基于PostEngineer虛擬仿真平臺的艦艇導航裝備虛擬保障研究*

李　昂　宗　磊

(海裝天津局　北京　100071)

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基于PostEngineer虛擬仿真平臺的艦艇導航裝備虛擬保障研究*

李昂宗磊

(海裝天津局北京100071)

裝備的操作和維修采用實裝的訓練方式普遍存在成本高、難度大、風險大、周期長的缺點，利用虛擬裝備技術將訓練的部分內容移植到虛擬裝備上，能有效避免這些缺點，將具有完全自主二次開發能力的PostEngineer虛擬仿真平臺應用于艦艇導航裝備的虛擬維修設計，實現了X/XXXXXX型慣性導航系統的三維虛擬建模和交互。通過支持多領域知識的數字仿真求解引擎技術，建立了按系統運動規律運行及響應的X/XXXXXX型慣性導航系統虛擬模塊，為用戶提供了直觀、逼真的維修訓練環境。

虛擬保障;PostEngineer;艦艇導航裝備;慣性導航

Class NumberTP391

1　引言

裝備維修訓練是軍隊裝備工作的重要組成部分，是培養合格維修人員的重要保證。隨著計算機技術的不斷發展，通過模擬系統進行裝備操作和維修訓練己廣泛應用到各種裝備訓練當中，成為了目前世界各國普遍采用的一種訓練方式[1]。這一方式解決了實際裝備維修訓練的部分問題，具有操作

真實、應用范圍廣、針對性強等優點。因此，裝備操作和維修訓練的模擬系統成為各國軍方的研制重點[5]。

虛擬維修訓練系統是脫離實物裝備而在虛擬裝備上進行的一系列維修訓練活動[6～7]。所謂虛擬裝備是指利用虛擬現實的技術在計算機空間中建立裝備的三維結構，模擬裝備的運行原理、操作過程以及故障的診斷和排除過程，從而構造一個與

實物裝備相對應的基于知識庫的復雜軟件系統[4]。虛擬裝備技術一個最重要的特點是能夠模擬裝備的行為邏輯，并根據用戶的輸入給出相應的反饋，而裝備的行為邏輯是可以設定的，例如用戶可以向虛擬裝備中植入錯誤的行為邏輯來模擬裝備故障[2～3]。

裝備的操作和維修采用實裝的訓練方式普遍存在成本高、難度大、風險大、周期長的缺點，利用虛擬裝備技術將訓練的部分內容移植到虛擬裝備上，能有效避免這些缺點，同時基于虛擬裝備的訓練不受時間空間以及天氣環境的限制，不受裝備數量的限制，可反復實施而幾乎不會增加成本[9]。尤其對于裝備的維修訓練來說，用實物裝備來模擬各種故障幾乎無法實現，而采用虛擬裝備卻可以輕松植入各種故障，學員在逼真的虛擬環境中使用各種儀器和工具對虛擬裝備進行檢測和部件更換，訓練學員在不同故障條件下的維修方法[8]。

X/XXXXXX型慣性導航系統是水面艦艇和潛艇綜合導航系統中的重要導航裝備，承擔著保障艦艇航行安全和為導彈、武備等系統提供航向、姿態等重要信息的重要使命。X/XXXXXX型慣性導航系統是自主式導航裝備，在已知的初始條件下，不需要利用外界的信息，便可通過計算機推算出載體的速度、姿態等導航參數，連續提供本艦艇的姿態角(航向、縱搖、橫搖)數字和模擬信息。其工作完全自主這一獨特優點使其在現代作戰艦艇特別是潛艇上的具有不可替代的主要作用[6,8]。將具有完全自主二次開發能力的PostEngineer(PE)虛擬仿真平臺應用于艦艇導航裝備的虛擬維修設計，實現了X/XXXXXX型慣性導航系統的三維虛擬建模和交互。通過支持多領域知識的數字仿真求解引擎技術，建立了按系統運動規律運行及響應的X/XXXXXX型慣性導航系統虛擬模塊，為用戶提供了直觀、逼真的維修訓練環境。

