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(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

雷達(dá)裝備虛擬維修性設(shè)計(jì)及評(píng)價(jià)方法研究

陳帝江，張祥祥

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

針對(duì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)維修性評(píng)價(jià)方法中存在的時(shí)間滯后、成本高、主觀差異性和缺乏系統(tǒng)有效的定量方法等問題，構(gòu)建了一個(gè)雷達(dá)虛擬維修性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)中基于維修度的雷達(dá)結(jié)構(gòu)維修性綜合評(píng)價(jià)方法，進(jìn)而提出了維修性綜合評(píng)價(jià)方法，同時(shí)還給出了虛擬維修集成模型構(gòu)建、高效率虛擬操作技術(shù)等部分關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。最后將原型系統(tǒng)用于某型雷達(dá)結(jié)構(gòu)虛擬維修性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

雷達(dá)結(jié)構(gòu)；維修度；虛擬維修；交互式評(píng)價(jià)

0 引言

研究開發(fā)的虛擬維修設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)及輔助工具，在不需要任何雷達(dá)實(shí)物的情況下，結(jié)合維修信息模型構(gòu)建技術(shù)、基于自然人的操作技術(shù)和基于維修度的維修性評(píng)價(jià)指標(biāo)定量方法，通過系統(tǒng)集成和開發(fā)，可實(shí)現(xiàn)完全在虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行維修性行為、過程和結(jié)果的測(cè)試及仿真，在一定程度上提高了雷達(dá)結(jié)構(gòu)的可維修性。同時(shí)在虛擬環(huán)境下實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行維修性設(shè)計(jì)的交互式仿真和驗(yàn)證，能夠優(yōu)化維修方案、改進(jìn)維修性設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)概述

“雷達(dá)虛擬維修性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)”基于數(shù)字樣機(jī)技術(shù)，以典型雷達(dá)裝備----地面高機(jī)動(dòng)雷達(dá)的結(jié)構(gòu)研制為背景，在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，通過自然的人機(jī)交互手段，對(duì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)的三維虛擬維修樣機(jī)進(jìn)行維修建模、仿真、分析與評(píng)估研究，得出虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下雷達(dá)結(jié)構(gòu)對(duì)象與維修工具的數(shù)學(xué)描述、維修評(píng)估策略與評(píng)價(jià)方法、虛擬人體姿態(tài)的交互控制方法以及人機(jī)工效學(xué)評(píng)估準(zhǔn)則，從而實(shí)現(xiàn)在雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，對(duì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)的維修性進(jìn)行仿真、分析與評(píng)估，以提高雷達(dá)結(jié)構(gòu)的可靠性、可維修性。

“雷達(dá)虛擬維修性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)”主要包括數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、維修模型定義、維修工具模型定義、虛擬人定義、維修性評(píng)估、交互式操作、結(jié)果發(fā)布、數(shù)據(jù)庫管理和存儲(chǔ)等功能模塊。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 虛擬維修集成模型構(gòu)建及應(yīng)用

雷達(dá)結(jié)構(gòu)虛擬維修集成模型主要包括維修對(duì)象模型和維修工具模型。針對(duì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)各分系統(tǒng)不同的維修過程和特點(diǎn)，結(jié)合不同的維修方案，建立有針對(duì)性的虛擬維修集成模型信息數(shù)據(jù)集，主要包含幾何信息、約束信息和驅(qū)動(dòng)信息等。

2.1.1 集成模型構(gòu)建

按照集成模型在系統(tǒng)中的不同用途，派生出顯示模型、碰撞模型和特征模型，這三類模型都具有幾何屬性、查詢屬性、物理屬性和操作屬性。通過將維修信息的結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，分類調(diào)用維修信息中的名稱、屬性、約束、維修時(shí)間、維修過程、可視性和可達(dá)性等信息。這些維修信息基于一個(gè)或多個(gè)通用的方法計(jì)算得來。集成模型的構(gòu)建過程如圖1所示。

2.1.2 集成模型應(yīng)用

在系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，虛擬維修集成模型(包括顯示模型、碰撞模型和特征模型)同時(shí)加載，設(shè)置應(yīng)用場(chǎng)景激活不同的功能。維修對(duì)象模型和維修工具模型通過數(shù)據(jù)表中的關(guān)聯(lián)ID自動(dòng)映射，同時(shí)為了增加系統(tǒng)的擴(kuò)展性，虛擬維修集成模型在應(yīng)用過程可以根據(jù)規(guī)則進(jìn)行修改，集成模型在系統(tǒng)中的應(yīng)用過程如圖2所示。

