1 引 言

維修性是指產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，按規(guī)定程序和方法進行維修時，保持或恢復(fù)其規(guī)定狀態(tài)的能力。船舶維修性是船舶裝備重要的質(zhì)量特性，是提高、保持和恢復(fù)船舶戰(zhàn)斗力的重要條件，是決定船舶維修品質(zhì)的關(guān)鍵因素。維修性好壞對船舶的可靠度、利用率及經(jīng)濟性等具有決定性作用。船舶的維修性好壞必須通過維修作業(yè)模擬試驗來評估驗證。

傳統(tǒng)的維修性設(shè)計驗證主要依托產(chǎn)品的物理樣機或全船尺寸模型，然而對于船舶，在設(shè)計的前期階段，一般缺乏試驗用的物理樣機，一些維修性驗證工作無法開展，影響維修性設(shè)計與產(chǎn)品設(shè)計的并行；另外，如果在設(shè)計方案的后期階段，才對維修性進行全面驗證，一旦發(fā)現(xiàn)問題，再對設(shè)計進行修改，則可能需花費大量經(jīng)費和時間，由于設(shè)計開發(fā)周期與費用等原因，往往即使發(fā)現(xiàn)了存在的問題，也不能對設(shè)計進行修改。因此，在船舶設(shè)計與研制中，如何考慮維修或維修性問題一直是一個難題。如果設(shè)計人員能夠直觀地看見船舶構(gòu)形和維修人員、維修工具以及維修作業(yè)的動作過程，而不是“憑空想像”，必將提高驗證效果和效益。

目前國內(nèi)很多大型船舶設(shè)計單位都采用了數(shù)字化設(shè)計方法，船舶的各種信息都已數(shù)字化，如果再采用傳統(tǒng)的維修性驗證方法來分析，勢必將整個船舶研制周期拉長，使其不能適應(yīng)現(xiàn)代產(chǎn)品并行設(shè)計的運行機制，不能與其它計算機輔助分析工具實現(xiàn)設(shè)計資源的共享與及時的信息交換，這實際上是對設(shè)計資源的浪費[1]。

同時，國外也將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到裝備的設(shè)計、生產(chǎn)制造、試驗定型等多個方面，以縮短設(shè)計周期、降低設(shè)計成本。

綜上所述，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引入將大大縮短船舶的設(shè)計周期和提高船舶維修性設(shè)計水平，同時也節(jié)約了船舶的研制經(jīng)費。因此，開展基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的船舶維修性驗證的研究工作具有較大的軍事意義和經(jīng)濟意義。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的概述

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種綜合應(yīng)用各種技術(shù)制造逼真的人工模擬環(huán)境，并能有效地模擬人在自然環(huán)境中視、聽、觸覺等各種感知行為的高級人機交互技術(shù)[2]。虛擬現(xiàn)實具有3個最突出的特征：交互性、沉浸性和多感知性。

根據(jù)虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的不同，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)分為兩類：沉浸式和非沉浸式[3]。沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)需要用戶借助數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器和跟蹤器等系統(tǒng)外設(shè)，產(chǎn)生身臨其境的沉浸感，因此只需創(chuàng)建場景和操作對象三維模型；非沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實現(xiàn)主要是通過計算機屏幕呈現(xiàn)，通過鍵盤、鼠標(biāo)即可游歷整個環(huán)境，不需要帶頭盔和手套等，因此用戶比較自由，對用戶數(shù)的限制也少，投資成本低，但虛擬環(huán)境的組成則變得相對復(fù)雜。非沉浸式虛擬環(huán)境除創(chuàng)建場景和操作對象三維模型外，還需創(chuàng)建工具模型和人體模型虛擬環(huán)境，從而為過程仿真及虛擬驗證建立一個近似現(xiàn)實的虛擬空間。非沉浸式虛擬環(huán)境要具有三維視覺效果，虛擬環(huán)境元素應(yīng)盡可能真實地反映現(xiàn)實特性，包括實體表面光滑度、光學(xué)效果、密度、力學(xué)特性等；用戶必須能夠?qū)δM環(huán)境中的物體進行操作，并能從環(huán)境中得到反饋，如用戶可以控制人體模型進行零件和工具的抓取、移動，并能實時顯示活動時間、路徑、手的受力等；虛擬環(huán)境中的物體應(yīng)遵從自然規(guī)律或物理定律，如當(dāng)受到力的作用時，物體有沿力的方向運動的趨勢。

