張玉梅，魏沁祺，曾 俊

中國(guó)船船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的艦船使用和維修性分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)

張玉梅，魏沁祺，曾 俊

中國(guó)船船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

針對(duì)艦船總體使用和維修性設(shè)計(jì)驗(yàn)證手段不足的現(xiàn)狀，基于并行工程思想，以虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)仿真和高性能圖形系統(tǒng)作為共性支撐技術(shù)，同時(shí)依據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與CAD，PDM以及與使用和維修相關(guān)的CAE的集成，構(gòu)建艦船使用和維修性分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)。該系統(tǒng)構(gòu)建了面向使用和維修的功能樣船和動(dòng)素層人體姿態(tài)庫，基于可達(dá)性和人因工程兩個(gè)指標(biāo)完成艦船使用和維修性分析評(píng)價(jià)，通過與PDM系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管控與總體設(shè)計(jì)并行開展。本文的研究成果可為在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)、解決艦船的使用和維修問題，提供普遍使用的技術(shù)依據(jù)和實(shí)施方法。

艦船設(shè)計(jì)；使用性分析；維修性分析；虛擬現(xiàn)實(shí)；仿真設(shè)計(jì)

0 引 言

在艦船設(shè)計(jì)中，總體設(shè)計(jì)人員需要謹(jǐn)慎考慮如何在有限的空間內(nèi)布設(shè)復(fù)雜的管系和電纜，需結(jié)合全艦系統(tǒng)以及設(shè)備的使用和維修要求，布置各種裝置和設(shè)施（如動(dòng)力、武備、通信、導(dǎo)航、控制等設(shè)備及生活設(shè)施），以保證它們有機(jī)地集成并有效運(yùn)行。目前，用于對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行補(bǔ)充、驗(yàn)證的物理和計(jì)算機(jī)仿真模型，大多都不適用于全船的使用和維修性設(shè)計(jì)驗(yàn)證，往往要等到實(shí)船系泊試驗(yàn)時(shí)才能進(jìn)行定性評(píng)估。這種明顯滯后的檢驗(yàn)，給艦船產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量帶來了非常不利的影響。為在總體設(shè)計(jì)階段就能充分評(píng)估和解決艦船后續(xù)使用和維修過程中的問題，促進(jìn)設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)，迫切需要研究一種針對(duì)艦船產(chǎn)品使用和維修性設(shè)計(jì)驗(yàn)證的新方法［1］。

針對(duì)艦船使用和維修性設(shè)計(jì)驗(yàn)證手段不足的現(xiàn)狀，基于并行工程思想，將采用虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)仿真和高性能圖形系統(tǒng)作為共性支撐技術(shù)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與CAD，PDM以及與使用和維修相關(guān)的CAE的集成，構(gòu)建艦船使用和維修性分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)。一方面，將選擇艦船上典型的系統(tǒng)設(shè)備密集艙室，進(jìn)行人機(jī)工程分析，考察作業(yè)域中人機(jī)界面的可達(dá)性、舒適性和勞動(dòng)強(qiáng)度等內(nèi)容，為優(yōu)化人機(jī)操作界面設(shè)計(jì)提供依據(jù)；另一方面，將進(jìn)行拆卸、裝配、工具和儀器使用等維修操作過程的規(guī)劃、仿真和分析，對(duì)艦船總體維修性（包括人因工程、可拆卸性和可裝配性等）進(jìn)行驗(yàn)證，以盡可能在設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)、解決艦船的使用和維修問題［2-3］。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及差距分析

近年來，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)廣泛應(yīng)用于艦船、飛機(jī)等總體設(shè)計(jì)制造的各個(gè)階段中。使用和維修作為裝備全壽期的重要環(huán)節(jié)，是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。洛克希德·馬丁公司?？占蓪?shí)驗(yàn)室“著陸和艦載適應(yīng)性”研究小組在F-35戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目中，利用實(shí)尺寸沉浸式投影環(huán)境、人體實(shí)時(shí)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)和力反饋裝置等虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)施，通過3D激光掃描儀快速捕捉和創(chuàng)建3D模型，綜合考慮基地和船舶適應(yīng)性、人因工程、維修性和可靠性等因素，完成了內(nèi)部武器裝載、緊急捕捉鉤操作、聯(lián)合發(fā)電裝置維護(hù)、加油裝置降落檢查保護(hù)、發(fā)動(dòng)機(jī)拆卸、升力風(fēng)扇拆卸、捆綁裝置操作、水上維護(hù)時(shí)的飛機(jī)尾翼裝置操作、噪音控制、外部武器裝載、飛機(jī)清洗以及分布式孔徑有效區(qū)域檢查等裝備使用、維修和技術(shù)保養(yǎng)等過程的虛擬仿真模擬分析。該項(xiàng)目利用虛擬模型替代物理模型，成本降低了50%以上，其通過在早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題，積極有效地改善了飛機(jī)設(shè)計(jì)，解決了多個(gè)核心領(lǐng)域的整合問題，為設(shè)計(jì)變更節(jié)省了7.5億美元。

