艦船虛擬維修仿真應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方雄兵，陳穎，李濤濤，林銳

1中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

2中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司電子科技有限公司，北京100070

艦船虛擬維修仿真應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方雄兵1，陳穎2，李濤濤1，林銳1

1中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064

2中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司電子科技有限公司，北京100070

虛擬維修技術(shù)對(duì)于艦船、航行器等復(fù)雜裝備的維修性設(shè)計(jì)與分析具有重要意義。詳細(xì)分析艦船維修性設(shè)計(jì)對(duì)于虛擬維修仿真的應(yīng)用需求，在此基礎(chǔ)上提出一種面向艦船維修仿真應(yīng)用系統(tǒng)的架構(gòu)，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的組成及各模塊功能。該應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)層、功能層、接口層及用戶界面層4個(gè)層次：在數(shù)據(jù)層，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和本地存儲(chǔ)；在功能層，設(shè)計(jì)了多個(gè)仿真數(shù)據(jù)管理功能、運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)處理功能以及可視性、可達(dá)性和舒適性等多個(gè)高級(jí)分析功能；在接口層，提供了與Teamcente（rTC）平臺(tái)的數(shù)據(jù)集成功能，可實(shí)現(xiàn)從TC下載艦船JT模型至仿真系統(tǒng)中，以及將仿真結(jié)果和場(chǎng)景文件等上傳至TC；在用戶界面層，設(shè)計(jì)了人性化的系統(tǒng)操作界面，可實(shí)現(xiàn)客戶與系統(tǒng)之間的友好交互和操作。最后，結(jié)合Jack仿真軟件，實(shí)現(xiàn)艦船虛擬維修仿真應(yīng)用系統(tǒng)的原型，該原型系統(tǒng)為開(kāi)展艦船虛擬維修仿真數(shù)據(jù)的管理與應(yīng)用以及運(yùn)動(dòng)捕獲技術(shù)在虛擬維修中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

艦船；維修性設(shè)計(jì)；虛擬維修；仿真基礎(chǔ)庫(kù)；運(yùn)動(dòng)捕獲

0 引 言

虛擬維修技術(shù)對(duì)于復(fù)雜裝備，特別是缺乏物理樣機(jī)的裝備維修性設(shè)計(jì)和后期的維修、維護(hù)（維修訓(xùn)練、維修作業(yè)指導(dǎo)等）具有重要價(jià)值。虛擬維修技術(shù)從維修性可視化技術(shù)發(fā)展而來(lái)，并逐漸在復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)和人員訓(xùn)練方面得到深入研究和廣泛應(yīng)用，如早期美國(guó)空軍集成到若干CAD系統(tǒng)中的CREW CHIEF維修人員模型、Armstrong實(shí)驗(yàn)室的維修性分析和后勤信息分析（DEPTH）項(xiàng)目、美國(guó)哈勃望遠(yuǎn)鏡維修訓(xùn)練項(xiàng)目等。

為解決大型復(fù)雜武器裝備維修性評(píng)估或試驗(yàn)嚴(yán)重依賴物理模型或樣機(jī)、維修性分析技術(shù)嚴(yán)重滯后于研制進(jìn)程、不能實(shí)現(xiàn)與工程研制并行等難題，美國(guó)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究基于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的維修性可視化設(shè)計(jì)分析技術(shù)。國(guó)內(nèi)科研機(jī)構(gòu)和軍工行業(yè)也面臨著上述與國(guó)外同樣的問(wèn)題，并開(kāi)展了大量的研究工作［1-4］。

國(guó)內(nèi)研究人員在虛擬維修仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面開(kāi)展了廣泛研究。柳輝等［5］設(shè)計(jì)了基于虛擬維修仿真的維修性分析系統(tǒng)框架。彭曉軍等［6］設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于本土化虛擬人的虛擬維修人素分析系統(tǒng)，包括虛擬人控制、虛擬樣機(jī)建模、人體建模、人素分析、維修工具庫(kù)、分析結(jié)果數(shù)據(jù)輸出等功能模塊。朱文革等［7］提出了復(fù)雜裝備虛擬維修系統(tǒng)總體方案，該方案集成了遠(yuǎn)程虛擬測(cè)試和控制系統(tǒng)，在進(jìn)行維修分析決策時(shí)，融合了知識(shí)工程方法，并研究了基于組件技術(shù)的多層次體系架構(gòu)，可快速構(gòu)建新的虛擬維修系統(tǒng)。在航空航天領(lǐng)域，王占海等［8］研究了基于Catia或Delmia軟件的飛機(jī)維修性分析與驗(yàn)證流程，以及可達(dá)性、可視性等的定量分析方法。陳科等［9］開(kāi)展了基于Delmia軟件的雷達(dá)天線轉(zhuǎn)臺(tái)維修仿真應(yīng)用系統(tǒng)與技術(shù)研究。劉鋇鋇等［10］提出了一個(gè)面向航空裝備的虛擬維修系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，并基于Delmia軟件實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)，建立了包括維修環(huán)境創(chuàng)建、維修仿真、維修性分析、評(píng)估與報(bào)告、數(shù)據(jù)管理與維護(hù)等5個(gè)功能模塊，可實(shí)現(xiàn)虛擬維修仿真的全套過(guò)程。楊云斌等［11］給出了沉浸式虛擬維修環(huán)境的組成，以及基于數(shù)字樣機(jī)的虛擬維修系統(tǒng)總體框架。田富君等［12］研究了雷達(dá)結(jié)構(gòu)虛擬維修系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和功能模型，并對(duì)虛擬人體建模與手勢(shì)識(shí)別、干涉檢查、交互式維修電子手冊(cè)生成等技術(shù)進(jìn)行了研究。李偉等［13］研究了載人航天器虛擬維修流程、環(huán)境構(gòu)建方法及其在Jack和Pro/E軟件環(huán)境中的實(shí)現(xiàn)方法。