3 船舶虛擬維修性驗證模型

3.1 模型元素的實現(xiàn)

虛擬維修性驗證模型主要包含4個要素：虛擬維修環(huán)境、維修對象模型、工具模型、人體模型。這4個要素的實現(xiàn)分別如下：

1) 虛擬維修環(huán)境的實現(xiàn)

虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)的核心內(nèi)容，虛擬環(huán)境建立的目的是獲取實際環(huán)境的三維數(shù)據(jù)，并根據(jù)應(yīng)用的需要，利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型[4]。在對船舶進行虛擬維修或維修性驗證時，首先通過三維建模工具如CATIA、CADDS5等，根據(jù)二維圖紙原始數(shù)據(jù)對船舶維修的相關(guān)艙段進行三維建模，以建立起一個真實反映船舶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的虛擬維修環(huán)境，從而使船舶的虛擬維修環(huán)境具有可操作性。

2) 維修對象和維修工具的實現(xiàn)

由于維修對象和工具要具有可操作性，因此需采用基于模型的方法，即建立維修對象和工具的三維實體模型。實體模型一般可以表示實體的幾何和物理特性，可通過CAD系統(tǒng)創(chuàng)建，如船舶設(shè)計領(lǐng)域常用的三維建模工具CATIA以及DELMIA等?；谀Ｐ头椒ń⒌氖菍嶓w模型，具有可操作性。但是精細逼真的模型的屬性眾多，表示方法復(fù)雜，即使場景中只有少量物體，也可能包含很大的數(shù)據(jù)量，這直接影響到實時性，因此應(yīng)盡量簡化模型數(shù)量和模型的內(nèi)在特性。例如，對于不需要細分的可更換單元，可以作為一個零件個體進行設(shè)計，只須滿足和其他零部件之間的裝配條件和約束等即可。

3) 人體模型的實現(xiàn)

從人體工程學(xué)角度考慮維修性，應(yīng)采用人體全尺寸模型。從人的作業(yè)姿態(tài)、作業(yè)域、視角、關(guān)節(jié)的作用力以及環(huán)境對人的影響等方面分析系統(tǒng)的維修性好壞。利用CATIA或DELMIA的Human Builder模塊創(chuàng)建維修人員的全尺寸模型，其中人體姿態(tài)的改變是通過操縱關(guān)節(jié)運動來實現(xiàn)的，為了描述人體的各種姿態(tài)，在人體造型中需對每個人體關(guān)節(jié)規(guī)定局部坐標(biāo)系，明確關(guān)節(jié)角度的約定。人體模型作為維修過程必不可少的主動因素，與三維裝配實體模型一起，可實現(xiàn)維修過程仿真以及維修性的驗證。

船舶維修人員類型的選擇，可參考GB/T 18717《用于機械安全的人類工效學(xué)設(shè)計》標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)選擇全部人體指標(biāo)或主要的人體指標(biāo)，如身高、臂長等，再根據(jù)需要選擇其他部位的尺寸，以便產(chǎn)生較為實用的人體模型。人體工程規(guī)范推薦，當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計必須容許維修人員調(diào)整其姿勢，以操作或維修設(shè)備時，應(yīng)采用第5百分位人員的統(tǒng)計數(shù)值；當(dāng)結(jié)構(gòu)設(shè)計必須適應(yīng)充分的活動空間時，應(yīng)采用第95百分位人員的統(tǒng)計數(shù)值；如果維修人員必須穿著防寒服或攜帶其他工具時，則需要更大的活動空間。一般來說，對于關(guān)鍵的人體尺寸設(shè)計極限，應(yīng)該建立在從第5百分位到第95百分位值的范圍內(nèi)，采用此范圍內(nèi)的尺寸在理論上提供為90%的人數(shù)適用[5,6]。

