方雄兵，陳穎，李濤濤，林銳

1中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

2中國船舶工業(yè)集團公司電子科技有限公司，北京100070

艦船虛擬維修仿真應用系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

方雄兵1，陳穎2，李濤濤1，林銳1

1中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

2中國船舶工業(yè)集團公司電子科技有限公司，北京100070

虛擬維修技術對于艦船、航行器等復雜裝備的維修性設計與分析具有重要意義。詳細分析艦船維修性設計對于虛擬維修仿真的應用需求，在此基礎上提出一種面向艦船維修仿真應用系統(tǒng)的架構，設計該系統(tǒng)的組成及各模塊功能。該應用系統(tǒng)架構包括數(shù)據(jù)層、功能層、接口層及用戶界面層4個層次：在數(shù)據(jù)層，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫存儲和本地存儲；在功能層，設計了多個仿真數(shù)據(jù)管理功能、運動捕獲數(shù)據(jù)處理功能以及可視性、可達性和舒適性等多個高級分析功能；在接口層，提供了與Teamcente（rTC）平臺的數(shù)據(jù)集成功能，可實現(xiàn)從TC下載艦船JT模型至仿真系統(tǒng)中，以及將仿真結果和場景文件等上傳至TC；在用戶界面層，設計了人性化的系統(tǒng)操作界面，可實現(xiàn)客戶與系統(tǒng)之間的友好交互和操作。最后，結合Jack仿真軟件，實現(xiàn)艦船虛擬維修仿真應用系統(tǒng)的原型，該原型系統(tǒng)為開展艦船虛擬維修仿真數(shù)據(jù)的管理與應用以及運動捕獲技術在虛擬維修中的應用奠定了基礎。

艦船；維修性設計；虛擬維修；仿真基礎庫；運動捕獲

0 引 言

虛擬維修技術對于復雜裝備，特別是缺乏物理樣機的裝備維修性設計和后期的維修、維護（維修訓練、維修作業(yè)指導等）具有重要價值。虛擬維修技術從維修性可視化技術發(fā)展而來，并逐漸在復雜系統(tǒng)設計和人員訓練方面得到深入研究和廣泛應用，如早期美國空軍集成到若干CAD系統(tǒng)中的CREW CHIEF維修人員模型、Armstrong實驗室的維修性分析和后勤信息分析（DEPTH）項目、美國哈勃望遠鏡維修訓練項目等。

為解決大型復雜武器裝備維修性評估或試驗嚴重依賴物理模型或樣機、維修性分析技術嚴重滯后于研制進程、不能實現(xiàn)與工程研制并行等難題，美國從20世紀80年代開始研究基于計算機輔助設計的維修性可視化設計分析技術。國內(nèi)科研機構和軍工行業(yè)也面臨著上述與國外同樣的問題，并開展了大量的研究工作［1-4］。

國內(nèi)研究人員在虛擬維修仿真系統(tǒng)設計與應用方面開展了廣泛研究。柳輝等［5］設計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］設計并實現(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、虛擬樣機建模、人體建模、人素分析、維修工具庫、分析結果數(shù)據(jù)輸出等功能模塊。朱文革等［7］提出了復雜裝備虛擬維修系統(tǒng)總體方案，該方案集成了遠程虛擬測試和控制系統(tǒng)，在進行維修分析決策時，融合了知識工程方法，并研究了基于組件技術的多層次體系架構，可快速構建新的虛擬維修系統(tǒng)。在航空航天領域，王占海等［8］研究了基于Catia或Delmia軟件的飛機維修性分析與驗證流程，以及可達性、可視性等的定量分析方法。陳科等［9］開展了基于Delmia軟件的雷達天線轉臺維修仿真應用系統(tǒng)與技術研究。劉鋇鋇等［10］提出了一個面向航空裝備的虛擬維修系統(tǒng)體系結構，并基于Delmia軟件實現(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、評估與報告、數(shù)據(jù)管理與維護等5個功能模塊，可實現(xiàn)虛擬維修仿真的全套過程。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)字樣機的虛擬維修系統(tǒng)總體框架。田富君等［12］研究了雷達結構虛擬維修系統(tǒng)體系結構和功能模型，并對虛擬人體建模與手勢識別、干涉檢查、交互式維修電子手冊生成等技術進行了研究。李偉等［13］研究了載人航天器虛擬維修流程、環(huán)境構建方法及其在Jack和Pro/E軟件環(huán)境中的實現(xiàn)方法。