在艦船領(lǐng)域，李佳［14］研究了基于Catia和Delmia的船舶維修性驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)施技術(shù)路線，給出了船舶維修性驗(yàn)證模型、驗(yàn)證內(nèi)容及流程。張平等［15］從艦船維修性設(shè)計(jì)與總體設(shè)計(jì)并行的高度出發(fā)，闡述了通過(guò)維修設(shè)計(jì)編制艦船基地級(jí)維修資料的解決途徑和方法。上述兩項(xiàng)工作為理解虛擬維修技術(shù)在艦船維修性分析和設(shè)計(jì)中的主要應(yīng)用階段和應(yīng)用模式提供了參考。總體來(lái)看，艦船行業(yè)的維修性仿真驗(yàn)證工作水平落后于航空航天等行業(yè)，現(xiàn)有研究工作缺乏對(duì)艦船維修性仿真驗(yàn)證的系統(tǒng)研究，如在艦船零部件數(shù)量巨大的背景下，如何實(shí)現(xiàn)維修樣機(jī)建模、數(shù)據(jù)管理和仿真過(guò)程模擬、評(píng)估和分析、結(jié)果管理等。

本文將在相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)施PDM以及三維輕量化模型的管理和工程應(yīng)用現(xiàn)狀，分析艦船虛擬維修仿真的應(yīng)用場(chǎng)景、方式及全過(guò)程中的需求，研究并提出一種艦船虛擬維修仿真應(yīng)用系統(tǒng)的架構(gòu)及其功能模塊組成。最后，基于Jack仿真軟件實(shí)現(xiàn)所提出的應(yīng)用系統(tǒng)原型。

由于文獻(xiàn)［2-4］已對(duì)虛擬維修技術(shù)的內(nèi)涵與定義做了分析和討論，本文不再贅述，而是重點(diǎn)研究艦船虛擬維修仿真的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)集成方面的需求。

1 艦船虛擬維修仿真應(yīng)用需求分析

1.1 虛擬維修仿真典型應(yīng)用場(chǎng)景

文獻(xiàn)［4］對(duì)虛擬維修的一般步驟進(jìn)行了總體提煉，在此基礎(chǔ)上，艦船等復(fù)雜裝備維修性仿真驗(yàn)證的典型應(yīng)用場(chǎng)景可以描述如下：

1）技術(shù)人員根據(jù)維修對(duì)象及維修任務(wù)的安排，收集和整理相關(guān)維修用的資料及模型數(shù)據(jù)。

2）在仿真軟件中調(diào)入維修對(duì)象及其背景模型的三維模型（如JT格式或VRML格式），并以此構(gòu)建面向維修任務(wù)的仿真模型。

3）在仿真場(chǎng)景中加入虛擬人體模型（可考慮建立人體模型庫(kù)），控制或設(shè)置虛擬人維修操作動(dòng)作，模擬真實(shí)人員完成相應(yīng)操作過(guò)程。依據(jù)維修性分析與評(píng)估體系，開(kāi)展可視性、可達(dá)性、舒適性、疲勞、受力以及空間分析等，實(shí)現(xiàn)不同層次的維修性分析與仿真驗(yàn)證。

4）根據(jù)上述仿真分析的結(jié)果，由系統(tǒng)或人工生成相應(yīng)的維修性仿真評(píng)估報(bào)告，并上傳至相關(guān)維修性分析與管理平臺(tái)。

