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(huán)境、軟件系統(tǒng)、實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(yè)中進行應用，目前部分企業(yè)已經具備了初步的應用水平，但較國外大規(guī)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(huán)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(huán)境構成整個平臺運行的基礎硬件環(huán)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(huán)境及桌面環(huán)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(guī)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(huán)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)，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(tǒng)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(huán)境

在硬件環(huán)境的規(guī)劃中，固定式沉浸環(huán)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(xiàn)數據交換。

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

CAVE是典型的固定式沉浸環(huán)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(huán)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(huán)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(huán)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(huán)境的建設外，通過對已有硬件資源的利用與整合可實現(xiàn)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(tǒng)中的主控計算機共用。

3 平臺軟件系統(tǒng)

虛擬維修仿真平臺通過軟件系統(tǒng)的各模塊協(xié)調配合，實現(xiàn)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(tǒng)中予以實現(xiàn)，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(tǒng)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(xiàn)為：

1）系統(tǒng)資源調用與管理。可對操作系統(tǒng)的軟、硬件資源進行調用和管理，在沉浸式環(huán)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(yōu)化功能。

3）數據傳遞與管理。能與數據資源庫、數據發(fā)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(fā)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)底層支撐平臺實現(xiàn)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(xiàn)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(tài)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(tài)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(xiàn)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(tài)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(huán)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(jié)的舒適性信息。當關節(jié)顯示為紅色時，表示維修人員在該操作姿態(tài)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(xiàn)實的產品維修仿真應用，與總體和系統(tǒng)設計等密切關聯(lián)，通過設計信息共享實現(xiàn)并行的一體化設計。

虛擬維修仿真平臺未來的主要技術發(fā)展包括維修任務建模與規(guī)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]