陳浩

【摘 要】研究了虛擬維修仿真平臺的基本要求，從平臺設(shè)計原則、硬件環(huán)境、軟件系統(tǒng)、實現(xiàn)功能幾個方面進行了分析，并進行了總結(jié)和展望。

【關(guān)鍵詞】仿真平臺；人機工程

通過在虛擬維修仿真平臺上進行各種維修活動的模擬，在設(shè)計早、中期即可實現(xiàn)產(chǎn)品維修性的實時分析、評價與驗證，有利于改善產(chǎn)品維修性設(shè)計，降低產(chǎn)品研制費用，縮短產(chǎn)品研制周期。虛擬維修技術(shù)起源于飛機等大型復(fù)雜系統(tǒng)研制中對維修性工作的迫切需求，國外各大航空制造商、高等院校研究所均在虛擬現(xiàn)實和虛擬維修方面開展課題攻關(guān)，取得了一系列卓有成效的技術(shù)成果，以達(dá)索公司的DELMIA和UGS公司的Jack為主的虛擬仿真平臺已被廣泛使用。在國內(nèi)，虛擬維修仿真平臺已逐步開始在航空航天、汽車、船舶等多個行業(yè)中進行應(yīng)用，目前部分企業(yè)已經(jīng)具備了初步的應(yīng)用水平，但較國外大規(guī)模的廣泛應(yīng)用還有很大差距。

1 平臺設(shè)計原則

虛擬維修仿真平臺包括硬件環(huán)境、底層支撐平臺、應(yīng)用功能模塊、數(shù)據(jù)資源庫四個部分。其中，硬件環(huán)境構(gòu)成整個平臺運行的基礎(chǔ)硬件環(huán)境條件，底層支撐平臺為各類應(yīng)用提供支撐服務(wù)，應(yīng)用功能模塊為用戶提供沉浸式環(huán)境及桌面環(huán)境的各種具體應(yīng)用，數(shù)據(jù)資源庫為平臺及應(yīng)用功能模塊提供必要的數(shù)據(jù)資源保障。

虛擬維修仿真平臺的規(guī)劃和建設(shè)應(yīng)考慮以下原則：

1）真實性原則。需考慮產(chǎn)品的空間感及實際尺寸體驗等信息的真實表達(dá)；使用戶能以真實的操作方式與虛擬產(chǎn)品進行互動；強調(diào)環(huán)境、流程、資源等與產(chǎn)品有關(guān)的因素可能帶來的影響。

2）支持大數(shù)據(jù)量。大數(shù)據(jù)量的支撐能力可以實現(xiàn)對于巨大、復(fù)雜產(chǎn)品的完整虛擬樣機模型應(yīng)用。

3）先進性原則。平臺各組成部分應(yīng)采用較為成熟、技術(shù)先進的模塊組成，保證在一定時期內(nèi)不會過時，并能夠在未來3-5年中與相關(guān)的主流系統(tǒng)配合使用。

4）易用性原則。相關(guān)功能應(yīng)能集中在一個平臺中予以實現(xiàn)，平臺操作功能及界面應(yīng)盡量簡潔、實用。

5）集成性與可擴展性原則。應(yīng)考慮與CAD及CAE系統(tǒng)數(shù)據(jù)的繼承性與兼容性，保證整體信息化體系的良性運轉(zhuǎn)。

2 平臺硬件環(huán)境

在硬件環(huán)境的規(guī)劃中，固定式沉浸環(huán)境、各桌面工作站等均可通過網(wǎng)絡(luò)進行連接，且可與服務(wù)器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

固定式沉浸環(huán)境所采用的硬件主要包括：圖形生成系統(tǒng)、投影顯示系統(tǒng)、定位跟蹤系統(tǒng)和虛擬外設(shè)裝置。圖形生成系統(tǒng)采用圖形工作站集群，其中1臺作為主節(jié)點，所有軟件在集群或單節(jié)點服務(wù)器中運行；投影顯示系統(tǒng)由立體投影機構(gòu)成，提供三維沉浸感可視化環(huán)境；定位跟蹤系統(tǒng)包含位置跟蹤器、人體捕捉、手執(zhí)式交互設(shè)備、數(shù)據(jù)手套等。

CAVE是典型的固定式沉浸環(huán)境，由3個面或以上的硬質(zhì)背投影墻組成高度沉浸的虛擬演示環(huán)境，配合三維跟蹤器，用戶可以近距離接觸虛擬三維物體或者漫游虛擬環(huán)境，其特點是分辨率高、沉浸感強、交互性好。結(jié)合頭盔顯示器和單通道PowerWall激光投影顯示的固定式沉浸環(huán)境多用于部門級和科室級，硬件設(shè)備與CAVE類似，投影只需單通道或雙通道即可，演示效果較弱，但其他應(yīng)用功能足以滿足工作需求，且更為靈活和便捷。

除上述沉浸式硬件環(huán)境的建設(shè)外，通過對已有硬件資源的利用與整合可實現(xiàn)其他應(yīng)用，如對于數(shù)據(jù)資源庫的建設(shè)工作，需要有配套的硬件服務(wù)器設(shè)備支持，一般可與沉浸式系統(tǒng)中的主控計算機共用。

3 平臺軟件系統(tǒng)