另一方面，前期已開(kāi)展了大量關(guān)于從CAD系統(tǒng)（Foran軟件）導(dǎo)出JT的方法、JT的結(jié)構(gòu)化管理

及可視化分析應(yīng)用工作，實(shí)現(xiàn)了JT模型的導(dǎo)出、管理與可視化應(yīng)用的技術(shù)路線，構(gòu)建了一套三維輕量化模型的管理系統(tǒng)。如何進(jìn)一步將艦船JT模型與該輕量化模型管理平臺(tái)應(yīng)用于虛擬維修，解決艦船在維修性仿真中存在的主要問(wèn)題，這些對(duì)維修性設(shè)計(jì)具有重要意義。

1.2 艦船虛擬維修仿真流程及需求分析

根據(jù)艦船虛擬維修仿真應(yīng)用場(chǎng)景的描述和現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)，對(duì)艦船虛擬維修需求進(jìn)行分析。艦船虛擬維修仿真一般流程如圖1所示。

從應(yīng)用角度看，一個(gè)較為完整的艦船虛擬維修仿真系統(tǒng)需要具備以下11個(gè)主要功能：

1）導(dǎo)入維修對(duì)象及背景CAD三維模型。目前Jack或Delmia軟件具備導(dǎo)入多種格式的三維數(shù)據(jù)的功能（如JT或VRML等），而維修對(duì)象及其背景的CAD三維模型已從CAD系統(tǒng)導(dǎo)出為JT格式，這些JT模型存在于以Teamcenter（TC）為基礎(chǔ)構(gòu)建的三維輕量化模型管理系統(tǒng)中，因此需要實(shí)現(xiàn)從該系統(tǒng)下載JT模型的功能。

2）維修對(duì)象仿真模型構(gòu)建?；谠糃AD三維模型，實(shí)現(xiàn)面向維修性仿真的對(duì)象模型創(chuàng)建，如交互特征建模［16］，此功能可在仿真軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

3）導(dǎo)入虛擬人模型。人體模型尺寸與生理特性對(duì)于仿真相關(guān)指標(biāo)會(huì)產(chǎn)生一定影響，因此，可考慮基于最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)開(kāi)展中國(guó)人人體模型生成的研究與開(kāi)發(fā)，形成中國(guó)人人體模型庫(kù)。對(duì)于要求不高的情況，也可直接修改仿真軟件中現(xiàn)有的數(shù)字人體參數(shù)，實(shí)現(xiàn)虛擬人定制。

4）設(shè)置虛擬人維修工具。艦船維修工具和設(shè)備種類多，為滿足艦船虛擬維修的要求，可建立較為完備的維修工具和設(shè)備庫(kù)，實(shí)現(xiàn)各類工具的統(tǒng)一管理與重用。

5）設(shè)置虛擬人行走或者維修動(dòng)作?，F(xiàn)有仿真軟件依賴逐幀調(diào)整關(guān)節(jié)自由度的方式難以實(shí)現(xiàn)虛擬維修人員操作動(dòng)作的快速設(shè)置，可開(kāi)發(fā)典型的維修仿真動(dòng)作庫(kù)，便于維修仿真過(guò)程中重用，提升動(dòng)作設(shè)置的逼真度和效率。

6）設(shè)置虛擬人維修姿態(tài)?，F(xiàn)有仿真軟件提供了少量常見(jiàn)姿態(tài)，可在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)維修仿真姿態(tài)庫(kù)，添加更多維修關(guān)鍵姿態(tài)，提高虛擬人維修姿態(tài)設(shè)置的效率。

7）可視性、可達(dá)性和舒適性分析。現(xiàn)有仿真軟件提供了定性分析功能，可結(jié)合艦船虛擬維修仿真特殊需求，如狹小空間的可視性與可達(dá)性分析、使用維修工具時(shí)的可達(dá)性分析等，開(kāi)發(fā)實(shí)用的高級(jí)分析工具。

8）設(shè)置虛擬人關(guān)節(jié)范圍等參數(shù)。為便于可視性、可達(dá)性和舒適性等指標(biāo)分析，可對(duì)虛擬人全身或部分關(guān)節(jié)的自由度大小進(jìn)行必要設(shè)置。

9）維修時(shí)間分析?，F(xiàn)有仿真軟件未提供維

修時(shí)間的分析方法和功能，這方面的工作較困難，可做進(jìn)一步的研究開(kāi)發(fā)。

10）維修性分析和評(píng)估。結(jié)合艦船研制，從不同層次，結(jié)合各種指標(biāo)對(duì)艦船產(chǎn)品進(jìn)行整體維修性分析和評(píng)估，形成艦船維修性分析和評(píng)估體系，這方面的工作需要深入研究，并通過(guò)軟件工具實(shí)現(xiàn)。

11）仿真結(jié)果輸入與管理。將仿真結(jié)果（報(bào)告、仿真動(dòng)畫(huà)等）以及仿真場(chǎng)景文件等上傳至數(shù)據(jù)管理平臺(tái)進(jìn)行管理。