國(guó)內(nèi)研究的虛擬使用和維修系統(tǒng)大部分是通過接口從商用CAD系統(tǒng)中獲取產(chǎn)品的數(shù)字化模型。清華大學(xué)等針對(duì)虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境方面進(jìn)行了研究；浙江大學(xué)CAD&CG國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于三維虛擬設(shè)備，在CAVE環(huán)境下開發(fā)了完全沉浸式的虛擬裝配原型系統(tǒng)VAVDS；軍械工程學(xué)院建立了專業(yè)的維修研究實(shí)驗(yàn)室，在維修性設(shè)計(jì)以及虛擬維修訓(xùn)練方面開展了研究，并已基于Jack平臺(tái)開發(fā)了專門進(jìn)行虛擬維修仿真、分析與評(píng)價(jià)的軟件。

艦船結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)備眾多，往往涉及“充、填、加、掛”等多種操作，維修環(huán)境狹小，破壞形式多樣，且還受諸如時(shí)間、地點(diǎn)等外部因素的影響。目前對(duì)于艦船虛擬使用和維修平臺(tái)的研究還不夠深入，沒有形成完整的體系，主要體現(xiàn)在：

1）虛擬使用和維修模型的真實(shí)度不高。

虛擬使用和維修樣船與實(shí)船的相似程度有限，針對(duì)艦船產(chǎn)品的虛擬人體模型庫尚屬空白。

2）虛擬使用和維修仿真的分析評(píng)價(jià)功能不強(qiáng)。

對(duì)艦船使用和維修仿真過程中涉及的維修資源、作業(yè)流程和人員等因素缺乏系統(tǒng)的考慮，僅能提供初步的驗(yàn)證功能，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)使用和維修進(jìn)行定性或定量的分析評(píng)價(jià)。

3）虛擬使用和維修應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管控能力不強(qiáng)。

缺乏合理、完善的組織及管理艦船使用和維修原始信息及仿真數(shù)據(jù)的技術(shù)手段。由于艦船虛擬使用和維修應(yīng)用系統(tǒng)與商用CAD系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程繁瑣，仿真結(jié)果、改進(jìn)設(shè)計(jì)意見和建議不能及時(shí)、有效地反饋到CAD系統(tǒng)中，因而無法實(shí)現(xiàn)使用和維修性設(shè)計(jì)驗(yàn)證與總體設(shè)計(jì)的并行開展。

針對(duì)上述不足，本文將分別給出解決方案。

2 虛擬使用和維修模型構(gòu)建方法

2.1 虛擬使用和維修功能樣船建模

面向虛擬使用和維修的數(shù)字樣船包括使用和維修對(duì)象模型、維修工具模型及艙室環(huán)境模型，既要保證與實(shí)際裝備在幾何外形上的高度相似，又必須為虛擬環(huán)境提供充足的功能信息，是典型的功能樣船。在使用和維修任務(wù)信息的驅(qū)動(dòng)下，首先從三維設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)中提取使用和維修對(duì)象、維修工具及艙室環(huán)境的組成、層次結(jié)構(gòu)以及裝配信息等數(shù)據(jù)，產(chǎn)生新的對(duì)象、工具、艙室環(huán)境屬性數(shù)據(jù)及裝配信息，然后再根據(jù)使用和維修任務(wù)將三者組合起來，形成功能樣船模型［4］，建模過程如圖1所示。

虛擬使用和維修功能樣船建模重點(diǎn)解決從艦船CAD系統(tǒng)到虛擬使用和維修系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過程中模型信息提取、剔除、優(yōu)化和功能屬性添加的問題，主要體現(xiàn)在以下幾方面：

圖1 從CAD系統(tǒng)到虛擬使用和維修功能樣船的建模過程Fig.1 Modeling process from CAD system to virtual function ship of operation and maintenance

