虛擬維修仿真平臺基本要求研究

陳浩

【摘 要】研究了虛擬維修仿真平臺的基本要求，從平臺設計原則、硬件環境、軟件系統、實現功能幾個方面進行了分析，并進行了總結和展望。

【關鍵詞】仿真平臺；人機工程

通過在虛擬維修仿真平臺上進行各種維修活動的模擬，在設計早、中期即可實現產品維修性的實時分析、評價與驗證，有利于改善產品維修性設計，降低產品研制費用，縮短產品研制周期。虛擬維修技術起源于飛機等大型復雜系統研制中對維修性工作的迫切需求，國外各大航空制造商、高等院校研究所均在虛擬現實和虛擬維修方面開展課題攻關，取得了一系列卓有成效的技術成果，以達索公司的DELMIA和UGS公司的Jack為主的虛擬仿真平臺已被廣泛使用。在國內，虛擬維修仿真平臺已逐步開始在航空航天、汽車、船舶等多個行業中進行應用，目前部分企業已經具備了初步的應用水平，但較國外大規模的廣泛應用還有很大差距。

1 平臺設計原則

虛擬維修仿真平臺包括硬件環境、底層支撐平臺、應用功能模塊、數據資源庫四個部分。其中，硬件環境構成整個平臺運行的基礎硬件環境條件，底層支撐平臺為各類應用提供支撐服務，應用功能模塊為用戶提供沉浸式環境及桌面環境的各種具體應用，數據資源庫為平臺及應用功能模塊提供必要的數據資源保障。

虛擬維修仿真平臺的規劃和建設應考慮以下原則：

1）真實性原則。需考慮產品的空間感及實際尺寸體驗等信息的真實表達；使用戶能以真實的操作方式與虛擬產品進行互動；強調環境、流程、資源等與產品有關的因素可能帶來的影響。

2）支持大數據量。大數據量的支撐能力可以實現對于巨大、復雜產品的完整虛擬樣機模型應用。

3）先進性原則。平臺各組成部分應采用較為成熟、技術先進的模塊組成，保證在一定時期內不會過時，并能夠在未來3-5年中與相關的主流系統配合使用。

4）易用性原則。相關功能應能集中在一個平臺中予以實現，平臺操作功能及界面應盡量簡潔、實用。

5）集成性與可擴展性原則。應考慮與CAD及CAE系統數據的繼承性與兼容性，保證整體信息化體系的良性運轉。

2 平臺硬件環境

在硬件環境的規劃中，固定式沉浸環境、各桌面工作站等均可通過網絡進行連接，且可與服務器實現數據交換。

固定式沉浸環境所采用的硬件主要包括：圖形生成系統、投影顯示系統、定位跟蹤系統和虛擬外設裝置。圖形生成系統采用圖形工作站集群，其中1臺作為主節點，所有軟件在集群或單節點服務器中運行；投影顯示系統由立體投影機構成，提供三維沉浸感可視化環境；定位跟蹤系統包含位置跟蹤器、人體捕捉、手執式交互設備、數據手套等。

CAVE是典型的固定式沉浸環境，由3個面或以上的硬質背投影墻組成高度沉浸的虛擬演示環境，配合三維跟蹤器，用戶可以近距離接觸虛擬三維物體或者漫游虛擬環境，其特點是分辨率高、沉浸感強、交互性好。結合頭盔顯示器和單通道PowerWall激光投影顯示的固定式沉浸環境多用于部門級和科室級，硬件設備與CAVE類似，投影只需單通道或雙通道即可，演示效果較弱，但其他應用功能足以滿足工作需求，且更為靈活和便捷。

除上述沉浸式硬件環境的建設外，通過對已有硬件資源的利用與整合可實現其他應用，如對于數據資源庫的建設工作，需要有配套的硬件服務器設備支持，一般可與沉浸式系統中的主控計算機共用。