對(duì)于上述功能，尤其是如何快速、逼真地讓虛擬人模擬真實(shí)維修人員完成指定的維修任務(wù)和動(dòng)作，是實(shí)際仿真工作中的重點(diǎn)與難點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)提高虛擬人動(dòng)作和姿態(tài)的仿真效率與逼真度，可采用離線方式將真實(shí)人體運(yùn)動(dòng)捕獲數(shù)據(jù)（以下稱“動(dòng)捕數(shù)據(jù)”）應(yīng)用于虛擬人［17］，在人機(jī)工程仿真軟件基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)基于動(dòng)捕數(shù)據(jù)的虛擬人動(dòng)作庫(kù)和姿態(tài)庫(kù)，用戶利用這些仿真基礎(chǔ)庫(kù)完成維修動(dòng)作和姿態(tài)的快速設(shè)置。

從仿真全過(guò)程涉及的要素來(lái)看，除上述需求外，還包括CAD三維系統(tǒng)導(dǎo)出的中間格式三維模型文件管理與可視化、維修任務(wù)管理、維修性仿真分析和評(píng)估的結(jié)果生成與管理等現(xiàn)實(shí)應(yīng)用需求。此外，現(xiàn)有仿真基礎(chǔ)軟件側(cè)重于數(shù)據(jù)的應(yīng)用，而對(duì)于數(shù)據(jù)的管理方面，特別是三維數(shù)據(jù)的管理，需要將基礎(chǔ)仿真軟件與相關(guān)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)進(jìn)行集成和開(kāi)發(fā)。因此，上述需求可以初步分為數(shù)據(jù)管理需求、功能需求以及接口需求等。

2 艦船虛擬維修仿真應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

Jack軟件具有開(kāi)放的接口，易于開(kāi)發(fā)，是較為理想的虛擬維修仿真平臺(tái)。結(jié)合Jack軟件現(xiàn)有功能和上述艦船虛擬維修仿真應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了面向艦船虛擬維修仿真應(yīng)用的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。

本文設(shè)計(jì)的架構(gòu)分為數(shù)據(jù)層、功能層、接口層和用戶界面層4個(gè)層次：數(shù)據(jù)層解決仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方法；功能層支撐整個(gè)仿真過(guò)程中的各類數(shù)據(jù)的獲取、訪問(wèn)、創(chuàng)建、管理與應(yīng)用工作；接口層負(fù)責(zé)仿真系統(tǒng)與輕量化模型管理系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)集成；用戶界面層主要提供仿真人員使用該系統(tǒng)的操作界面。

該架構(gòu)從仿真全過(guò)程應(yīng)用的需求出發(fā)，充分考慮了維修性仿真中輸入數(shù)據(jù)的管理、仿真過(guò)程模擬、仿真結(jié)果數(shù)據(jù)與過(guò)程數(shù)據(jù)管理的需求，以及艦船行業(yè)實(shí)施PDM和輕量化模型應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，充分利用了TC管理數(shù)據(jù)的強(qiáng)大功能和仿真軟件管理與使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用的需要。

2.2 系統(tǒng)模塊組成與功能設(shè)計(jì)

結(jié)合圖2中的系統(tǒng)架構(gòu)和當(dāng)前的研究基礎(chǔ)以及仿真需求，提出系統(tǒng)包含的模塊及其功能設(shè)計(jì)。圖2中斜體字表示的部分功能將在未來(lái)進(jìn)一步開(kāi)展研究。

2.2.1 系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖

艦船虛擬維修仿真系統(tǒng)應(yīng)滿足數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)應(yīng)用和數(shù)據(jù)集成3個(gè)方面的功能需求，功能模塊如下：

1）數(shù)據(jù)管理。包括仿真基礎(chǔ)庫(kù)管理（人體庫(kù)、動(dòng)作庫(kù)、姿態(tài)庫(kù)、工具庫(kù)）、仿真任務(wù)管理、本地個(gè)性化數(shù)據(jù)管理。

2）數(shù)據(jù)應(yīng)用。包括人體動(dòng)捕數(shù)據(jù)處理、仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取與使用。

3）數(shù)據(jù)集成。包括仿真輸入數(shù)據(jù)（JT或場(chǎng)景文件）下載與加載、仿真結(jié)果上傳與管理。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 艦船虛擬維修仿真應(yīng)用系統(tǒng)功能模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Function structure of the ship virtual maintenance simulation application system

2.2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本節(jié)對(duì)圖3列出的模塊功能設(shè)計(jì)進(jìn)行描述。