虛擬維修仿真平臺通過軟件系統(tǒng)的各模塊協(xié)調(diào)配合，實現(xiàn)各項具體應(yīng)用功能。底層支撐平臺除了提供底層支撐服務(wù)，同時也是各軟件功能模塊及數(shù)據(jù)資源庫等進行數(shù)據(jù)信息交換的橋梁。平臺所有應(yīng)用在軟件系統(tǒng)中予以實現(xiàn)，同時可連接數(shù)據(jù)資源庫獲得各類模型資源的按需獲取。

底層支撐平臺作為軟件系統(tǒng)運行的基本模塊，提供圖形用戶界面以及對各運行硬件平臺的支持，其用途主要體現(xiàn)為：

1）系統(tǒng)資源調(diào)用與管理?？蓪Σ僮飨到y(tǒng)的軟、硬件資源進行調(diào)用和管理，在沉浸式環(huán)境下，除管理主控計算機外，還負(fù)責(zé)對各渲染結(jié)點的從屬集群計算機進行設(shè)置和管理。

2）軟件功能的管理。提供軟件運行基本功能和顯示優(yōu)化功能。

3）數(shù)據(jù)傳遞與管理。能與數(shù)據(jù)資源庫、數(shù)據(jù)發(fā)布模塊等進行數(shù)據(jù)信息交換，配合完成數(shù)據(jù)資源調(diào)用、結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)布等功能。

對于虛擬維修仿真平臺的用戶，幀速率低于每秒12幀時會產(chǎn)生明顯的不舒服感，為了進行平滑仿真，至少需要每秒顯示24到30幀的速率。另外，如果平臺延遲超過100ms，仿真質(zhì)量便會急劇下降，使用戶產(chǎn)生不舒服感。低延遲和快速刷新頻率要求平臺有高性能的CPU和圖形加速能力。

虛擬維修仿真平臺應(yīng)能實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的支撐，同時也需兼顧虛擬維修模型的簡化。簡化的方式分為兩類，一是對裝配體進行多邊形簡化，二是產(chǎn)品的裝配層次重組。前者是從仿真及外形要求上進行幾何簡化，得到初步的虛擬維修樣機幾何模型，后者是從結(jié)構(gòu)上進行精簡，得到最終可用的幾何模型。

數(shù)據(jù)資源庫為系統(tǒng)及應(yīng)用功能模塊提供必要的數(shù)據(jù)資源保障，是基于工程虛擬樣機進行各種實際應(yīng)用的基礎(chǔ)，可通過系統(tǒng)底層支撐平臺實現(xiàn)對各類模型的調(diào)用與管理。根據(jù)具體需求不同，數(shù)據(jù)資源庫包括標(biāo)準(zhǔn)工具庫、工裝庫、人體模型庫、維修場景庫等。

在虛擬維修仿真平臺中，維修仿真及模型管理需要通過各種接口進行數(shù)據(jù)的收集、管理和控制，并開展維修性分析和評價。根據(jù)實現(xiàn)功能的不同，仿真接口可分為：仿真控制接口、維修程序接口、場景管理接口、虛擬樣機導(dǎo)入接口、數(shù)據(jù)采集接口等。

4 平臺主要功能

物理仿真模塊是虛擬維修仿真平臺的物理仿真引擎，其主要功能有：

1）動態(tài)干涉檢查?；趲缀蔚倪吔缢惴烧鎸嵉膶δＰ徒换ミ^程中的動態(tài)干涉進行仿真。

2）模型行為約束。支持對模型的行為進行約束，使部件擁有更復(fù)雜的行為，以獲得更真實的虛擬樣機。

3）機構(gòu)運動學(xué)?？蓪崿F(xiàn)對大型工裝工具的虛擬驗證。

人機工程模塊是虛擬維修仿真平臺最重要的模塊，用戶可選擇數(shù)據(jù)庫中滿足正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)的人體模型，也可定制實際情況需要的人體模型，能可視化顯示交互過程中的人機工效因素，支持人體模型運動仿真，支持沉浸式環(huán)境下的維修性分析、驗證。主要用途有：

1）可視性和可達(dá)性分析。虛擬人具有接近真實的骨骼數(shù)量，可通過交互設(shè)備對骨骼進行操作。可分別顯示虛擬人左、右手的可達(dá)范圍半球，以及虛擬人左、右眼的視錐。

2）舒適性分析。采用通用的人體舒適性標(biāo)準(zhǔn)，能以可視化的顏色等方式顯示虛擬人關(guān)節(jié)的舒適性信息。當(dāng)關(guān)節(jié)顯示為紅色時，表示維修人員在該操作姿態(tài)下舒適性較差。

5 總結(jié)和展望

虛擬維修仿真平臺是基于虛擬現(xiàn)實的產(chǎn)品維修仿真應(yīng)用，與總體和系統(tǒng)設(shè)計等密切關(guān)聯(lián)，通過設(shè)計信息共享實現(xiàn)并行的一體化設(shè)計。

虛擬維修仿真平臺未來的主要技術(shù)發(fā)展包括維修任務(wù)建模與規(guī)劃技術(shù)、虛擬維修仿真技術(shù)和維修性分析評價技術(shù)等。

[責(zé)任編輯：朱麗娜]