在艦船領域，李佳［14］研究了基于Catia和Delmia的船舶維修性驗證系統(tǒng)的實施技術路線，給出了船舶維修性驗證模型、驗證內(nèi)容及流程。張平等［15］從艦船維修性設計與總體設計并行的高度出發(fā)，闡述了通過維修設計編制艦船基地級維修資料的解決途徑和方法。上述兩項工作為理解虛擬維修技術在艦船維修性分析和設計中的主要應用階段和應用模式提供了參考?？傮w來看，艦船行業(yè)的維修性仿真驗證工作水平落后于航空航天等行業(yè)，現(xiàn)有研究工作缺乏對艦船維修性仿真驗證的系統(tǒng)研究，如在艦船零部件數(shù)量巨大的背景下，如何實現(xiàn)維修樣機建模、數(shù)據(jù)管理和仿真過程模擬、評估和分析、結果管理等。

本文將在相關研究工作的基礎上，結合實施PDM以及三維輕量化模型的管理和工程應用現(xiàn)狀，分析艦船虛擬維修仿真的應用場景、方式及全過程中的需求，研究并提出一種艦船虛擬維修仿真應用系統(tǒng)的架構及其功能模塊組成。最后，基于Jack仿真軟件實現(xiàn)所提出的應用系統(tǒng)原型。

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

1 艦船虛擬維修仿真應用需求分析

1.1 虛擬維修仿真典型應用場景

文獻［4］對虛擬維修的一般步驟進行了總體提煉，在此基礎上，艦船等復雜裝備維修性仿真驗證的典型應用場景可以描述如下：

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

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

3）在仿真場景中加入虛擬人體模型（可考慮建立人體模型庫），控制或設置虛擬人維修操作動作，模擬真實人員完成相應操作過程。依據(jù)維修性分析與評估體系，開展可視性、可達性、舒適性、疲勞、受力以及空間分析等，實現(xiàn)不同層次的維修性分析與仿真驗證。

4）根據(jù)上述仿真分析的結果，由系統(tǒng)或人工生成相應的維修性仿真評估報告，并上傳至相關維修性分析與管理平臺。

另一方面，前期已開展了大量關于從CAD系統(tǒng)（Foran軟件）導出JT的方法、JT的結構化管理

及可視化分析應用工作，實現(xiàn)了JT模型的導出、管理與可視化應用的技術路線，構建了一套三維輕量化模型的管理系統(tǒng)。如何進一步將艦船JT模型與該輕量化模型管理平臺應用于虛擬維修，解決艦船在維修性仿真中存在的主要問題，這些對維修性設計具有重要意義。

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用場景的描述和現(xiàn)有工作的基礎，對艦船虛擬維修需求進行分析。艦船虛擬維修仿真一般流程如圖1所示。

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

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

2）維修對象仿真模型構建。基于原始CAD三維模型，實現(xiàn)面向維修性仿真的對象模型創(chuàng)建，如交互特征建模［16］，此功能可在仿真軟件基礎上進行二次開發(fā)。

3）導入虛擬人模型。人體模型尺寸與生理特性對于仿真相關指標會產(chǎn)生一定影響，因此，可考慮基于最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)開展中國人人體模型生成的研究與開發(fā)，形成中國人人體模型庫。對于要求不高的情況，也可直接修改仿真軟件中現(xiàn)有的數(shù)字人體參數(shù)，實現(xiàn)虛擬人定制。

4）設置虛擬人維修工具。艦船維修工具和設備種類多，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備庫，實現(xiàn)各類工具的統(tǒng)一管理與重用。

5）設置虛擬人行走或者維修動作?，F(xiàn)有仿真軟件依賴逐幀調(diào)整關節(jié)自由度的方式難以實現(xiàn)虛擬維修人員操作動作的快速設置，可開發(fā)典型的維修仿真動作庫，便于維修仿真過程中重用，提升動作設置的逼真度和效率。

6）設置虛擬人維修姿態(tài)?，F(xiàn)有仿真軟件提供了少量常見姿態(tài)，可在此基礎上開發(fā)維修仿真姿態(tài)庫，添加更多維修關鍵姿態(tài)，提高虛擬人維修姿態(tài)設置的效率。

7）可視性、可達性和舒適性分析?，F(xiàn)有仿真軟件提供了定性分析功能，可結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性分析、使用維修工具時的可達性分析等，開發(fā)實用的高級分析工具。

8）設置虛擬人關節(jié)范圍等參數(shù)。為便于可視性、可達性和舒適性等指標分析，可對虛擬人全身或部分關節(jié)的自由度大小進行必要設置。

9）維修時間分析?，F(xiàn)有仿真軟件未提供維

修時間的分析方法和功能，這方面的工作較困難，可做進一步的研究開發(fā)。

10）維修性分析和評估。結合艦船研制，從不同層次，結合各種指標對艦船產(chǎn)品進行整體維修性分析和評估，形成艦船維修性分析和評估體系，這方面的工作需要深入研究，并通過軟件工具實現(xiàn)。