1）數(shù)據(jù)庫(kù)角色登錄。

普通用戶選擇并登錄“數(shù)據(jù)庫(kù)角色登錄”模塊后，可在數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用人體庫(kù)、動(dòng)作庫(kù)、姿態(tài)庫(kù)、工具庫(kù)中的共用數(shù)據(jù)。管理員登錄數(shù)據(jù)庫(kù)后，可對(duì)上述庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)。當(dāng)用戶選擇不登錄數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，則可使用、修改本地文件夾中的個(gè)人仿真數(shù)據(jù)，如人體模型、動(dòng)作數(shù)據(jù)等，以滿足個(gè)性化需要。

2）人體庫(kù)管理。

提供對(duì)定制海軍人體模型、常用人體模型和中國(guó)人標(biāo)準(zhǔn)人體模型庫(kù)的管理功能或接口，包括人體模型幾何文件與屬性信息的創(chuàng)建、錄入、編輯、刪除、修改、加載等。

3）動(dòng)作庫(kù)管理。

提供動(dòng)作分類樹(shù)建模、動(dòng)作數(shù)據(jù)及其屬性錄入、修改、查詢和動(dòng)作屬性編輯以及動(dòng)作加載、移除等功能。

4）姿態(tài)庫(kù)管理。

提供姿態(tài)分類樹(shù)建模、姿態(tài)數(shù)據(jù)及其屬性錄入、修改、查詢和姿態(tài)屬性編輯以及姿態(tài)加載、保存、移除、關(guān)鍵關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)輸出等功能。

5）工具庫(kù)管理。

提供維修工具分類樹(shù)建模、工具數(shù)據(jù)及其屬性編輯、查詢以及維修工具的使用等功能。用戶可根據(jù)需要的分類方式，創(chuàng)建維修工具的樹(shù)形組織管理模式。

6）維修任務(wù)管理。

提供維修任務(wù)打開(kāi)及編輯功能，打開(kāi)界面中提供了按名稱、編號(hào)及描述的關(guān)鍵字匹配的查詢方式。編輯界面中除上述查詢功能外，還提供了任務(wù)分類樹(shù)建模及任務(wù)節(jié)點(diǎn)屬性（名稱、編號(hào)、描述信息）的修改功能等。打開(kāi)及編輯的維修任務(wù)文件為.xml格式，保存于本地文件夾中。

7）動(dòng)捕數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

提供靜態(tài)BVH（單幀BVH數(shù)據(jù)）轉(zhuǎn)姿態(tài)、動(dòng)態(tài)BVH（連續(xù)多幀BVH數(shù)據(jù)）轉(zhuǎn)動(dòng)作、2個(gè)姿態(tài)生成動(dòng)作、生成過(guò)渡動(dòng)作及對(duì)特定子序列幀提取等操作。這些操作可對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的BVH動(dòng)捕數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換并由姿態(tài)庫(kù)與動(dòng)作庫(kù)使用。各子功能設(shè)計(jì)如下：

（1）靜態(tài)BVH轉(zhuǎn)姿態(tài)。將只有1幀數(shù)據(jù)的BVH文件轉(zhuǎn)換為Jack軟件的.post文件。

（2）動(dòng)態(tài)BVH轉(zhuǎn)動(dòng)作。將含有多幀數(shù)據(jù)的BVH文件轉(zhuǎn)換為Jack軟件的_chset.env格式的動(dòng)作文件。

（3）姿態(tài)生成動(dòng)作。選擇2個(gè)姿態(tài)并設(shè)置之間的時(shí)間間隔，插值生成一段動(dòng)作文件。

（4）生成過(guò)渡動(dòng)作。選擇2個(gè)動(dòng)作文件（_chset.env格式），設(shè)置中間間隔時(shí)間，可生成一段中間動(dòng)作并與上述2個(gè)動(dòng)作合成為1個(gè)動(dòng)作文件。

（5）提取關(guān)鍵幀。根據(jù)輸入的特定子序列幀的編號(hào)，提取相應(yīng)的幀，并生成相應(yīng)的BVH文件，即實(shí)現(xiàn)BVH文件的切割和提取。

8）可視性高級(jí)功能。

艦船結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備繁多，很多維修任務(wù)都是在狹小空間中完成的，對(duì)于維修部位的可視性、可達(dá)性分析顯得尤為重要。針對(duì)Jack軟件在仿真中存在的功能不足，設(shè)計(jì)了維修部位導(dǎo)向的可視性分析功能和基于人眼生理特性的可視域分區(qū)分析功能：

（1）維修部位導(dǎo)向的可視性分析功能?；诰S修部位，生成可視錐，輔助虛擬人進(jìn)行維修位置、動(dòng)作與姿態(tài)的調(diào)整以及維修部位的可視性分析與評(píng)估。