圖2 雷達(dá)結(jié)構(gòu)虛擬維修集成模型應(yīng)用過程

2.2虛擬維修交互式操作

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)操作動(dòng)素庫構(gòu)建

研究虛擬維修問題時(shí)，一般可將雷達(dá)裝備分為天線單元和方艙單元。天線部分對(duì)結(jié)構(gòu)的要求，主要是對(duì)剛強(qiáng)度的要求，能保證雷達(dá)天線在惡劣環(huán)境或運(yùn)輸狀態(tài)下的變形量在特定的范圍內(nèi)；天線結(jié)構(gòu)維修的要求，主要是對(duì)精度與效率的要求，包括天線轉(zhuǎn)臺(tái)、天線反射面等，同時(shí)要考慮采用何種維修動(dòng)作可以使維修效率達(dá)到最優(yōu)[1]。方艙的設(shè)計(jì)要求要考慮的問題是如何充分利用艙內(nèi)的空間，合理優(yōu)化的布局電子設(shè)備，考慮人機(jī)工效，使操作效率最優(yōu)化。

為了便于問題研究，需要將非標(biāo)準(zhǔn)的人的動(dòng)作抽象成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，并將其程序化，附加到虛擬人或虛擬手模型上，這樣就可以將自然人的某個(gè)動(dòng)作分解成單個(gè)可計(jì)算的操作元素，稱之為操作動(dòng)素[2]。通過對(duì)雷達(dá)維修過程中常用的動(dòng)作分析，總結(jié)出9類在雷達(dá)結(jié)構(gòu)虛擬維修標(biāo)準(zhǔn)操作動(dòng)素，并構(gòu)建了動(dòng)素庫。標(biāo)準(zhǔn)操作動(dòng)素的提取過程如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)操作動(dòng)素提取過程

2.2.2 虛擬手應(yīng)用操作動(dòng)素方法

提取并存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的操作動(dòng)素后，如何在系統(tǒng)中應(yīng)用是必須解決的問題。綜合利用維修對(duì)象模型和工具模型的約束和驅(qū)動(dòng)關(guān)系，將操作動(dòng)素以關(guān)聯(lián)的方式映射到虛擬手上，并完成虛擬維修過程的操作，具體過程如圖4所示。

虛擬手“抓取”維修對(duì)象或維修工具模型后，其約束關(guān)系通過判斷算法自動(dòng)延伸至維修工具的約束面上，當(dāng)虛擬手“放下”維修對(duì)象或維修工具模型后，其約束關(guān)系自動(dòng)恢復(fù)至初始狀態(tài)，而系統(tǒng)中虛擬人的動(dòng)作則通過關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，依據(jù)虛擬手的初始和完成位置自動(dòng)插值生成。

圖4 虛擬手應(yīng)用操作動(dòng)素過程

2.3 虛擬維修性綜合評(píng)價(jià)方法

基于維修度的定義，將雷達(dá)結(jié)構(gòu)維修性維修設(shè)計(jì)的各個(gè)因素進(jìn)行量化，并針對(duì)系統(tǒng)維修、維修事件、維修作業(yè)和基本維修作業(yè)4個(gè)層次[3-4]進(jìn)行維修過程仿真，并量化其影響因素；然后再將各項(xiàng)維修事件和維修作業(yè)、基本維修作業(yè)的影響因素量化值進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，計(jì)算系統(tǒng)維修層次對(duì)應(yīng)綜合評(píng)價(jià)模糊矩陣。具體包括維修樣機(jī)分析、維修過程仿真、維修事件維修性因素量化、系統(tǒng)維修性因素量化和系統(tǒng)維修性單影響因素模糊評(píng)價(jià)矩陣創(chuàng)建及系統(tǒng)綜合模糊評(píng)價(jià)矩陣創(chuàng)建[5]。

參考相關(guān)的國(guó)軍標(biāo)確定了7個(gè)維修性評(píng)價(jià)的影響因素，給出了雷達(dá)結(jié)構(gòu)各影響因素的量化公式，提出了維修度的計(jì)算方法如圖5所示。

圖5 維修度計(jì)算方法

3 應(yīng)用實(shí)例

針對(duì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)電源模塊的維修實(shí)例，通過虛擬維修系統(tǒng)記錄下自然人交互式操作的動(dòng)作，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的操作動(dòng)素，對(duì)記錄的動(dòng)作進(jìn)行分析與重組，形成多個(gè)由動(dòng)素組成的動(dòng)作序列，加載到虛擬人模型，驅(qū)動(dòng)虛擬人或虛擬手按照標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作序列完成自然虛擬操作。虛擬人更換故障零部件如圖6所示。