1）使用和維修對(duì)象模型構(gòu)建方法。

虛擬使用和維修對(duì)象所需的原始幾何數(shù)據(jù)從艦船CAD系統(tǒng)中獲取，例如，零部件的幾何模型、材質(zhì)、體積、質(zhì)量、顏色等。對(duì)象內(nèi)及對(duì)象間的裝配約束關(guān)系，如零部件的解脫方式、拆卸順序、拆卸運(yùn)動(dòng)路徑等，則需要利用CAD系統(tǒng)中的裝配信息進(jìn)行推理，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行或用戶手工輸入。使用和維修對(duì)象的關(guān)聯(lián)性信息，如維修資源、維修技術(shù)要求等，可以從可靠性和維修性（RMST）的相關(guān)數(shù)據(jù)信息和標(biāo)準(zhǔn)中獲得。

2）基于功能特征的維修工具參數(shù)化設(shè)計(jì)。

艦船維修工具主要包括兩類：連接類和破壞類。連接類主要是緊固件的裝拆工具，該類工具在裝配過程中引導(dǎo)零件建立連接關(guān)系，在拆卸過程中引導(dǎo)零件解除連接關(guān)系，如扳手、螺絲刀等均屬于這類工具；破壞類工具的操作過程通常伴隨著零件不同程度的變形，該類工具主要包括錘類、鉗類和刀具類等。為提高維修工具的利用性，避免每次調(diào)用不同型號(hào)的同類工具時(shí)都要重新建模，考慮了基于參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，通過定義圖形間的拓?fù)潢P(guān)系以及改變具體零件尺寸來產(chǎn)生同類型的零件模型。

3）艙室模型數(shù)據(jù)輕量化。

由于艦上布置了各種裝置和設(shè)施，如動(dòng)力、通信、武備、導(dǎo)航、控制等設(shè)施和生活艙室以及各種復(fù)雜的管系、電纜等，因而艙室環(huán)境涉及的模型數(shù)據(jù)量極其龐大和復(fù)雜。目前，船舶行業(yè)主流CAD軟件CADDS5，F(xiàn)ORAN無直接支持虛擬仿真軟件DELMIA的模型格式轉(zhuǎn)換器。如何將艙室環(huán)境模型輕量化，正確合理地優(yōu)化艙室三維場(chǎng)景數(shù)據(jù)，有效實(shí)現(xiàn)大場(chǎng)景調(diào)度管理，提高虛擬使用和維修系統(tǒng)運(yùn)行的流暢度和逼真度，是當(dāng)前亟待解決的難題。

2.2 基于真人動(dòng)作捕捉的虛擬人體建模

虛擬使用和維修人體建模包括形體和動(dòng)作建模。根據(jù)《用于機(jī)械安全的人類工效學(xué)設(shè)計(jì)》（GB/T 18717）標(biāo)準(zhǔn)，采用人體的主要指標(biāo)（身高、臂長(zhǎng)等），然后再根據(jù)需要選擇人體其它部位尺寸生成艦員人體模型。對(duì)于艦船這樣的大型復(fù)雜系統(tǒng)，基于過程分段和分層設(shè)計(jì)思想，使用和維修操作可以按照“使用和維修任務(wù)—使用和維修事件—使用和維修作業(yè)—使用和維修動(dòng)作—使用和維修動(dòng)素”的層次劃分［5］，如圖2所示。

圖2 艦船使用和維修層次分解關(guān)系圖Fig.2 Decomposition relationship chart of warship operation and maintenance level

根據(jù)艦船使用和維修動(dòng)作的特點(diǎn)，將其分為了移動(dòng)類和操作類。移動(dòng)類動(dòng)作是指艦員在使用和維修過程中的位置移動(dòng)和姿態(tài)變化與調(diào)整；操作類動(dòng)作則是指使用和維修的徒手操作和使用工作操作。在建模過程中，將這兩類動(dòng)作劃分為了10類動(dòng)素，以便采用統(tǒng)一的參數(shù)來描述運(yùn)動(dòng)特征，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。動(dòng)素類型、名稱和定義如表1所示［6-7］。