11）仿真結果輸入與管理。將仿真結果（報告、仿真動畫等）以及仿真場景文件等上傳至數(shù)據(jù)管理平臺進行管理。

對于上述功能，尤其是如何快速、逼真地讓虛擬人模擬真實維修人員完成指定的維修任務和動作，是實際仿真工作中的重點與難點。為實現(xiàn)提高虛擬人動作和姿態(tài)的仿真效率與逼真度，可采用離線方式將真實人體運動捕獲數(shù)據(jù)（以下稱“動捕數(shù)據(jù)”）應用于虛擬人［17］，在人機工程仿真軟件基礎上，開發(fā)基于動捕數(shù)據(jù)的虛擬人動作庫和姿態(tài)庫，用戶利用這些仿真基礎庫完成維修動作和姿態(tài)的快速設置。

從仿真全過程涉及的要素來看，除上述需求外，還包括CAD三維系統(tǒng)導出的中間格式三維模型文件管理與可視化、維修任務管理、維修性仿真分析和評估的結果生成與管理等現(xiàn)實應用需求。此外，現(xiàn)有仿真基礎軟件側重于數(shù)據(jù)的應用，而對于數(shù)據(jù)的管理方面，特別是三維數(shù)據(jù)的管理，需要將基礎仿真軟件與相關數(shù)據(jù)管理平臺進行集成和開發(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用系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)架構設計

Jack軟件具有開放的接口，易于開發(fā)，是較為理想的虛擬維修仿真平臺。結合Jack軟件現(xiàn)有功能和上述艦船虛擬維修仿真應用需求，設計了面向艦船虛擬維修仿真應用的系統(tǒng)架構，如圖2所示。

本文設計的架構分為數(shù)據(jù)層、功能層、接口層和用戶界面層4個層次：數(shù)據(jù)層解決仿真基礎數(shù)據(jù)的存儲方法；功能層支撐整個仿真過程中的各類數(shù)據(jù)的獲取、訪問、創(chuàng)建、管理與應用工作；接口層負責仿真系統(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。

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

2.2 系統(tǒng)模塊組成與功能設計

結合圖2中的系統(tǒng)架構和當前的研究基礎以及仿真需求，提出系統(tǒng)包含的模塊及其功能設計。圖2中斜體字表示的部分功能將在未來進一步開展研究。

2.2.1 系統(tǒng)功能模塊結構圖

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

1）數(shù)據(jù)管理。包括仿真基礎庫管理（人體庫、動作庫、姿態(tài)庫、工具庫）、仿真任務管理、本地個性化數(shù)據(jù)管理。

2）數(shù)據(jù)應用。包括人體動捕數(shù)據(jù)處理、仿真基礎數(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或場景文件）下載與加載、仿真結果上傳與管理。

本文設計的系統(tǒng)功能模塊結構圖如圖3所示。

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

2.2.2 系統(tǒng)功能設計

本節(jié)對圖3列出的模塊功能設計進行描述。

1）數(shù)據(jù)庫角色登錄。

普通用戶選擇并登錄“數(shù)據(jù)庫角色登錄”模塊后，可在數(shù)據(jù)庫中調(diào)用人體庫、動作庫、姿態(tài)庫、工具庫中的共用數(shù)據(jù)。管理員登錄數(shù)據(jù)庫后，可對上述庫中的數(shù)據(jù)進行維護。當用戶選擇不登錄數(shù)據(jù)庫時，則可使用、修改本地文件夾中的個人仿真數(shù)據(jù)，如人體模型、動作數(shù)據(jù)等，以滿足個性化需要。

2）人體庫管理。

提供對定制海軍人體模型、常用人體模型和中國人標準人體模型庫的管理功能或接口，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）動作庫管理。

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

4）姿態(tài)庫管理。

提供姿態(tài)分類樹建模、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、關鍵關節(jié)數(shù)據(jù)輸出等功能。

5）工具庫管理。

提供維修工具分類樹建模、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)建維修工具的樹形組織管理模式。

6）維修任務管理。

提供維修任務打開及編輯功能，打開界面中提供了按名稱、編號及描述的關鍵字匹配的查詢方式。編輯界面中除上述查詢功能外，還提供了任務分類樹建模及任務節(jié)點屬性（名稱、編號、描述信息）的修改功能等。打開及編輯的維修任務文件為.xml格式，保存于本地文件夾中。