圖6 虛擬人更換故障電源模塊

針對(duì)虛擬維修動(dòng)作，維修性評(píng)估根據(jù)評(píng)估的準(zhǔn)則和維修度算法，對(duì)維修動(dòng)作進(jìn)行維修性評(píng)價(jià)，主要包括定性和定量評(píng)價(jià)。定性評(píng)價(jià)包括維修的可達(dá)性、可視性。

判斷某維修對(duì)象的可達(dá)性，可以通過虛擬人加載標(biāo)準(zhǔn)抓取動(dòng)作，開啟碰撞檢測(cè)，如果虛擬人在碰撞檢測(cè)容許范圍內(nèi)，不超過人體極限的情況下可以抓取到維修對(duì)象，即可判斷該維修對(duì)象可達(dá)；如判斷某維修對(duì)象的可視性，可以通過加載虛擬人模擬真實(shí)視野環(huán)境，開啟碰撞檢測(cè)，變換虛擬人姿勢(shì)，如果虛擬人在碰撞檢測(cè)容許范圍內(nèi)，不超過人體極限的情況下可以在虛擬人視野查看器中“看”到維修對(duì)象，即可判斷該維修對(duì)象可視。

定量分析主要參考維修度的計(jì)算結(jié)果，對(duì)維修的動(dòng)作給出具體量值的評(píng)價(jià)，利用維修度計(jì)算及評(píng)價(jià)模塊，可以快速得出當(dāng)前零件或功能部件的維修度，設(shè)計(jì)師可以得出具體量化的維修行評(píng)價(jià)結(jié)果。

4 結(jié)束語

針對(duì)雷達(dá)結(jié)構(gòu)維修性設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)難題，提出了虛擬維修集成模型構(gòu)建、虛擬維修交互式操作和基于維修度的維修性綜合方法。通過開發(fā)虛擬維修性設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下對(duì)雷達(dá)數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行維修性行為、過程和結(jié)果的驗(yàn)證與仿真，在雷達(dá)結(jié)構(gòu)維修性設(shè)計(jì)及改善具有指導(dǎo)性。

[1] 陳帝江，張紅旗，程五四，等.地面雷達(dá)結(jié)構(gòu)高效率虛擬維修技術(shù)研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2010(6)：577-582.

[2] 李星新，郝建平，柳輝.虛擬維修仿真中維修動(dòng)素的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國(guó)機(jī)械工程，2005，16(2)：156-160.

[3] 陸中，孫有朝.基于模糊多屬性決策理論的虛擬產(chǎn)品維修性評(píng)價(jià)模型研究[J].中國(guó)工程機(jī)械，2009，20(24)：2978-2983.

[4] 陸中.民用飛機(jī)維修性并行設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué)，2009.

[5] 劉明周，胡震，郭嘉，等.虛擬制造環(huán)境下模特法的應(yīng)用[J].機(jī)械工程師，2005(4)：56-58.

Research on the Method of Virtual Maintenance Design and Evaluation for Radar Equipment

CHENDijiang,ZHANGXiangxiang

(China Electronics Techology Group Gorporation No.38 Research Institute,Hefei 230088,China)

To solve the problems of time-lagging,high cost,subjective otherness,and lack of effective quantitative evaluation in traditional radar structure evaluation,a scheme of interactive radar maintain design and evaluation system is come true.A measurable method based on maintenance difficulty is presented.Then a synthesis maintains evaluation method is given.Building of virtual maintenance composite model and interactive operation technology are also given out in detail.Finally,the scheme is validated successfully in a prototype system of radar structure virtual maintain evaluation.

radar structure；maintenance difficulty；virtual maintenance；interactive evaluation

2014-08-20

國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)計(jì)劃資助項(xiàng)目(Z312012B001)；國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)計(jì)劃資助項(xiàng)目(B3120131100)；國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃資助項(xiàng)目(A1120110003)

TP391

A

1001-2257(2014)11-0009-03

陳帝江(1983-),男,安徽廬江人,碩士,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)橹悄蹸AD和數(shù)字樣機(jī)技術(shù)；張祥祥(1987-)，男，安徽利辛人，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)閿?shù)字樣機(jī)技術(shù)。