（2）基于人眼生理特性的可視域分區(qū)分析功能?；谌搜凵硖匦?，即人眼視域有最大視域、良好視域和最佳視域3個(gè)分區(qū)，在設(shè)計(jì)時(shí)通常是將對(duì)象最常用或最重要的元素（如按鈕、數(shù)字儀表等）放在（或接近）最佳視域內(nèi)?；谏鲜鲂枨?，設(shè)計(jì)了可視域分區(qū)分析功能，輔助重要對(duì)象的可視性分析與評(píng)估。

9）可達(dá)性高級(jí)功能。

考慮到艦船維修工作中存在大量的艦員級(jí)維修，這些維修通常需要使用維修工具并在狹小受限空間中進(jìn)行操作，基于上述應(yīng)用需求設(shè)計(jì)了使用維修工具情況下的可達(dá)性分析功能，對(duì)虛擬人使用工具時(shí)，工具外沿的可達(dá)域進(jìn)行分析并生成可視體以及仿真報(bào)告，輔助維修對(duì)象或部位的可達(dá)性分析與評(píng)估。

10）舒適性高級(jí)功能。

舒適性高級(jí)功能包括對(duì)姿態(tài)的舒適性評(píng)價(jià)以及對(duì)動(dòng)作的舒適性評(píng)估2項(xiàng)子功能：

（1）姿態(tài)舒適性評(píng)估?；谶x擇的舒適性評(píng)估準(zhǔn)則，對(duì)選定的虛擬人姿態(tài)進(jìn)行舒適性評(píng)估，對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行圖形可視化。

（2）動(dòng)作舒適性評(píng)估?；谑孢m性評(píng)估準(zhǔn)則，對(duì)選定的虛擬人維修動(dòng)作（_chset.env格式數(shù)據(jù)）進(jìn)行舒適性評(píng)估，生成各幀的舒適性圖形曲線分析結(jié)果。

11）與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)等系統(tǒng)的接口。

在前期構(gòu)建了以JT應(yīng)用為核心的三維模型輕量化管理系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)將該系統(tǒng)中的JT數(shù)據(jù)應(yīng)

用于虛擬維修仿真，需要將該系統(tǒng)與Jack軟件的數(shù)據(jù)集成。因此，設(shè)計(jì)了Jack軟件與該系統(tǒng)的集成接口，功能包括：

（1）TC將相關(guān)JT模型下載至約定文件夾并啟動(dòng)Jack軟件；

（2）Jack軟件獲取約定文件夾下的JT模型或場(chǎng)景文件，用于后續(xù)仿真；

（3）Jack軟件將仿真文件上傳至TC相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)下。Jack軟件與TC的數(shù)據(jù)集成方案如圖4所示。

圖4 Jack軟件與三維模型輕量化管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成方案Fig.4 Integration scheme of Jack software and 3D light-weight models management system

3 艦船虛擬維修仿真應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)整體架構(gòu)為客戶端—服務(wù)器（C/S）模式，基于Jack軟件進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)，界面采用Tcl/Tk語(yǔ)言，功能采用Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。C/S采用Twisted網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)采用PostgreSQL開(kāi)發(fā)。Twisted是用Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的基于事件驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)引擎框架，它支持許多常見(jiàn)的傳輸及應(yīng)用層協(xié)議，基于Python語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，具有異步和事件驅(qū)動(dòng)、開(kāi)源、易于整合等特點(diǎn)。PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)是對(duì)象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（ORDBMS），支持大部分SQL標(biāo)準(zhǔn)并且提供了許多其他現(xiàn)代特性，如復(fù)雜查詢、外鍵、觸發(fā)器、視圖、事務(wù)完整性和MVCC。

3.2 設(shè)計(jì)流程與步驟

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖5所示。根據(jù)仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理（CAD數(shù)據(jù)除外）、仿真任務(wù)管理與應(yīng)用需求，對(duì)系統(tǒng)的主體功能和界面進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，要求風(fēng)格與Jack軟件保持一致，且界面為中文。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程Fig.5 Flow of the software design process

完成界面及功能實(shí)現(xiàn)后，使用數(shù)據(jù)庫(kù)角色登錄數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)始對(duì)人體庫(kù)、動(dòng)作庫(kù)、姿態(tài)庫(kù)和工具庫(kù)進(jìn)行充實(shí)，形成仿真基礎(chǔ)庫(kù)，并在后續(xù)應(yīng)用中不斷充實(shí)仿真基礎(chǔ)庫(kù)。

3.3 功能實(shí)現(xiàn)

界面及功能代碼采用Tcl/Tk以及Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。界面程序編輯完成后，在Jack軟件的Tcl控制臺(tái)窗口中編譯，編輯通過(guò)后存儲(chǔ)在Jack軟件安裝目錄下的jk 2.0文件夾下。功能代碼在Jack軟件的Python控制臺(tái)下編譯，編譯通過(guò)后以.pyc為后綴存儲(chǔ)于script文件夾中。

