艦船裝備應(yīng)急搶修虛擬維修系統(tǒng)研究

張曉懷，王 銀

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

現(xiàn)代高新技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)中，武器裝備的快速機(jī)動(dòng)能力和安全性、可靠性至關(guān)重要[1-2]。艦船機(jī)電專業(yè)系統(tǒng)和設(shè)備數(shù)量多、結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，并不斷向電子化、數(shù)字化、智能化發(fā)展，因此裝備功能的發(fā)揮更加依賴于裝備的技術(shù)保障能力。特別是隨著裝備保障工作信息化水平的不斷提高，傳統(tǒng)的裝備應(yīng)急搶修模式難以滿足要求，需要不斷探索新的應(yīng)急搶修方法。

為不斷提高裝備應(yīng)急搶修能力，滿足部隊(duì)裝備保障信息化建設(shè)的需要，開展“艦船裝備應(yīng)急搶修虛擬維修系統(tǒng)”研制，可有效克服裝備資源和維修信息分散、缺乏統(tǒng)籌管理及維修保障難度大等問(wèn)題[3-4]，提高裝備保障、維修以及訓(xùn)練的質(zhì)量，節(jié)省經(jīng)費(fèi)，產(chǎn)生軍事和經(jīng)濟(jì)的雙重效益。

1 艦船裝備應(yīng)急搶修虛擬維修系統(tǒng)框架

艦船裝備應(yīng)急搶修虛擬維修系統(tǒng)，包括對(duì)維修對(duì)象(裝配體、組件、零部件)進(jìn)行拆卸、裝配操作，查詢維修對(duì)象資料及交互訓(xùn)練等。系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)

2 三維建模及模型優(yōu)化

三維建模包含4個(gè)方面的技術(shù)：一是機(jī)械三維建模，模型達(dá)到機(jī)械設(shè)計(jì)和數(shù)控加工的精確級(jí)別，體現(xiàn)了本系統(tǒng)資源的權(quán)威性、科學(xué)性；二是模型的減面及干涉，體現(xiàn)了本項(xiàng)目的特有難點(diǎn)，正因?yàn)槟Ｐ途_，帶來(lái)了大量的面數(shù)，需要研究技術(shù)消除多余的面和干涉；三是模型的貼圖及紋理等美化技術(shù)；四是環(huán)境及艙室的三維建模技術(shù)，體現(xiàn)的是虛實(shí)結(jié)合，用圖片替代不具有拆裝性的復(fù)雜環(huán)境[5]。

2.1 實(shí)體建模

機(jī)械三維模型是虛擬維修系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實(shí)體建模主要包括設(shè)備零件的建模及裝配[6]。因此，對(duì)已有模型進(jìn)行完善、渲染優(yōu)化是本項(xiàng)目的主體工作之一，使用Solidworks軟件將傳統(tǒng)的平面工程圖紙轉(zhuǎn)換成設(shè)備的三維實(shí)體模型。Solidworks機(jī)械三維CAD模型通過(guò)中間數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到3dmax進(jìn)行編輯，編輯的目的是減少模型的面數(shù)，提高三維模型在虛擬顯示三維引擎中的運(yùn)行效率、每秒顯示的幀數(shù)，在高精度的前提下達(dá)到流暢運(yùn)行，同時(shí)對(duì)設(shè)備模型進(jìn)行美化處理。

2.2 三維虛擬環(huán)境建模

為了形象地展示設(shè)備拆裝前后相關(guān)設(shè)備和管系等的拆裝范圍和過(guò)程，設(shè)備(部件)進(jìn)出艙室的通道和過(guò)程以及設(shè)備在實(shí)際環(huán)境中的拆裝、檢查和維修過(guò)程，需運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作設(shè)備所在艙室的虛擬環(huán)境。艙室的虛擬環(huán)境應(yīng)展現(xiàn)該艙室內(nèi)與虛擬維修對(duì)象相關(guān)聯(lián)的主要設(shè)備、管系、閥件、水密門等的形狀、尺寸、材質(zhì)及布置位置。在進(jìn)行艙室虛擬環(huán)境制作時(shí)，與設(shè)備無(wú)關(guān)聯(lián)的周圍環(huán)境以照片貼圖方式實(shí)現(xiàn)，設(shè)備本身及與設(shè)備有關(guān)聯(lián)的其他設(shè)備、管系、閥件等以三維實(shí)體建模實(shí)現(xiàn)，設(shè)備(部件)進(jìn)出艙的通道以貼圖和三維模型相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)。