利用商用軟件平臺(tái)DELMIA，基于使用和維修動(dòng)素層構(gòu)建人體姿態(tài)庫，用戶僅通過對(duì)姿態(tài)庫中的基本姿勢(shì)進(jìn)行組合便可建立適合使用和維修操作的動(dòng)作。DELMIA軟件的人機(jī)工程模塊對(duì)虛擬人體模型的姿勢(shì)控制是一個(gè)難點(diǎn)，用戶很難把握虛擬人當(dāng)前作業(yè)姿勢(shì)的準(zhǔn)確性，因而調(diào)整人體作業(yè)姿勢(shì)往往是一個(gè)反復(fù)修改的過程，其不足之處主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面：

1）通過IK系統(tǒng)調(diào)節(jié)的人體姿態(tài)不是很自然，不符合人體運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。

2）一些艦船特有的動(dòng)素姿態(tài)無法在現(xiàn)有人體姿態(tài)庫中找到。

3）創(chuàng)建新的動(dòng)素姿態(tài)用時(shí)過長(zhǎng)。

表1 艦船使用和維修動(dòng)素類型、名稱和定義Tab.1 Type，name and definition of warship operation and maintenance motion elements

4）現(xiàn)有的動(dòng)素姿態(tài)交互復(fù)雜，修改困難。

5）現(xiàn)有的人體姿態(tài)未考慮物理環(huán)境，如重力等因素，過于理想化。

為解決上述問題，可采用真人動(dòng)作捕捉技術(shù)，快速、準(zhǔn)確記錄人體的動(dòng)作，進(jìn)行延時(shí)分析或多次回放，從而極大提高虛擬使用和維修動(dòng)素層人體姿態(tài)建庫的速度和生物力學(xué)特征的準(zhǔn)確性。光學(xué)式全人體動(dòng)作捕捉系統(tǒng)通常由6～12個(gè)高速相機(jī)環(huán)繞表演場(chǎng)地排列，這些相機(jī)的視野重疊區(qū)域就是表演者的動(dòng)作范圍。表演者穿上單色的服裝，并在身體的關(guān)鍵部位，如關(guān)節(jié)、髖、肘、腕等位置貼上特制的標(biāo)志或發(fā)光點(diǎn)（Marker）。相機(jī)連續(xù)拍攝表演者的使用和維修動(dòng)作，并將圖像序列保存下來，然后進(jìn)行分析和處理。通過識(shí)別其中的標(biāo)志點(diǎn)，并計(jì)算其在每一瞬間的空間位置，就可得到表演者準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)軌跡［8］。通過捕獲的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)虛擬人體，完成使用和維修動(dòng)素層人體姿態(tài)建立的工作流程如圖3所示。

圖3 全人體動(dòng)作捕捉系統(tǒng)工作流程Fig.3 Work flow of human body motion capture system

3 艦船虛擬使用和維修仿真及分析評(píng)價(jià)

3.1 艦船虛擬使用和維修仿真

艦船虛擬使用和維修仿真研究按照預(yù)定的使用和維修任務(wù)過程，在虛擬環(huán)境下完成一系列動(dòng)作，包括虛擬人的行為、虛擬樣船行為以及虛擬人—虛擬工具—虛擬樣船之間的交互行為。艦船虛擬使用和維修仿真必須按照實(shí)際的使用和維修任務(wù)流程，才能將仿真結(jié)果反饋到艦船的設(shè)計(jì)過程中，從而提供輔助決策。重點(diǎn)解決的問題主要有以下兩方面：

1）設(shè)備拆裝規(guī)劃仿真。

對(duì)于大型艦船而言，維修作業(yè)往往在特定的狹小維修空間內(nèi)（如輔機(jī)艙、駕駛室、作戰(zhàn)指揮室等）完成，維修通道對(duì)設(shè)備的拆裝方向具有很大的影響。因此，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行拆卸分析時(shí)，必須研究其它設(shè)備對(duì)拆卸方向的影響。以使用和維修功能樣船為對(duì)象，應(yīng)建立完整的拆裝信息模型，如用于描述拓?fù)湫畔⒌牟鹧b層次關(guān)系模型、拆裝關(guān)聯(lián)關(guān)系模型、配合約束關(guān)系模型以及拆裝結(jié)構(gòu)模型等，獲取人員、工具、對(duì)象之間的空間干涉與碰撞信息，進(jìn)而分析部件的可行拆裝路徑，并對(duì)拆裝路徑進(jìn)行插入、刪除、直接插補(bǔ)、曲線插補(bǔ)等操作，以此確定最優(yōu)拆裝順序。

