基于虛擬人的武器裝備保障技術

吳亞楠　劉曉峰　譚立龍　柴渭莉

（兵器工業衛生研究所/中國兵器工業集團公司人-機-環境重點實驗室，西安710065）

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基于虛擬人的武器裝備保障技術

吳亞楠劉曉峰譚立龍柴渭莉

（兵器工業衛生研究所/中國兵器工業集團公司人-機-環境重點實驗室，西安710065）

摘要：本文從武器裝備保障的需求出發，在緊密聯系虛擬人、虛擬設計、虛擬制造、虛擬裝配等技術的基礎上，從人-機-環境系統工程出發，建立基于虛擬人的武器裝備保障新技術理論，并系統分析了相關技術與組成。分析了基于虛擬人的武器裝備保障新技術在裝備壽命周期費用、加速試驗,以及增加武器裝備、人和武器裝備配合可靠性方面的應用，以數字化的方法建立虛擬保障系統，實現裝備優生，提高裝備保障系統效費比。

關鍵詞：裝備保障虛擬人人機工程

引言

現代武器裝備功能強大、結構組成復雜、自動化和智能化程度高，信息技術在現代裝備中的廣泛應用，使得戰爭力量構成、戰爭形態等發生了巨大的變化，武器裝備保障體系［1］面臨新的挑戰。現代化武器裝備的保障功能復雜、保障結構龐大、保障資源要素繁多，傳統的保障理論和技術已經不能適應現代包含陸、海、空、天的一體化戰場環境，如何進行保障系統的設計、分析和評價已成為各國迫切需要解決的問題。

在過去的研究中，通常采用實驗和部件仿真的方法來研究保障系統的特性，研究保障系統的真實參數及性能，為保障系統的設計提供了依據［2-5］，但依然缺少了解決裝備和保障系統之間的匹配性和適用性這樣的問題，可視化效果和集成效果不佳。虛擬現實方法、計算機等數字化技術的發展，使得裝備設計、制造和維修領域相應地出現了虛擬設計、虛擬制造和虛擬維修技術，大大縮短了裝備的開發周期，減少了制造成本，但在武器裝備保障領域，這一技術的應用還是空白。以這樣的需求為牽引，結合我所在人-機-環境系統工程建模仿真方面的技術積累，本文提出了基于虛擬人的武器裝備保障新技術（簡稱虛擬人武器裝備保障技術）的概念，分析了虛擬人保障技術的內涵，給出虛擬人保障技術的技術框架，討論虛擬人保障技術的運行和評價方法，為武器裝備保障系統的設計、分析和評價提供技術手段。

1 虛擬人武器裝備保障技術的概念和內涵

1.1 武器裝備保障的概念

武器裝備保障，涵蓋了裝備科研、生產、采購、部署、儲備、訓練、使用、維修、退役及報廢的全壽命周期［6］。所謂“裝備保障”，是指通過籌劃和運用人力、物力、財力，從物資和技術方面保障裝備質量良好、配套齊全地工作，目的是保障部隊訓練與作戰的需要。

對各種武器裝備的保障可以使得裝備發揮出最大的戰技效能，并持續其最佳狀態。新型武器裝備交付部隊后，通過戰士訓練、維修等保障活動，使單件裝備、武器系統、裝備體系都達到既定的戰技指標要求，并能持續完成戰士訓練和作戰任務,但除此之外,還必須將人-機因素共同考慮,才能使武器裝備形成應有的戰斗力，實現人-機關系和諧、安全高效的目標。注重裝備列裝部隊后的技術保障問題（如全壽命保障、裝備優生、供應水平及維修效率等），采用虛擬人武器裝備保障技術，從而實現裝備的“優生”。

1.2 基于虛擬人的武器裝備保障技術概念

虛擬人武器裝備保障技術，是利用建模與仿真、數字化樣機、虛擬現實等技術將人體形態學、物理學和生物力學等信息，通過計算機處理而實現數字化人體，代替自然人進行武器裝備人-機-環境適配性研究［7-11］，特別是在武器裝備新型號設計和型號改型定型階段，改變傳統的在樣機中實測的方法，深入武器裝備頂層設計中，在設計階段依據人機工程學原理進行部件空間布局、操作、維護等合理性的評價，提出改進措施并落實到樣車的研制中，并能對實測法提出的改進措施進行虛擬驗證（如圖1所示）。

圖1 虛擬人武器裝備保障在型號研制中的作用

虛擬人武器裝備保障技術是將實際中裝備保障在計算機中映射出來的保障系統，集建模、仿真、評價于一體的裝備保障系統設計環境，具有以下特點：

（1）由事后評價轉變為設計階段評價。在特種設備設計初期，利用虛擬人進行模擬試驗，盡早暴露出設計中存在的問題，提出解決措施并驗證優化方案，預防到實車試驗階段才發現人機界面存在適配性的重大問題。