三維虛擬維修環(huán)境生成的方法有2種：一種是在Solidworks中建立模型，另存為*.stl格式，然后導(dǎo)入3dmax中，在3dmax中將模型保存為*.NMO格式，在Virtools中直接使用，該方法的優(yōu)點(diǎn)是建立模型非?？旖?，缺點(diǎn)是導(dǎo)入后模型的失真嚴(yán)重，重新調(diào)整模型的工作量大。另外一種方法是使用3dmax建立模型，優(yōu)點(diǎn)是逼真，特征丟失較少，該方法生成的虛擬維修環(huán)境真實(shí)感強(qiáng)，場(chǎng)景文件的容量小，缺點(diǎn)是模型建立很慢[7]?；谔摂M艙室環(huán)境要求真實(shí)度高，故采用第二種方法。

通過(guò)上船拍攝的方式完成艙室環(huán)境素材的采集，再利用3dmax軟件創(chuàng)建出艙室環(huán)境。對(duì)于需要安裝到艙室內(nèi)的設(shè)備，利用3dmax軟件，將重建后的三維模型(見圖2)，按照實(shí)船環(huán)境進(jìn)行空間定位。對(duì)模型進(jìn)行貼圖繪制和編輯，然后進(jìn)行材質(zhì)烘培，再利用PhotoShop等工具，進(jìn)行美化加工，使得虛擬環(huán)境更加逼真。

圖2 艙室環(huán)境三維建模

3 艦船裝備虛擬拆裝

艦船裝備虛擬拆裝過(guò)程如圖3所示。

圖3 裝配過(guò)程

針對(duì)艦船裝備的工作原理、安裝工藝和技術(shù)要求，掌握設(shè)備的結(jié)構(gòu)、零件的功用以及相互連接關(guān)系，進(jìn)行拆卸和裝配。由圖紙到零件，再到裝配體，小的裝配體組合成完整的設(shè)備，是一個(gè)由下到上的逆過(guò)程。使用3dvia composer軟件制作艦船機(jī)電裝備的三維虛擬維修動(dòng)畫，同時(shí)具有一定的交互性、穿插維修守則及規(guī)程。

4 艦船裝備搶修虛擬維修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 總體設(shè)計(jì)思路

在對(duì)艦船船機(jī)電系統(tǒng)和設(shè)備的工作原理、工作狀態(tài)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能進(jìn)行深入、詳細(xì)地研究分析的基礎(chǔ)上，以某型艦船的船機(jī)電系統(tǒng)和設(shè)備為對(duì)象，采用二維、三維圖形技術(shù)，建立了有關(guān)系統(tǒng)的二維動(dòng)畫演示系統(tǒng)，及關(guān)鍵設(shè)備三維實(shí)體模型和交互式動(dòng)畫演示和虛擬拆裝操作；并利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行管理，以方便設(shè)備使用和維修人員管理了解船機(jī)電專業(yè)各系統(tǒng)基本原理、系統(tǒng)中各設(shè)備連接關(guān)系，掌握關(guān)鍵設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)和拆裝過(guò)程。其總體思路如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)演示路線

4.2 艦船裝備應(yīng)急搶修虛擬維修系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

艦船裝備應(yīng)急搶修虛擬維修管理平臺(tái)的開發(fā)采用C#語(yǔ)言，使用Visual Studio 2010作為平臺(tái)開發(fā)工具，能模擬實(shí)際三維設(shè)備的手動(dòng)拆分。通過(guò)點(diǎn)選設(shè)備部件，對(duì)其進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)、平移、測(cè)量尺寸等，對(duì)于大的裝備，可以隱藏不需要的部件或動(dòng)態(tài)剖視透視其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。每一個(gè)設(shè)備都可以自動(dòng)以動(dòng)畫的形式演示其組成,并提供圖形打印功能。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)線路圖如圖5所示，以系統(tǒng)設(shè)備設(shè)計(jì)圖紙資料為基礎(chǔ)，利用Solidworks或3dmax軟件建立三維實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)3D/VR的虛擬演示。

圖5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線

5 結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)而全面地對(duì)艦船船機(jī)電系統(tǒng)和設(shè)備的技術(shù)性能、技術(shù)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理進(jìn)行分析和研究，利用圖形和數(shù)據(jù)庫(kù)理論、技術(shù)，開發(fā)了某型艦船裝備應(yīng)急搶修虛擬維修系統(tǒng)。該系統(tǒng)能對(duì)艦船裝備的使用和維修人員培訓(xùn)提供技術(shù)支持，對(duì)該型船的技術(shù)資料管理提供先進(jìn)的管理手段，對(duì)提高艦船裝備的技術(shù)保障能力具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。