2）虛擬人使用和維修過程仿真。

使用和維修過程實(shí)際上是人—艦船—維修工具三者之間相互作用的過程，人體基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的動(dòng)作模型沒有考慮環(huán)境對(duì)執(zhí)行動(dòng)作的影響，在仿真過程中無法實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙的規(guī)避，導(dǎo)致出現(xiàn)穿插現(xiàn)象?？蓮囊苿?dòng)類和操作類動(dòng)作模型兩個(gè)大的層面進(jìn)行分析，采用基于運(yùn)動(dòng)學(xué)與運(yùn)動(dòng)規(guī)劃相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)虛擬使用和維修過程的仿真。通過運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，在給定的初始姿勢(shì)和目標(biāo)姿勢(shì)之間找出一條滿足運(yùn)動(dòng)約束的路徑，并將其轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)軌跡，然后再由動(dòng)作模型驅(qū)動(dòng)虛擬人沿給定的軌跡運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)艦員動(dòng)作的仿真［9］。

3.2 基于虛擬仿真的艦船使用和維修性分析評(píng)價(jià)

艦船是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，考慮從任務(wù)的角度評(píng)價(jià)整船的使用和維修性，從零部件的角度研制分系統(tǒng)的使用和維修性，這樣既可從宏觀上給出評(píng)價(jià)，判斷其是否實(shí)現(xiàn)總體要求，又可準(zhǔn)確描述和定位存在的問題，便于設(shè)計(jì)人員理解和分析問題的原因。根據(jù)這一特點(diǎn)，使用和維修性分析評(píng)價(jià)可以按照“使用和維修任務(wù)—使用和維修事件—使用和維修作業(yè)—使用和維修動(dòng)作”的層次進(jìn)行。使用和維修過程或狀態(tài)的描述數(shù)據(jù)、可靠性和維修性設(shè)計(jì)信息、檢測(cè)到的初始障礙數(shù)據(jù)分別為不同層次使用和維修性分析評(píng)判的依據(jù)。根據(jù)預(yù)先制定的判斷準(zhǔn)則，可從使用和維修可達(dá)性與人因工程這兩種屬性的優(yōu)劣程度對(duì)檢測(cè)到的初始障礙數(shù)據(jù)加以判定和分析。從使用和維修難度方面對(duì)艦船的使用和維修性給出量化的優(yōu)劣結(jié)論，其基本思路如圖4所示。

圖4 基于虛擬仿真的艦船使用和維修性分析評(píng)價(jià)思路Fig.4 Analysis and evaluation ideas of warship operability and maintainability based on virtual simulation

可達(dá)性和人因工程是艦船虛擬使用和維修仿真評(píng)價(jià)的關(guān)鍵依據(jù)?？蛇_(dá)性是艦員及工具設(shè)備接近產(chǎn)品不同組成單元（操作、維修部位）的相對(duì)難易程度，可分為視覺可達(dá)性、接觸可達(dá)性和拆卸可達(dá)性等子屬性。視覺可達(dá)性用于分析評(píng)價(jià)艦員在作業(yè)過程中能否清晰地看見待操作部件；接觸可達(dá)性反映了作業(yè)空間、維修通道對(duì)部件使用和維修工作的影響；拆卸可達(dá)性反映了部件布局、緊固件的選用、維修工具使用等方面對(duì)部件拆卸作業(yè)的影響，在拆卸某一部件之前須拆卸的干涉部件數(shù)量越少、拆卸代價(jià)越小，便證明該部件的拆卸可達(dá)性越好。人因工程是根據(jù)對(duì)人體各部分的姿勢(shì)、用力情況和肌肉的使用情況來研究和評(píng)估由于工作原因造成人體生理損傷風(fēng)險(xiǎn)的大小。

按照障礙的表現(xiàn)形式，使用和維修障礙可分為可達(dá)性障礙和人因工程障礙?？蓮氖褂煤途S修可達(dá)性與人因工程這兩種屬性的優(yōu)劣程度對(duì)檢測(cè)到的初始障礙數(shù)據(jù)加以判定，具體的判斷依據(jù)、描述數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)獲取方式如表2所示［10］。

根據(jù)使用和維修任務(wù)完成過程中發(fā)生障礙對(duì)應(yīng)因素的影響權(quán)重，建立使用和維修難度數(shù)學(xué)模型

表2 艦船使用和維修初始障礙的信息判斷Tab.2 Initial barriers information judgment of warship operation and maintenance