3.2 模型的建立

為了模擬維修活動，首先將人體模型與維修工具進行合并，根據(jù)維修任務(wù)，形成維修過程各階段的維修人員與工具的合并模型；其次必須將維修對象模型與帶工具的人體模型合并；然后將三維實體模型和人體模型導(dǎo)入虛擬場景，根據(jù)維修作業(yè)仿真過程的需要，建立一個定位參考點，初步確定人體模型在作業(yè)空間的位置；最后在人體模型中建立定位點，根據(jù)維修作業(yè)內(nèi)容或任務(wù)，確定人體模型的姿態(tài)和取向。在模型合并完成后，根據(jù)維修任務(wù)階段的不同，通過合并的模型即可實現(xiàn)維修性的虛擬驗證。各模型及其相互關(guān)系見圖1。

圖1 維修性驗證模型

4 船舶維修性指標(biāo)虛擬驗證系統(tǒng)

維修性的虛擬驗證，是指利用虛擬維修環(huán)境，通過維修作業(yè)仿真，考察維修對象的可達性、可視性、維修人員的工作姿態(tài)、操作簡便程度、維修時間、環(huán)境因素等維修性參數(shù)，并給出驗證結(jié)果和修改建議[7]。合理的維修性設(shè)計應(yīng)使維修人員在任何時刻觀察、操作都很方便，并且在較長的時間維持某種作業(yè)姿勢時，不會產(chǎn)生或盡可能少地產(chǎn)生不適和疲勞。對于較為簡單的系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)計的合理性可能比較容易，然而對于船舶這樣的大型復(fù)雜系統(tǒng)，很難將所有需要拆卸、修復(fù)、更換的零部件都布置在最優(yōu)位置，所以對于船舶維修性驗證，不能單純地驗證各個分系統(tǒng)或零部件的維修性如何，而應(yīng)從系統(tǒng)的角度驗證整艘船舶的維修性，從零部件的角度驗證分系統(tǒng)的維修性。

船舶維修性指標(biāo)虛擬驗證系統(tǒng)主要是利用虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)來模擬船舶裝備的預(yù)期維修，并在此基礎(chǔ)上通過對各分系統(tǒng)開展各種維修設(shè)計和驗證工作來發(fā)現(xiàn)并改造船舶整體維修性設(shè)計中的缺陷，從而使所設(shè)計的船舶具有良好的維修性水平。

4.1 系統(tǒng)驗證內(nèi)容

根據(jù)船舶維修性設(shè)計的相應(yīng)要求，維修性虛擬驗證過程應(yīng)當(dāng)包括3個主要驗證內(nèi)容：即維修可達性與可視性驗證、維修過程的干涉和碰撞驗證、維修人員工作姿態(tài)驗證。

1) 可達性與可視性驗證

維修可達性是指對部件進行修理、更換或保養(yǎng)時容易接近的程度?？蛇_性和可視性是船舶維修性必須滿足的最基本要求，其設(shè)計必須滿足如下基本準(zhǔn)則：維修作業(yè)空間應(yīng)根據(jù)人體尺寸設(shè)計，作業(yè)空間大于人體最小作業(yè)空間；維修人員在維修過程中應(yīng)能夠看到自己的操作動作。

2) 干涉和碰撞驗證

干涉和碰撞驗證的主要內(nèi)容是檢驗維修人員在維修過程中是否與維修對象發(fā)生干涉，作業(yè)空間能否為操作者創(chuàng)造舒適的工作環(huán)境等。

3) 工作姿態(tài)驗證

工作姿態(tài)驗證的內(nèi)容是判斷維修人員是否能夠處于最佳作業(yè)姿勢，運用最佳作業(yè)動作進行維修作業(yè)，維修作業(yè)是否會引起維修人員工作效率下降和疲勞，同時還必須判斷維修操作中的舉起、推拉、提起及轉(zhuǎn)動等作業(yè)能否控制在人的體力限度以內(nèi)等。此項工作可以利用CATIA中的姿態(tài)評分分析功能來完成，通過建立最優(yōu)人體作業(yè)姿態(tài)庫，評價作業(yè)姿態(tài)接近最優(yōu)姿態(tài)的程度，以判斷工作姿態(tài)是否合理[8]。