（2）由數據描述轉變為可視的仿真過程。實現基于任務的人機交互過程仿真，利用計算機圖形仿真手段可以實現交互過程的可視化，使虛擬試驗更加直觀。

（3）優化設計方案。限定在現有特種裝備設計條件下，協調部件及各部件之間的設計約束條件，尋求最佳的整體布置方案。

（4）能夠縮短型號的研制周期、節省研制經費。

紅外焦平面陣列由紅外探測器和讀出電路兩部分組成[3],紅外探測器將紅外輻射轉換成電信號,讀出電路對探測器輸出的電信號積分采樣,采樣結果通過緩沖器串行讀出,屬于典型的數模混合集成電路。本文設計了一種128×128像素的大面陣紅外焦平面陣列智能化讀出電路,通過性能指標測試和實驗表明,所設計的電路各項技術指標均達到了預期目標。

2 虛擬人武器裝備保障技術框架

2.1 虛擬人武器裝備保障技術框架

虛擬人裝備保障技術框架如圖2所示，主要由虛擬人體模型、保障對象建模、系統任務建模、綜合評價模型和可視化仿真5個模塊組成。借鑒成熟的虛擬人體建模，開發武器裝備人-機-環境適配性虛擬分析與評價軟件系統，能達到事半功倍的效果。建立人機適配性保障系統仿真模型，生成符合要求的虛擬人體模型；將虛擬人體模型定位于工作位置，建立人機交互模型，進行系統任務建模；元件庫中選取作業任務，通過虛擬人完成作業任務，完成保障對象建模，利用人機適配性仿真模型計算得出適配性評價結果，開發虛擬人武器裝備保障綜合系統。

圖2 虛擬人武器裝備保障技術框架

2.2 系統模塊

人體模型是虛擬人武器裝備保障技術的核心組成部分，目前國內外對虛擬人的研究主要集中在真實性動作的形成、人物表情系統、人工智能、人群仿真、醫學人體仿真等領域。虛擬人的幾何模型通常采用棒模型、表面模型和體模型3種，但都具有一定的局限性。為了克服單一模型的缺陷，目前形成了一種虛擬人層次表示方法。通常層次模型（圖3）由骨骼層、肌肉層和皮膚層組成，只要對骨骼層操作就可以實現逼真的人體運動，其中人手模型常區別于人體其它部分而被單獨研究；而虛擬人的運動生成及控制主要研究虛擬人在計算機生成空間中的動態特性，它應符合人體運動的基本規律，并能提供簡單直觀的控制方式。然而，同時滿足人體運動的逼真性和控制的有效性是相當困難的，研究人員通過骨骼結構的表達、運動學方法、動力學方法、運動捕捉方法、目標驅動方法等實現二者的折中。

目前，通常運用DI-GUY、Jack等進行一些工程實踐，如運用Jack虛擬人實現虛擬維修方案，采用將動作庫分為動作元素和動作單元兩層，實現對動作的重用和組合；采用DI-GUY進行工程實踐，使用該軟件動作庫中動作，或由DI-GUY虛擬人完成行走和跑步的動作，當虛擬人運動到指定位置時再用自建的虛擬人模型代替DI-GUY虛擬人，然后控制改造后模型的DOF節點完成自定義的動作。

圖3 分層模型

系統任務建模建立在裝備的基本任務模型、計劃任務模型以及作戰單元上。基本任務模型是指武器裝備所執行的空空格斗訓練、巡航、高原習服訓練等基本任務類型，包含基本任務的任務持續時間、需要裝備的數量及執行的模式等，進而建立基于人機交互或機的基本任務模型。圖4為在某型飛機虛擬地勤維護訓練系統項目中利用本文技術實現的一個擰螺栓動作的效果截圖。

圖4 擰螺栓動作效果截圖

裝備是保障系統的保障對象,從裝備全壽命周期層次上對裝備保障的全過程提供支持,因此無論是在裝備的研制階段,還是在裝備的使用階段,虛擬保障系統都可以為裝備保障系統的設計、分析和評價提供技術手段，且裝備中與使用保障相關的設計特性會影響到保障系統的設計。保障對象建模建立裝備層次關系模型、任務可靠性模型、預防性維修模型。裝備層次關系模型表示的是裝備的系統分解結構,即裝備由系統、分系統、操作單元等原件庫組成。任務可靠型模型表示的是裝備的故障邏輯關系,單元之間的邏輯關系,如串聯、并聯、旁聯等。

可視化仿真是虛擬人武器裝備保障技術的又一個重要組成部分，負責進行保障任務情景設計，并在保障任務邏輯關系的驅動下通過可視化仿真引擎在三維空間中實現保障任務執行過程中的三維顯示。不同虛擬保障對應不同保障場景，包含靜態物體和動態物體（如運動的虛擬人、汽車）及環境（如燈光），虛擬保障場景中可以短時高效獲取不同視角、不同行為的執行過程（表1及圖5）。