式中：S為某任務(wù)的使用和維修難度；m為完成該任務(wù)的使用和維修操作需要的事件數(shù)；n,l為每個(gè)使用和維修作業(yè)的作業(yè)數(shù)；Xi，Yij，Zijk為每項(xiàng)使用和維修事件的難度；α為任務(wù)層使用和維修難度的修正系數(shù)；β為事件層使用和維修難度的修正系數(shù)；γ為作業(yè)層使用和維修難度的修正系數(shù)［11］。

4 艦船虛擬使用和維修數(shù)據(jù)管控方法

艦船產(chǎn)品的使用和維修信息屬工程數(shù)據(jù)范疇，為確保在數(shù)字化的虛擬環(huán)境中使用信息，一方面，可將上述信息進(jìn)行合理組織，使用相關(guān)的文本和幾何數(shù)據(jù)建立一種方便用戶和其他應(yīng)用系統(tǒng)訪問的手段，建立單一數(shù)據(jù)源管理圖形及附加屬性；另一方面，可通過與PDM系統(tǒng)進(jìn)行集成來管理上述信息，為實(shí)施艦船使用和維修性設(shè)計(jì)提供集成框架支持，從而改變以往艦船使用和維修性設(shè)計(jì)不能融入總體設(shè)計(jì)過程的局面，體現(xiàn)了并行工程的設(shè)計(jì)理念。

艦船虛擬使用和維修性分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)從PDM系統(tǒng)中獲取所需要的數(shù)據(jù)信息，如CAD數(shù)據(jù)、可靠性信息、故障信息、使用和維修性設(shè)計(jì)要求等，用于在虛擬環(huán)境中新建使用和維修任務(wù)或?qū)胍汛嬖诘氖褂煤途S修任務(wù)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)的交互功能，在虛擬環(huán)境中對(duì)數(shù)字樣船進(jìn)行操作使用、拆卸與裝配過程的規(guī)劃、過程仿真以及分析與評(píng)價(jià)等工作。所形成的過程數(shù)據(jù)與結(jié)果數(shù)據(jù)將提交到PDM系統(tǒng)統(tǒng)一管理。艦船虛擬使用和維修性設(shè)計(jì)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)的關(guān)系如圖5所示。

圖5 艦船虛擬使用和維修性設(shè)計(jì)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)關(guān)系Fig.5 Data relationship from the virtual analysis and evaluation system of warship operability and maintainability to PDM system

5 艦船虛擬使用和維修應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建方案

艦船虛擬使用和維修應(yīng)用系統(tǒng)分為數(shù)字樣船、使用和維修仿真、使用和維修性分析評(píng)價(jià)以及系統(tǒng)管理這4個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能模塊。數(shù)字樣船模塊包括幾何數(shù)據(jù)處理、虛擬樣船裝配及樣船行為確定；維修仿真模塊包括建立仿真場(chǎng)景、單元仿真、仿真過程控制和仿真檢測(cè)；使用和維修性分析評(píng)價(jià)模塊包括定性分析與評(píng)價(jià)、拆裝時(shí)間估算、設(shè)計(jì)修改建議及生成分析評(píng)價(jià)報(bào)告；系統(tǒng)管理模塊包括系統(tǒng)運(yùn)行管理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理及系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)管理。

該系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用集成平臺(tái)，平臺(tái)內(nèi)具有標(biāo)準(zhǔn)的軟、硬件接口，整體上形成一個(gè)完整的面向工程的虛擬使用和維修應(yīng)用環(huán)境。該系統(tǒng)的總體架構(gòu)采用分層結(jié)構(gòu)，分為界面層、應(yīng)用層、對(duì)象層和技術(shù)支持層4個(gè)層次［12］，如圖6所示。

1）界面層。界面層是用戶與系統(tǒng)的交互方式和接口，包括輸入界面和輸出界面。輸入界面用于接受用戶的輸入命令、響應(yīng)用戶的鼠標(biāo)和鍵盤輸入，接收來自艦船CAD系統(tǒng)和RMST系統(tǒng)的數(shù)據(jù)；輸出界面用于將應(yīng)用層的處理結(jié)果以可視化的交互方式反饋給用戶。

圖6 基于虛擬仿真的艦船使用和維修性設(shè)計(jì)分析與評(píng)價(jià)系統(tǒng)架構(gòu)Fig.6 Analysis and evaluation system architecture of warship operability and maintainability based on virtual simulation

