歐立銘， 徐曉剛， 孫元元

（海軍大連艦艇學院裝備自動化系，遼寧 大連 116018）

協(xié)同虛擬維修是指在虛擬、共享的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，多個分散的用戶，共同對同一大型裝備進行維修。大型裝備規(guī)模龐大，零部件多。協(xié)同虛擬維修的所有活動是圍繞零件展開的，需要獲取零件的維修信息。因此，要把零件有關(guān)維修的信息組織起來。如果每個用戶都對零件的信息都做一個自主描述，那么勢必會造成其它用戶的理解障礙。如何有效組織這些零件信息，并支持多用戶異地共享是個問題。

目前，零件信息的描述方法有：分類編碼描述法、形面要素描述法、圖論描述法、特征描述法、拓撲描述法和知識表示描述法等[1]。其中，特征描述法適宜描述比較復(fù)雜的非回轉(zhuǎn)體類零件。其思想是從零件的所有信息中抽象出一些能夠用通用要素和屬性組成特征集合，目的是提供一種統(tǒng)一的零件信息描述方式，實現(xiàn)零件信息在異地用戶間的傳輸、共享。人們根據(jù)應(yīng)用需求，對零件的特征做出了不同的定義。從事CAD的人，認為特征包括草圖特征、放置特征和基準特征等，以體現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計意圖[2]。從事CAPP的人，認為特征包括形狀特征、精度特征、材料特征、技術(shù)特征和管理特征等，以反映設(shè)計者與制造者的意圖[3-4]。

維修是為保持或恢復(fù)產(chǎn)品處于可使用狀態(tài)所進行的維護、保養(yǎng)、修理、改進、翻修、檢查等活動。因此，傳統(tǒng)的從設(shè)計、制造等應(yīng)用需求出發(fā)定義的零件特征模型不能滿足協(xié)同維修應(yīng)用需求。本文分析協(xié)同維修過程所需的信息，從零部件幾何關(guān)系等固有屬性出發(fā)，構(gòu)建了面向協(xié)同維修的虛擬樣機零件特征模型。

1 零件特征模型構(gòu)建

首先分析維修過程信息，提取出有用的信息組成特征集合，構(gòu)建特征模型，最后對特征模型進行了形式化描述。

1.1 協(xié)同維修過程分析

協(xié)同維修是虛擬樣機—維修工具—維修人員三者之間的交互活動，是更換或維修故障零部件為目的的部分拆裝活動。每一步的拆裝活動都是以零部件為中心，以解除零部件之間的約束關(guān)系為目的。進一步說，拆裝是圍繞零部件的特征進行的，即零件的固有屬性決定了需要的維修工具、維修人員等維修資源信息。因此，協(xié)同維修不需要零部件的尺寸、材質(zhì)等工藝制造信息，只需要由這些固有屬性決定的維修信息，具體包括零部件拆裝序列、拆裝工具、人員協(xié)作信息和拆裝方向等。

在分析協(xié)同維修過程所需信息后，下一步將這些提取出的有用信息組成特征集合，構(gòu)成零件特征模型。

1.2 零件維修特征模型

特征是根據(jù)應(yīng)用需求對真實零件的一些固有要素進行的抽象。從自身需求出發(fā)定義的特征應(yīng)該符合其他人的應(yīng)用需求，這就要求特征能表示為某些更為基本的“通用特征”的組合。從協(xié)同維修的需求出發(fā)，本文的零件特征模型從拆裝規(guī)則和協(xié)作信息兩方面，抽取了拆裝序列、拆裝運動、人員角色和維修工具等特征（如圖1所示）。

圖1 零件維修特征模型

1）拆裝規(guī)則 從機械角度看，零件之間存在聯(lián)接、定位和傳動等基本幾何關(guān)系。零件之間的這些幾何關(guān)系決定了維修時零件的拆裝順序以及零部件間為避免穿越所受到的運動約束。維修活動就是依據(jù)零部件之間的幾何關(guān)系拆裝一系列零部件的過程。確定拆裝規(guī)則需要人們了解實體裝備的構(gòu)造，分析零部件間的幾何關(guān)系，熟悉實際維修過程。

2）協(xié)作信息 零件的協(xié)作信息包括人員角色特征和維修工具特征。協(xié)同維修中每個成員擔當一定的角色，承擔一定的任務(wù)分工，相互之間密切配合，使整個維修活動有序的進行。同時，在拆裝零件過程中，需要的不同的工具。有的零件可以徒手拆卸，有的則需借助錘子、錐子、鉗子、扳手等工具。

大型裝備零件數(shù)目十分龐大。構(gòu)建一個完整的、滿足全程需求的零件特征模型需從分析實際維修中每個零件入手，其工作量巨大。本文采用面向?qū)ο蟮乃枷耄瑢α慵卣鬟M行分類建模，減少工作量。

1.3 面向?qū)ο蟮牧慵卣鹘?/h3>

文獻[5-6]提出了面向?qū)ο蟮奶卣鹘Ｋ枷搿Ｆ溆^點是：以對象的觀點來分析現(xiàn)實世界中的問題，從普通人認識世界的觀點出發(fā)，把事物歸類、綜合，提取共性并加以描述。本文采用上述思想對零件，根據(jù)特征進行分類建模。其思路是：不同零件所具有的部分特征從其父類繼承，父類所具有的部分特征從某一些基類中繼承。這樣眾多的零件就可以用有序的語義關(guān)系聯(lián)接起來，避免重復(fù)建模，降低工作量。采用面向?qū)ο蠼Ｋ枷?，使用戶只需對特征的外部接口參?shù)進行操作，而無須知道特征內(nèi)部具體的實現(xiàn)機制，使得建模在更高的語義層次上進行。