表1 仿真手部動作仿真分類

圖5 手部動作仿真效果圖

參與到武器裝備的論證、研制、生產、使用、保障和處理的過程中，即落實全壽命思想，依據裝備保障原理進行部件及布局合理性的評價，提出改進措施并落實到正樣車研制中。如采用仿真的方法，將虛擬人引入車輛三維模型中，在型號論證和方案設計階段，通過人機界面適配性虛擬評價、不同工況作業環境下人體舒適性虛擬評價、裝備可靠性評價等提出改進措施并落實到初樣車研制中，并能對實測法提出的改進措施進行虛擬驗證，從而降低壽命周期費用。

通過對虛擬人、系統任務、保障對象模型數字化仿真，在更短的時間內獲得比正常條件下更多的信息，突破空間、時間的限制，實現逼真的裝備裝配、故障維修、裝備內部環境控制操作，檢驗武器裝備的性能，增加人、裝備及兩者間配合的可靠性，實現裝備優生。

評價系統改變原來的對實物的實測法，所有數據數字化，通過信息化的手段對整個系統進行管理、供應和使用，從而提高武器裝備、操作者的效率和效能，以數字模型為中心，建立交互模型，初步得到評價系統，通過驗證，最終形成虛擬裝備保障系統。

以現代戰爭裝備保障需求的牽引，在現代高新技術發展的推動下，大量創新性的裝備保障理論和技術得以發展，并在局部戰爭中進行了實戰檢驗［13］。對加緊構建適應信息化戰爭需要的保障體制以及統領和促進包括表面工程在內的各種先進維修技術都有重要的借鑒意義，因此，虛擬人武器裝備保障技術框架中還應包含：

（1）強化全壽命全系統保障思想，提高裝備保障效費比；

（2）發展新的可靠性維修性保障性設計理念和技術，實現裝備優生；

（3）充分利用信息技術，提高物資管理與供應水平；

（4）發展新一代維修技術和思想，提高裝備維修效率和效能。

3 虛擬人武器裝備保障技術運行與評價

將武器裝備人-機-環境作為研究對象，有別于人員舒適性為原則的傳統理論，而是研究以人員功效與武器裝備總體結構約束相兼顧的人機適配性，并以人員作業合理性表征武器裝備人機適配性。

圖6 虛擬人武器裝備綜合評價模型確定方法

如圖6所示，通過系統給的分析典型武器裝備人機適配性，重點關注乘員—武器系統的結構特點和作業特點，提煉出人機適配性評價指標體系。運用模糊數學理論，建立人員作業與人機適配性指標之間的數學模型，通過構造隸屬度函數實現單向指標的評價。通過主觀問卷，確定各適配性指標的權重值；基于重要性及使用頻率定量化原則，以層次綜合模糊評價為依據，建立虛擬人武器裝備保障技術中個人及適配性綜合評價模型，通過實驗驗證評價模型的準確性，可以得到武器裝備人機適配性部件級、子系統和系統級定量化評價結果。

在某型號武器裝備論證高于設計階段，利用虛擬人武器裝備綜合評價系統，對裝備人-機-環境工程進行分析評價，圖7所示為定位于車長位置操縱車長任務端的肢體可達性分析，可見任務終端的操作按鍵不在肢體可達范圍。

圖7 某型號武器裝備人體可達性評價

4 結論

在充分理解虛擬人、虛擬仿真方法及保障系統物理概念的基礎上,闡述了基于虛擬人的武器裝備保障新技術的概念,分析了虛擬保障系統的內涵,給出了虛擬保障系統的技術框架,討論了虛擬人的武器裝備保障新技術系統的運行和評價方法。在裝備研制階段,虛擬人武器裝備保障技術對所有的保障任務進行建模和仿真,驗證保障流程的合理性,評價保障設備（包括測試、測量與診斷設備、工具及其他保障設備等）與裝備的匹配及協調程度,發現裝備及保障系統設計中存在的問題并及時糾正。在裝備的使用階段,虛擬保障系統可以針對不同的使用任務,在不動用實際裝備和保障資源的情況下進行保障任務的虛擬設計與評價,以節約時間和費用。

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Technique of Equipment Support for Weapon Based on Virtual Human

WU Yanan, LIU Xiaofeng, TAN Lilong, CHAI Weili
（Institute for Hygiene of Ordnance Industry, Key Laboratory of Man-machine Environment of CNGC,Xi'an 710065）

Abstract:Based on the man-machine-environment system engineering（MMESE）, we closely associated the virtual human, virtual design, virtual manufacturing and virtual assembly technique to meet the requirement of weapon equipment support, presented the theory of new equipment support technique for weapon based on virtual human, and systematically analyzed the related technologies and components. This paper also displayed the intended usage of this new technique including the guarantee of equipment life cycle, acceleration of equipment test, and increasing the reliability of weapons and man operated or use it, set up a virtual security system in digital method to improve the cost-effectiveness of equipment support system, and finally realized the prepotency of weapons.

Key words:equipment support, virtual human, man-machine engineering

基金項目：總裝備部專用課題（40401010104）：XXXX人機環境控制、測試與評價技術。