2　PE虛擬仿真平臺

2.1虛擬仿真平臺PE的特點

采用的虛擬仿真開發平臺PE主要特點和優勢如圖1所示，具體內容如下：

· 完全自主知識產權，能夠提供代碼級的信息安全和技術保障。

· 便捷的二次開發，基于結構化腳本語言的二次開發模式，方便實現復雜的控制邏輯。

· 海量數據處理，基于LOD技術和輕量化技術的大規模圖形快速顯示和基于數據庫的海量信息存儲，能過滿足模擬系統大量的圖形和數據處理需求。

圖1　PE仿真平臺特點

· 基于通用標準OpenGL圖形庫開發，支持多種CAD格式(CATIA、UG、Pro/E、SolidWorks、Inventor、SolidEdge等)、3ds格式、VRML格式。

· 豐富的表現形式，支持圖形、圖像、文字、聲音、視頻、動畫等多維信息的集成；支持各種特效的表現。

· 實時交互，支持用戶通過鼠標、鍵盤以及控制臺等各種直觀的硬件設備對虛擬設備進行操作，虛擬裝備能夠根據用戶的操作表現出與實際一致的反饋。

· 分布式協同仿真，支持基于局域網和廣域網的多人多裝備的協同仿真操作。

· 軟硬結合，通過串口連接硬件和虛擬裝備，實現虛擬設備與硬件的雙向驅動，使仿真訓練更加逼真。

· 基于虛擬設備的自動考核評估，代替傳統的紙質考核方式，采用形象直觀的虛擬設備進行考核和自動評分，同時能夠記錄操作過程，并進行回放和點評，達到更好的考核效果。

· 專業的領域知識庫，提供面向行業的開發模板(如模型庫、素材庫、開發框架、仿真計算模型、表現手法等)知識庫。

2.2虛擬仿真平臺PE的架構

PE平臺主要由三大核心模塊、十大功能模塊組成，核心模塊包含顯示引擎、求解引擎和流程引擎。顯示引擎主要有基于通用開放的OpenGL圖形庫、基于LOD技術和輕量化技術的大規模圖形快速顯示。求解引擎支持多學科知識的求解(幾何約束求解、運動學求解、電路求解)[5]。而流程引擎支持分布式協同仿真、支持時間軸+路由條件控制。

其功能模塊主要有控制面板庫、虛擬儀器庫、虛擬工具庫、虛擬人體模型庫、輸入輸出接口、運動約束編輯器、電路關聯仿真、碰撞檢測、特效編輯器、成果發布、二次開發接口等部分組成。控制面板庫可為用戶提供常用的面板元件(如按鈕、旋鈕、滑塊、開關、操縱桿、液晶屏等)的仿真模型。虛擬儀器庫為用戶提供常用的測量和檢測儀器儀表(如萬用表、示波器、試電筆、溫度計、天平、測速表等)的仿真模型。虛擬工具庫則可以提供常用維修工具(如扳手、起子、錘子、老虎鉗等)的模型。虛擬人體模型庫能夠提供常用虛擬人體的仿真模型(幾何模型、動作模型等)。此外，上述功能模塊均支持用戶自定義擴充。輸入輸出接口包括通用三維CAD(CATIA、UG、Pro/E、SolidWorks、Inventor、SolidEdge等)模型轉換接口、3dMax模型和VRML模型的轉換接口、數據庫(Oracle、MS SQLServer、MySql、Access等)訪問接口、硬件串口通信(如RS-232、RS-485等)接口[4]。運動約束編輯器支持用戶通過定義各零部件之間的幾何關系(如共面、共軸、平行、距離等)來約束其運動空間，當給驅動部件一個速度就能夠帶動其它關聯部件的相對運動。用戶導入標準電路圖(如ORCAD、PSpice、Protel等)后，可通過電路關聯仿真將電路元件與三維零部件模型進行關聯，電路仿真計算的結果將驅動三維零部件狀態的變化。系統的特效編輯器提供特殊效果的編輯手段，對機電設備的環境模擬得更加逼真。其成果發布和二次開發接口支持本地成果和WEB成果發布以及二次接口開發[10]。

圖2　PE虛擬仿真平臺架構

3　虛擬維修實現

1)教學模塊：

用戶進入教學模塊，首先從頁面中選擇一個故障現象，然后系統自動演示該故障現象的故障排除方法動畫。

例如：

用戶需要查看顯示屏故障編號06的故障排除過程：

首先通過故障植入菜單植入編號為06的故障現象，點擊確定。

系統進入故障06的排除動畫：首先用戶可以看到顯示屏錯誤編碼顯示區顯示為06，之后動畫演示故障排除過程，打開機柜門，更換可能造成故障的電路板，更換后檢查是否故障排除，如果沒有排除，更換下一個可能造成故障的電路板。