7）動捕數(shù)據(jù)轉換。

提供靜態(tài)BVH（單幀BVH數(shù)據(jù)）轉姿態(tài)、動態(tài)BVH（連續(xù)多幀BVH數(shù)據(jù)）轉動作、2個姿態(tài)生成動作、生成過渡動作及對特定子序列幀提取等操作。這些操作可對標準的BVH動捕數(shù)據(jù)進行轉換并由姿態(tài)庫與動作庫使用。各子功能設計如下：

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

（2）動態(tài)BVH轉動作。將含有多幀數(shù)據(jù)的BVH文件轉換為Jack軟件的_chset.env格式的動作文件。

（3）姿態(tài)生成動作。選擇2個姿態(tài)并設置之間的時間間隔，插值生成一段動作文件。

（4）生成過渡動作。選擇2個動作文件（_chset.env格式），設置中間間隔時間，可生成一段中間動作并與上述2個動作合成為1個動作文件。

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

8）可視性高級功能。

艦船結構復雜、設備繁多，很多維修任務都是在狹小空間中完成的，對于維修部位的可視性、可達性分析顯得尤為重要。針對Jack軟件在仿真中存在的功能不足，設計了維修部位導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，輔助虛擬人進行維修位置、動作與姿態(tài)的調(diào)整以及維修部位的可視性分析與評估。

（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個分區(qū)，在設計時通常是將對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?，設計了可視域分區(qū)分析功能，輔助重要對象的可視性分析與評估。

9）可達性高級功能。

考慮到艦船維修工作中存在大量的艦員級維修，這些維修通常需要使用維修工具并在狹小受限空間中進行操作，基于上述應用需求設計了使用維修工具情況下的可達性分析功能，對虛擬人使用工具時，工具外沿的可達域進行分析并生成可視體以及仿真報告，輔助維修對象或部位的可達性分析與評估。

10）舒適性高級功能。

舒適性高級功能包括對姿態(tài)的舒適性評價以及對動作的舒適性評估2項子功能：

（1）姿態(tài)舒適性評估?；谶x擇的舒適性評估準則，對選定的虛擬人姿態(tài)進行舒適性評估，對分析結果進行圖形可視化。

（2）動作舒適性評估。基于舒適性評估準則，對選定的虛擬人維修動作（_chset.env格式數(shù)據(jù)）進行舒適性評估，生成各幀的舒適性圖形曲線分析結果。

11）與基礎數(shù)據(jù)管理平臺等系統(tǒng)的接口。

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

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，設計了Jack軟件與該系統(tǒng)的集成接口，功能包括：

（1）TC將相關JT模型下載至約定文件夾并啟動Jack軟件；

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

（3）Jack軟件將仿真文件上傳至TC相應的節(jié)點下。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用系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構實現(xiàn)

本系統(tǒng)整體架構為客戶端—服務器（C/S）模式，基于Jack軟件進行定制開發(fā)，界面采用Tcl/Tk語言，功能采用Python語言實現(xiàn)。C/S采用Twisted網(wǎng)絡架構，后臺數(shù)據(jù)庫采用PostgreSQL開發(fā)。Twisted是用Python語言實現(xiàn)的基于事件驅動的網(wǎng)絡引擎框架，它支持許多常見的傳輸及應用層協(xié)議，基于Python語言開發(fā)，具有異步和事件驅動、開源、易于整合等特點。PostgreSQL數(shù)據(jù)庫是對象關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（ORDBMS），支持大部分SQL標準并且提供了許多其他現(xiàn)代特性，如復雜查詢、外鍵、觸發(fā)器、視圖、事務完整性和MVCC。

3.2 設計流程與步驟

本系統(tǒng)設計流程如圖5所示。根據(jù)仿真基礎數(shù)據(jù)管理（CAD數(shù)據(jù)除外）、仿真任務管理與應用需求，對系統(tǒng)的主體功能和界面進行分析與設計，要求風格與Jack軟件保持一致，且界面為中文。

圖5 軟件設計流程Fig.5 Flow of the software design process

完成界面及功能實現(xiàn)后，使用數(shù)據(jù)庫角色登錄數(shù)據(jù)庫，開始對人體庫、動作庫、姿態(tài)庫和工具庫進行充實，形成仿真基礎庫，并在后續(xù)應用中不斷充實仿真基礎庫。

3.3 功能實現(xiàn)

界面及功能代碼采用Tcl/Tk以及Python語言實現(xiàn)。界面程序編輯完成后，在Jack軟件的Tcl控制臺窗口中編譯，編輯通過后存儲在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控制臺下編譯，編譯通過后以.pyc為后綴存儲于script文件夾中。