1.4 特征模型的描述

本文以某型艦炮為例，將零件初步分為管、軸、齒輪和滑塊等4個基類。其中，管類所具有的性質(zhì)是：具有聯(lián)接幾何關(guān)系（具體可分螺紋聯(lián)接、楔聯(lián)接、銷聯(lián)接、鍵聯(lián)接、花鍵聯(lián)接、過盈配合聯(lián)接、彈性環(huán)聯(lián)接、鉚接、焊接和膠接等）。在其以下的長管、套管和環(huán)等父類繼承了這一屬性。其中，環(huán)在具有這一屬性的同時，又具有特定屬性：使用工具且由單人拆卸。制動環(huán)和密封環(huán)等都是環(huán)的實例。其中密封環(huán)在繼承環(huán)的屬性的同時，又具有特定屬性：使用卸環(huán)鉤拆卸（如圖2所示）。

圖2 零件特征建模及特征描述

從圖中可以看出防護罩的維修特征信息：防護罩是第1個要被拆卸的零件。拆卸時，需要3個人徒手合作拆卸。一個人抬著一個角，沿炮管方向移動。

2 零件特征模型的數(shù)據(jù)映射

抽象的零件信息模型需要以某種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲和管理并實例化，才能在實際運用時調(diào)用。本文創(chuàng)建的零件信息模型存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中。首先要建立數(shù)據(jù)映射，將面向?qū)ο蟮牧慵卣髂Ｐ陀成涑申P(guān)系數(shù)據(jù)類型，最后再將特征模型映射成數(shù)據(jù)表。

2.1 零件特征模型的關(guān)系數(shù)據(jù)映射

關(guān)系數(shù)據(jù)模型中數(shù)據(jù)以表的形式存放，表里的數(shù)據(jù)類型是一種簡單邏輯模型，數(shù)據(jù)簡潔、獨立，但其無法表述對象的復(fù)雜語義[7]。所以必須在關(guān)系數(shù)據(jù)庫和面向?qū)ο蟮膽?yīng)用系統(tǒng)中間增加對象映射層，實現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品對象向數(shù)據(jù)庫表的映射。利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫表達對象，通用方法為“映射法”[8-9]。即：一個類映射為一個數(shù)據(jù)庫中的表格。表的列或字段對應(yīng)類的屬性，而行或列紀錄則對應(yīng)類的實例。在表格中，一個或幾個字段構(gòu)成，其值是紀錄的獨特標識。如果類的屬性是一個組合類，則增加一個表格映射組合類。

2.2 零件特征模型的數(shù)據(jù)表映射

以Mysql數(shù)據(jù)庫存儲和管理零件信息模型，并構(gòu)建了某型艦炮協(xié)同虛擬維修系統(tǒng)。以拆卸防護罩為例，介紹零件特征模型如何用關(guān)系數(shù)據(jù)模型實例化。零件的拆裝序列特征、拆裝運動特征、人員角色特征和維修工具特征需要4個表，并通過表的主鍵碼（如ToolId, AccessoryID等）關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)。其中，零件表是主表，字段TurnAxias，MotionType和MotionDis等共同表達了零件的拆裝運動特征。字段ToolId與工具表關(guān)聯(lián)，表達維修工具特征。零件表用主鍵碼(AccessoryID)與協(xié)作信息表、序列表關(guān)聯(lián)，表達了零件的人員協(xié)作特征和拆裝序列特征。

由以上關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)表，可得到防護罩的特征模型信息：

1）拆裝序列特征 由序列表知，防護罩可拆卸的條件是其本身處于安裝狀態(tài)。即沒有其他零件約束它，是第1個拆卸的零部件（在圖2中可看出）。

2）拆裝運動特征 為避免穿越，拆卸防護罩時，必須繞Z軸旋轉(zhuǎn)，并向右移動3米。

3）人員角色特征 拆卸防護罩需要3個人，每人站在相應(yīng)位置并承擔相應(yīng)任務(wù)。

4）維修工具特征 防護罩只需徒手就可以拆卸。

3 應(yīng)用實例

系統(tǒng)選用Torque為三維引擎、MySQL為數(shù)據(jù)庫、Apache+PHP為后臺數(shù)據(jù)管理的方式開發(fā)。

在維修過程中，操作者通過外設(shè)控制虛擬人進行維修操作。虛擬人選擇零件后，查詢數(shù)據(jù)庫，獲取了零件包括拆裝序列、拆裝運動、人員角色和維修工具等特征信息。當系統(tǒng)判斷到條件都滿足后，拆卸進行。如圖3(a)所示，3人合作拆卸防護罩。拆卸防護罩，需要3人合作徒手拆卸。拆卸時，防護罩必須沿炮管方向移動，否則發(fā)生穿越。在圖3(a1)中，3人按照角色分工，一人在一個位置蹲下，準備抬起防護罩。在圖3(a2)中，3人抬起了防護罩，沿炮管方向移動。圖3(b), 圖3(c), 圖3(d), 圖3(e)為虛擬人拆卸護板、排殼器、啟動器和密封圈等實例。

圖3 征模型在某型艦炮協(xié)同虛擬維修系統(tǒng)中的應(yīng)用

4 結(jié)束語

零件特征是從零件眾多信息中抽取出來的，用于滿足協(xié)同維修需求的信息組合，為參與協(xié)同的用戶提供了一個統(tǒng)一標準。不同用戶按此模型創(chuàng)建的零件，都將包含這些必備的特征信息，能夠被其他用戶理解。把零件特征模型轉(zhuǎn)化成關(guān)系數(shù)據(jù)模型，存儲在數(shù)據(jù)庫中。異地用戶通過訪問數(shù)據(jù)庫，就可獲得零件特征信息，可以實現(xiàn)零件信息異地傳輸與共享。

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