為實(shí)現(xiàn)Jack軟件與TC的數(shù)據(jù)初步集成，需要實(shí)現(xiàn)將TC中的JT模型自動(dòng)導(dǎo)入到Jack軟件中，如一個(gè)艙室版本下的JT模型。通過(guò)TC平臺(tái)的API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了將TC中相應(yīng)版本的模型自動(dòng)下載至約定的本地文件夾中并啟動(dòng)Jack軟件的功能，以及將本地文件夾中的仿真報(bào)告、場(chǎng)景文件、仿真動(dòng)畫(huà)等上傳至TC中。

4 系統(tǒng)應(yīng)用及討論

4.1 系統(tǒng)應(yīng)用

4.1.1 系統(tǒng)安裝

本系統(tǒng)在使用前，首先需要安裝Jack軟件，然后依次安裝PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)和“艦船虛擬維修仿真應(yīng)用系統(tǒng)”。

4.1.2 使用示例

安裝本系統(tǒng)后，在Jack軟件菜單欄中出現(xiàn)“艦船虛擬維修仿真應(yīng)用系統(tǒng)”界面，如圖6所示。部分功能界面如圖7～圖9所示。圖10為與艦船三維模型輕量化管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成界面。

圖6 艦船虛擬維修仿真應(yīng)用系統(tǒng)界面Fig.6 Simulation interface of the ship virtual maintenance application system

圖7 動(dòng)作庫(kù)管理界面Fig.7 Interface of motion library management

圖8 動(dòng)捕數(shù)據(jù)處理界面Fig.8 Interface of motion capture data processing

圖9 可視性及可達(dá)性分析的高級(jí)功能界面Fig.9 Advanced functions interface of visibility and accessibility analysis

圖10 Jack軟件與三維模型輕量化管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成界面Fig.10 Data integration interface of Jack software and 3D light-weight models management system

下面分別給出開(kāi)發(fā)的“艦船虛擬維修仿真應(yīng)用系統(tǒng)”中工具庫(kù)管理子模塊以及動(dòng)態(tài)BVH轉(zhuǎn)動(dòng)作子模塊的使用示例。

1）工具庫(kù)管理使用示例。

（1）選擇圖6中的“工具庫(kù)管理”子菜單，彈出如圖11所示的工具庫(kù)管理子模塊界面。

圖11 工具庫(kù)管理界面Fig.11 Interface of tool library management

（2）工具庫(kù)管理模塊提供了按名稱、編號(hào)及說(shuō)明來(lái)查找工具。另外，可以利用新增同級(jí)/子級(jí)、剪切、粘貼和刪除來(lái)編輯工具分類樹(shù)。

（3）在界面右側(cè)編輯分類樹(shù)中葉子節(jié)點(diǎn)，即工具的名稱、編號(hào)、重量及說(shuō)明等信息，利用“更新文件”可更新工具文件。點(diǎn)擊更新截圖，可以啟動(dòng)截圖工具來(lái)截取工具圖片。

（4）左側(cè)下方為在場(chǎng)景中添加工具或刪除工具操作。方法如下：添加虛擬人至場(chǎng)景，可以選擇分類樹(shù)中的工具，然后是“選擇加載位置”，如虛擬人右手，再然后點(diǎn)擊“加載工具”，即可將工具加載至虛擬人右手，結(jié)果如圖12所示。

圖12 加載工具至虛擬人右手效果Fig.12 Effect of loading tool to the right hand of virtual human

上述工具庫(kù)模塊可滿足仿真過(guò)程中維修工具的管理與使用。

2）動(dòng)態(tài)BVH轉(zhuǎn)動(dòng)作使用示例。

（1）選擇圖5中的“動(dòng)捕數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換”子菜單，然后是“動(dòng)態(tài)BVH轉(zhuǎn)動(dòng)作”，其界面如圖8所示。

（2）具體使用如下：添加虛擬人至場(chǎng)景，利用手型選擇按鈕選擇虛擬人，選擇“打開(kāi)動(dòng)態(tài)bvh并轉(zhuǎn)動(dòng)作”，彈出選擇bvh文件窗口，選擇本地文件夾中的.bvh動(dòng)捕文件，后臺(tái)自動(dòng)將該文件逐幀轉(zhuǎn)換為Jack軟件的虛擬人動(dòng)作，并播放虛擬人運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換完成后彈出如圖13所示的提示界面。

圖13 動(dòng)態(tài)BVH格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為動(dòng)作文件Fig.13 Transformation of dynamic BVH format data into motion file

（3）選擇“確定”，并選擇動(dòng)態(tài)BVH轉(zhuǎn)動(dòng)作界面中的“保存動(dòng)作文件”按鈕，可將轉(zhuǎn)換后的動(dòng)作文件保存為_(kāi)chset.env格式的動(dòng)作文件。

