的工作量，提高工作效率，安全環保，對相關應用系統的開發具有一定的參考價值。

[1] 曾鴻, 王心紅, 張均東, 等. 面向實操評估的輪機虛擬拆裝考試系統開發[J]. 中國航海, 2014, 37(1): 24-28.

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[3] 陶松橋, 黃正東. 基于屬性鄰接圖匹配的裝配體模型搜索方法[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報, 2011, 23(2): 290-297, 304.

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Modeling of Virtual Assembly and Disassembly Process Based on Selective Disassembly

Wang Hao,Zeng Hong,Zhang Jundong,Gao Yuefeng
(Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian Liaoning 116026, China)

To solve the problem of not considering the selective disassembly in the current virtual disassembly system based on the hierarchy model and relationship model, the skipping disassembly path was introduced which developed and optimized the original hierarchy model and relationship model. The sequence planning of the disassembly model after introducing the shipping disassembly path was carried out. And the combination and reduction of disassembling units in the course of disassembly decision was described. Finally, the selective disassembly algorithm was established based on the relationship model. With the marine oil separator for example verification, the verification results showed that the model could solve the problem of selective disassembly very well. So this work has a certain reference value for the development of the related application system.

selective disassembly; skipping disassembly path; sequence planning; oil separator

TP 391.9

A

2095-302X(2015)06-0903-06

2015-06-03；定稿日期：2015-08-08

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(3132013030)

王昊(1992–)，男，河南周口人，碩士研究生。主要研究方向為輪機系統建模與仿真。E-mail：haowong@yeah.net

曾鴻(1981–)，男，福建福鼎人，副教授，博士。主要研究方向為輪機系統建模與仿真。E-mail：kevinzeng2006@126.com