2）應(yīng)用層。應(yīng)用層是系統(tǒng)應(yīng)用的核心，主要包括建模、仿真和分析評(píng)價(jià)工具。建模包括虛擬使用和維修功能樣船建模與虛擬人建模，其中功能樣船建模包括CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、樣船裝配和行為建模，虛擬人建模包括形體和動(dòng)作建模。仿真包括對(duì)零部件的各種拆裝操作、運(yùn)動(dòng)約束、碰撞和干涉檢查等。分析工具主要是基于可達(dá)性和人因工程兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行障礙確認(rèn)和等級(jí)分析。最后，對(duì)分析結(jié)果予以綜合，計(jì)算使用和維修任務(wù)難度，形成艦船使用和維修性設(shè)計(jì)的總體評(píng)價(jià)。

3）對(duì)象層。對(duì)象層用于存取、生成、維護(hù)和管理系統(tǒng)運(yùn)行過程中的功能樣船模型對(duì)象、虛擬人模型對(duì)象以及使用和維修過程模型對(duì)象，提供系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支持。使用和維修功能樣船模型用于描述使用和維修裝備或零部件的幾何信息、裝配關(guān)系，以及人—機(jī)交互特征的信息組織結(jié)構(gòu)；虛擬人模型用于描述基于過程分段和分層設(shè)計(jì)思想的人體姿態(tài)信息結(jié)構(gòu)；使用和維修過程模型用于描述艦船裝備使用和維修的步驟，以及每個(gè)維修步驟中零部件的拆裝路徑等信息。

4）技術(shù)支持層。技術(shù)支持層是支持基于虛擬使用和維修應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行的各種軟、硬件平臺(tái)，包括全人體動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、虛擬人體建模和仿真軟件，以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)PDM和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。其中，全人體動(dòng)作捕捉系統(tǒng)用于獲取人體的姿態(tài)信息；虛擬人體建模和仿真軟件DELMIA用于實(shí)現(xiàn)虛擬人建模和人機(jī)工程仿真；系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)PDM用于管理虛擬使用和維修設(shè)計(jì)分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)的輸入、輸出以及中間數(shù)據(jù)，提供與CAD系統(tǒng)和RMST系統(tǒng)間的接口；網(wǎng)絡(luò)環(huán)境用于向系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)通信和安全支持。

6 結(jié) 語

基于虛擬仿真的艦船使用和維修性分析評(píng)價(jià)技術(shù)是艦船數(shù)字化設(shè)計(jì)的重要發(fā)展方向，其研究的基本方法和思路對(duì)于開展艦船總體使用和維修性設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。開展基于虛擬現(xiàn)實(shí)的艦船使用和維修研究對(duì)于提升我國(guó)艦船總體設(shè)計(jì)能力，提高使用性能，縮短研制周期，降低維護(hù)維修費(fèi)用等具有十分重要的意義。

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Evaluation of Overall Warship Operability and Maintainability Based on the Technology of Virtual Reality

ZHANG Yumei，WEI Qinqi，ZENG Jun China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

To resolve the current deficiency in the design verification means for overall warship operability and maintainability，an evaluation system is constructed in this paper，based on the generic technology of concurrent engineering，virtual reality，computer simulation and high-performance graphics processing.Particularly，the development emphasizes the integration of virtual reality and softwares that relate to the warship operation and maintenance such as CAD，PDM，and CAE.The digital functional ship is first modeled，and the human body posture library is also constructed in accordance with the therblig layer.The evaluation process then commences based on the principle of merged accessibility and ergonomics，with the parallel operation of data control and overall design being realized through the PDM system integration.In brief，the analysis presented here provides universal technical basis as well as implementation measures to locate and resolve the potential problems during the stage of warship operation and maintenance design.Key words：warship design；operability analysis；maintainability analysis；virtual reality；simulation-based design

U662.9

A

1673－3185（2013）02－06－07

10.3969/j.issn.1673-3185.2013.02.002

http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20130313.1502.002.html

2012－05－28 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2013-03-13 15∶02

國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目（A0820133005）

張玉梅（1981－），女，碩士，工程師。研究方向：虛擬現(xiàn)實(shí)仿真及可視化。E-mail：zhangyumei821202＠sina.com魏沁祺（1979－），男，博士，工程師。研究方向：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。E-mail：weiqinqi＠163.com

張玉梅。

胡文莉］