3 平臺軟件系統

虛擬維修仿真平臺通過軟件系統的各模塊協調配合，實現各項具體應用功能。底層支撐平臺除了提供底層支撐服務，同時也是各軟件功能模塊及數據資源庫等進行數據信息交換的橋梁。平臺所有應用在軟件系統中予以實現，同時可連接數據資源庫獲得各類模型資源的按需獲取。

底層支撐平臺作為軟件系統運行的基本模塊，提供圖形用戶界面以及對各運行硬件平臺的支持，其用途主要體現為：

1）系統資源調用與管理。可對操作系統的軟、硬件資源進行調用和管理，在沉浸式環境下，除管理主控計算機外，還負責對各渲染結點的從屬集群計算機進行設置和管理。

2）軟件功能的管理。提供軟件運行基本功能和顯示優化功能。

3）數據傳遞與管理。能與數據資源庫、數據發布模塊等進行數據信息交換，配合完成數據資源調用、結果數據發布等功能。

對于虛擬維修仿真平臺的用戶，幀速率低于每秒12幀時會產生明顯的不舒服感，為了進行平滑仿真，至少需要每秒顯示24到30幀的速率。另外，如果平臺延遲超過100ms，仿真質量便會急劇下降，使用戶產生不舒服感。低延遲和快速刷新頻率要求平臺有高性能的CPU和圖形加速能力。

虛擬維修仿真平臺應能實現大數據量的支撐，同時也需兼顧虛擬維修模型的簡化。簡化的方式分為兩類，一是對裝配體進行多邊形簡化，二是產品的裝配層次重組。前者是從仿真及外形要求上進行幾何簡化，得到初步的虛擬維修樣機幾何模型，后者是從結構上進行精簡，得到最終可用的幾何模型。

數據資源庫為系統及應用功能模塊提供必要的數據資源保障，是基于工程虛擬樣機進行各種實際應用的基礎，可通過系統底層支撐平臺實現對各類模型的調用與管理。根據具體需求不同，數據資源庫包括標準工具庫、工裝庫、人體模型庫、維修場景庫等。

在虛擬維修仿真平臺中，維修仿真及模型管理需要通過各種接口進行數據的收集、管理和控制，并開展維修性分析和評價。根據實現功能的不同，仿真接口可分為：仿真控制接口、維修程序接口、場景管理接口、虛擬樣機導入接口、數據采集接口等。

4 平臺主要功能

物理仿真模塊是虛擬維修仿真平臺的物理仿真引擎，其主要功能有：

1）動態干涉檢查。基于幾何的邊界算法可真實的對模型交互過程中的動態干涉進行仿真。

2）模型行為約束。支持對模型的行為進行約束，使部件擁有更復雜的行為，以獲得更真實的虛擬樣機。

3）機構運動學。可實現對大型工裝工具的虛擬驗證。

人機工程模塊是虛擬維修仿真平臺最重要的模塊，用戶可選擇數據庫中滿足正態分布標準的人體模型，也可定制實際情況需要的人體模型，能可視化顯示交互過程中的人機工效因素，支持人體模型運動仿真，支持沉浸式環境下的維修性分析、驗證。主要用途有：

1）可視性和可達性分析。虛擬人具有接近真實的骨骼數量，可通過交互設備對骨骼進行操作。可分別顯示虛擬人左、右手的可達范圍半球，以及虛擬人左、右眼的視錐。

2）舒適性分析。采用通用的人體舒適性標準，能以可視化的顏色等方式顯示虛擬人關節的舒適性信息。當關節顯示為紅色時，表示維修人員在該操作姿態下舒適性較差。

5 總結和展望

虛擬維修仿真平臺是基于虛擬現實的產品維修仿真應用，與總體和系統設計等密切關聯，通過設計信息共享實現并行的一體化設計。

虛擬維修仿真平臺未來的主要技術發展包括維修任務建模與規劃技術、虛擬維修仿真技術和維修性分析評價技術等。

[責任編輯：朱麗娜]