為實現(xiàn)Jack軟件與TC的數(shù)據(jù)初步集成，需要實現(xiàn)將TC中的JT模型自動導入到Jack軟件中，如一個艙室版本下的JT模型。通過TC平臺的API函數(shù)，實現(xiàn)了將TC中相應版本的模型自動下載至約定的本地文件夾中并啟動Jack軟件的功能，以及將本地文件夾中的仿真報告、場景文件、仿真動畫等上傳至TC中。

4 系統(tǒng)應用及討論

4.1 系統(tǒng)應用

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

圖7 動作庫管理界面Fig.7 Interface of motion library management

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

圖9 可視性及可達性分析的高級功能界面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

下面分別給出開發(fā)的“艦船虛擬維修仿真應用系統(tǒng)”中工具庫管理子模塊以及動態(tài)BVH轉動作子模塊的使用示例。

1）工具庫管理使用示例。

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

圖11 工具庫管理界面Fig.11 Interface of tool library management

（2）工具庫管理模塊提供了按名稱、編號及說明來查找工具。另外，可以利用新增同級/子級、剪切、粘貼和刪除來編輯工具分類樹。

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

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

上述工具庫模塊可滿足仿真過程中維修工具的管理與使用。

2）動態(tài)BVH轉動作使用示例。

（1）選擇圖5中的“動捕數(shù)據(jù)轉換”子菜單，然后是“動態(tài)BVH轉動作”，其界面如圖8所示。

（2）具體使用如下：添加虛擬人至場景，利用手型選擇按鈕選擇虛擬人，選擇“打開動態(tài)bvh并轉動作”，彈出選擇bvh文件窗口，選擇本地文件夾中的.bvh動捕文件，后臺自動將該文件逐幀轉換為Jack軟件的虛擬人動作，并播放虛擬人運動，轉換完成后彈出如圖13所示的提示界面。

圖13 動態(tài)BVH格式數(shù)據(jù)轉換為動作文件Fig.13 Transformation of dynamic BVH format data into motion file

（3）選擇“確定”，并選擇動態(tài)BVH轉動作界面中的“保存動作文件”按鈕，可將轉換后的動作文件保存為_chset.env格式的動作文件。

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

4.2 討 論

本文結合艦船設計中虛擬維修仿真需求和已有的三維模型輕量化管理與應用基礎，設計并實現(xiàn)了艦船虛擬維修仿真應用系統(tǒng)的原型。本文側重于該系統(tǒng)總體架構的構建和主體功能的設計，從實際使用示例來看，達到了設計的目標，滿足了仿真輸入數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、結果數(shù)據(jù)的管理與應用需求。部分功能模塊的關鍵技術和算法將另文給出。

按照虛擬維修仿真的一般工作原理及應用系統(tǒng)的功能組成，未來可進一步開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性分析、艦船維修性分析評估體系等方面的研究，并在本文研究基礎上在軟件功能層面上實現(xiàn)。同時，還需要不斷在工程應用中，充實所開發(fā)的人體庫、動作庫、姿態(tài)庫和工具庫等仿真基礎庫數(shù)據(jù)。

此外，也可考慮將本文的研究成果推廣至達索公司的Catia與Delmia軟件環(huán)境中，利用其提供的CAA函數(shù)庫或Automation技術實現(xiàn)，以減少從Catia三維設計平臺到Jack軟件的數(shù)據(jù)轉換。

5 結 語

本文在分析和總結艦船虛擬維修仿真應用模式和需求的基礎上，提出了一種適用于艦船虛擬維修仿真應用系統(tǒng)的架構，包括數(shù)據(jù)層、功能層、接口層和用戶界面層，設計了數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫存儲和本地存儲功能，以滿足用戶對于數(shù)據(jù)共享、共用和個性化使用的需求。該系統(tǒng)由11個功能模塊組成，融入了動捕數(shù)據(jù)處理技術以及仿真基礎數(shù)據(jù)管理功能，形成了虛擬人動作庫等4個仿真基礎庫，并實現(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)為進一步開展基于虛擬現(xiàn)實的艦船維修仿真技術研究和工程化應用提供了參考。

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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

時間：2016-11-18 15:19

中國艦船研究設計中心研發(fā)基金資助項目；國家部委基金資助項目

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。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。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

方雄兵，陳穎，李濤濤，等.艦船虛擬維修仿真應用系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.中國艦船研究，2016，11（6）：136-144. FANG Xiongbing，CHEN Ying，LI Taotao，et al.Design and implementation of the ship virtual maintenance simulation application system［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（6）：136-144.