4.2 系統(tǒng)驗證流程

維修性虛擬驗證系統(tǒng)工作流程如圖2所示，其工作步驟如下：

1) 進入維修性虛擬驗證系統(tǒng)；

2) 將維修工具庫、人體模型和維修對象合并到虛擬維修環(huán)境中去；

圖2 虛擬維修性設(shè)計驗證流程

3) 確定維修任務(wù)，并根據(jù)所確定的維修任務(wù)，選擇合適的維修工具，確定人體模型到達作業(yè)空間的路徑；

4) 進行可達性和可視性驗證，判斷維修對象是否位于人體模型的可達空間和可視范圍內(nèi)。如果不在人體模型的可達空間內(nèi)或維修部位不可視，則調(diào)整人體模型的路徑，重新進行判斷。如果維修對象位于人體模型的可達空間范圍內(nèi)，則確定可達路徑。

5) 進行干涉和碰撞驗證，判斷維修員在維修活動過程中是否會發(fā)生干涉或碰撞，如果發(fā)生干涉，則調(diào)整人體模型在作業(yè)空間中的位置，重新進行判斷；如果沒有發(fā)生干涉，則確定人體模型位置。

6) 最后進行工作姿態(tài)驗證，判斷維修人員工作姿態(tài)是否舒適，如果姿態(tài)舒適，則確定姿態(tài)。否則，重新調(diào)整人體模型的作業(yè)姿勢進行判斷。

7) 完成上述驗證內(nèi)容后，系統(tǒng)對整個維修作業(yè)過程進行模擬。

8) 根據(jù)具體情況和要求，進行其他必要的維修性驗證。最后得出驗證結(jié)果，并做出進一步的設(shè)計修改，以完善設(shè)計。

5 結(jié) 論

船舶虛擬維修或維修性驗證不同于在實物模型或樣機上的演示或?qū)嶋H操作，而是利用計算機軟、硬件平臺，將船舶的虛擬樣機和維修人員、維修工具等放入虛擬環(huán)境，進行模擬實驗，在虛擬樣機上進行各種維修活動的演示，模擬各種維修操作或過程，對船舶的維修或維修性進行驗證，即以一種基于計算機的樣機代替昂貴的實物樣機進行維修、維修性驗證，模擬部分或整個維修過程。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行維修或維修性設(shè)計驗證，不需要從物理上實現(xiàn)產(chǎn)品和維修過程，從而克服了實物樣機制造周期長，成本高，難以修改更新的不足。本文研究的船舶維修性虛擬驗證系統(tǒng)，是當(dāng)今船舶維修性設(shè)計的重要發(fā)展方向，其研究的基本方法和思路對開展船舶維修性設(shè)計具有一定的參考價值。

[1] 朱曉軍，閔少松，袁宇明．艦船裝備虛擬維修性驗證系統(tǒng)研究[J]．中國修船，2006,19(6):40-42．

[2] BURDEA G,COIFET P ．Virtual real technology [M]．USA:wiley-Interscience,2004.

[3] 陳定方，羅亞伯．虛擬設(shè)計[M]．北京:機械工業(yè)出版社，2002．

[4] 劉賢梅，李勤，司國海，等，虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其應(yīng)用[J]．大慶石油學(xué)院學(xué)報，2002，26(2)：112-115．

[5] 郭伏，楊學(xué)涵．人因工程學(xué)[M]．沈陽：東北大學(xué)出版社，2001．

[6] 袁修干，莊達民．人機工程[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002．

[7] 王栓杰，柳輝，李建忠．基于虛擬現(xiàn)實的維修性演示驗證系統(tǒng)研究[J]．軍械工程學(xué)院學(xué)報，2006(6)．

[8] 尤春風(fēng)．CATIA V5機械設(shè)計[M]．北京:清華大學(xué)出版社，2002．