上述動(dòng)作文件可添加至虛擬人動(dòng)作庫(kù)中，創(chuàng)建基于動(dòng)捕數(shù)據(jù)的虛擬人動(dòng)作數(shù)據(jù)以便于仿真重用。

4.2 討 論

本文結(jié)合艦船設(shè)計(jì)中虛擬維修仿真需求和已有的三維模型輕量化管理與應(yīng)用基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了艦船虛擬維修仿真應(yīng)用系統(tǒng)的原型。本文側(cè)重于該系統(tǒng)總體架構(gòu)的構(gòu)建和主體功能的設(shè)計(jì)，從實(shí)際使用示例來(lái)看，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目標(biāo)，滿足了仿真輸入數(shù)據(jù)、過(guò)程數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)的管理與應(yīng)用需求。部分功能模塊的關(guān)鍵技術(shù)和算法將另文給出。

按照虛擬維修仿真的一般工作原理及應(yīng)用系統(tǒng)的功能組成，未來(lái)可進(jìn)一步開(kāi)展面向虛擬維修的數(shù)字樣船建模、上肢受約束條件下的可達(dá)性分析、艦船維修性分析評(píng)估體系等方面的研究，并在本文研究基礎(chǔ)上在軟件功能層面上實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，還需要不斷在工程應(yīng)用中，充實(shí)所開(kāi)發(fā)的人體庫(kù)、動(dòng)作庫(kù)、姿態(tài)庫(kù)和工具庫(kù)等仿真基礎(chǔ)庫(kù)數(shù)據(jù)。

此外，也可考慮將本文的研究成果推廣至達(dá)索公司的Catia與Delmia軟件環(huán)境中，利用其提供的CAA函數(shù)庫(kù)或Automation技術(shù)實(shí)現(xiàn)，以減少?gòu)腃atia三維設(shè)計(jì)平臺(tái)到Jack軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在分析和總結(jié)艦船虛擬維修仿真應(yīng)用模式和需求的基礎(chǔ)上，提出了一種適用于艦船虛擬維修仿真應(yīng)用系統(tǒng)的架構(gòu)，包括數(shù)據(jù)層、功能層、接口層和用戶界面層，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)和本地存儲(chǔ)功能，以滿足用戶對(duì)于數(shù)據(jù)共享、共用和個(gè)性化使用的需求。該系統(tǒng)由11個(gè)功能模塊組成，融入了動(dòng)捕數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理功能，形成了虛擬人動(dòng)作庫(kù)等4個(gè)仿真基礎(chǔ)庫(kù)，并實(shí)現(xiàn)了與已有的艦船三維模型輕量化管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，滿足了仿真數(shù)據(jù)管理與使用方面的功能需求。該系統(tǒng)為進(jìn)一步開(kāi)展基于虛擬現(xiàn)實(shí)的艦船維修仿真技術(shù)研究和工程化應(yīng)用提供了參考。

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Design and implementation of the ship virtual maintenance simulation application system

FANG Xiongbing1，CHEN Ying2，LI Taotao1，LIN Rui1

1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

2 CSSC Electronics Technology Co.，Ltd.，Beijing 100070，China

The virtual maintenance technology plays a vital role in the maintainability design and analysis of complex equipment,including ships and aircraft.In this paper,the application requirement of virtual maintenance simulation is analyzed in detail and an application system framework for ship maintenance simulation is put forward aiming at these demands.The system constitution and the functions of its all modules are elaborated.Specifically,the framework consists of four layers,i.e.data tier,function tier,interface tier,and UI tier.In the data tier,the storage of data with database or local folders is achieved.In the function tier,the management functions for several types of simulation data,the processing function for motion capture data,and the advanced analysis functions for visibility,accessibility,and comfort are devised.In the interface tier,the data integration function with the Team center(TC)platform is provided,which can download ship JT models from TC to the simulation system and upload simulation results and scene files to TC.In the interface tier,the humanization of interface is designed to optimize the interactive operation between users and the system.Finally,a prototype of ship virtual maintenance simulation application system is developed based on the Jack software.The implemented system lays foundation for ship virtual maintenance simulation data management as well as the utilization and the application of motion capture technique in virtual maintenance.

ship；maintainability design；virtual maintenance；simulation basal library；motion capture

U672.7

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.06.020

2015-09-10

時(shí)間：2016-11-18 15:19

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心研發(fā)基金資助項(xiàng)目；國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

方雄兵（通信作者），男，1983年生，博士，工程師。研究方向：艦船虛擬仿真技術(shù)。E-mail：fangxb2013@sina.cn李濤濤，男，1988年生，碩士，助理工程師。研究方向：艦船虛擬仿真技術(shù)。E-mail：taotaoliwhut@163.com

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20161118.1519.040.html 期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

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