可能造成06故障現象的故障點全部排出完畢。動畫演示結束。

2)訓練模塊：

用戶進入訓練模塊，首先選擇或隨機選擇一個故障現象，并設置一個故障點。之后系統交由用戶自己操作，用戶自己根據從教學模塊里面學到的故障排除方法來逐步排除故障，系統會對用戶的操作步驟進行判斷，并對錯誤操作給出提示。

訓練模塊的操作全部是用戶自己交互完成，比如打開控制機柜門，需要用戶用鼠標點擊控制機柜模型上門鎖。電路板抽出需要用戶在電路板鎖上進行鼠標點擊。其中故障排除過程中需要用到的工具，比如螺絲刀、萬用表、示波器等，都能夠進行交互操作。

3)考核模塊：

考核模塊內容與實現方法同訓練模塊類似，不同在于當出現錯誤時系統不再提示，而是記錄下錯誤步驟并扣分，如果是致命錯誤，直接結束考核。最后對考核過程進行點評回放并給出考核分數。

圖3為虛擬故障實現效果圖。

圖3　虛擬故障界面

傳統的設備裝拆技術培訓，采用真實設備，由有經驗的師傅手把手的培訓，不僅周期長、設備易損耗，而且容易存在事故隱患。為預防事故隱患和避免損傷設備，采用基于預先錄制的視頻文件回放來培訓，但是這又沒有交互功能[6～7]。多媒體制作系統的交互功能而是預先設定的，不能體現用戶的個性需求。解決此問題的一種新的思路和方法是：基于虛擬現實技術的設備拆裝。利用虛擬現實技術建立虛擬裝拆系統，改變了傳統的訓練培訓的模式，利用計算機產生逼真的實物代用品，并建立相應的模型，加入實時的人機交互性操作，使受訓者可在設備不受損壞的虛擬環境下主動進行，模擬設備裝拆的過程和流程，并以三維方式模擬和分析技術動作，通過這樣的訓練，對實物操作時具有很強的指導作用，從而進一步降低訓練成本。圖4是基于PE仿真平臺的虛擬拆裝實例。

圖4　拆裝溫控殼體

4　結語

為了提高X/XXXXXX型慣導使用、維護人員的操作技能和維護保養、故障維修水平，減少人為因素造成的設備故障，提高維修人員的維修能力，解決由于準備價格昂貴、研制生產單位產能限制而導致的院校任職培訓、海軍訓練基地實操教學等缺乏實裝設備問題，本文提出了一種基于PE仿真平臺的三維虛擬建模技術，建立的X/XXXXXX型慣導虛擬拆裝訓練和系統典型故障訓練模塊直觀、逼真，避免了采用實裝訓練成本高、風險大、周期長，尤其對X/XXXXXX型慣導的維修訓練，用實裝模擬故障幾乎無法實現的缺點，大大提高了訓練效果，節省了訓練經費。

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Naval Craft Navigation Device Virtual Support Research Based on the PostEngineer Virtual Simulation Platform

LI AngZONG Lei

(Tianjin Bureau of Navy Equipment Department,Beijing100071)

Applying real equipment to the train of operation and maintenance of equipment generally has several disadvantages including high cost,big difficulty,high risk and long period.But the virtual equipment technique which transplants some parts of train to the virtual equipment is able to avoid these shortages effectively.Applying the PostEngineer Virtual Simulation Platform which owns the ability of independently secondary developing to the design of virtual maintenance of naval craft navigation equipment achieved the 3-D virtual modeling and interaction of X/XXXXXX Inertia Navigation System.By supporting several-field knowledge digital modeling solving engine technique,the X/XXXXXX Inertia Navigation System which runs and responses as the law of system’s motion is established,which provides an intuitive and vivid maintenance and training environment for users.

virtual safeguard,PostEngineer,naval craft navigation equipment,inertia navigation

2016年3月12日,

2016年4月22日

李昂，男，碩士，工程師，研究方向：慣性導航。宗磊，男，助理工程師，研究方向：慣性導航。

TP391DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.017