虛擬維修技術(shù)研究與應(yīng)用

周 棟 霍 琳 王美慧 毛德耀

(北京航空航天大學(xué) 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室,北京 100191)

虛擬維修技術(shù)研究與應(yīng)用

周 棟 霍 琳 王美慧 毛德耀

(北京航空航天大學(xué) 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室,北京 100191)

針對虛擬維修在建模與仿真等核心環(huán)節(jié)的研究中存有很大局限的問題,提出了虛擬維修方法體系,探討虛擬維修理論與方法,在此基礎(chǔ)上開展虛擬維修模型與仿真控制方法的深入研究.提出虛擬維修模型即維修任務(wù)網(wǎng)(MTN,Maintenance Task Net),MTN基于Petri網(wǎng)可描述維修過程,可表達維修過程中資源、活動和約束.提出 MTN驅(qū)動虛擬仿真的觸發(fā)規(guī)則及建立控制虛擬維修仿真機制.通過飛機典型設(shè)備維修案例對提出的虛擬維修模型和控制機制進行了實例驗證,應(yīng)用結(jié)果驗證了建模與仿真方法的有效性,為支持維修性工程應(yīng)用提供了可行的技術(shù)途徑.

維修性;虛擬維修;模型;仿真;控制

傳統(tǒng)的維修性設(shè)計與分析工作中存在著一些問題,許多工作項目需要通過設(shè)計人員在實物樣機或原型機上模擬真實產(chǎn)品的維修過程來進行.由于這種對實物樣機的需求,導(dǎo)致了工作開展時間一般比較滯后.同理,維修規(guī)程制訂、維修訓(xùn)練等工作內(nèi)容的開展時間會更晚一些,可能要等到產(chǎn)品定型之后或使用階段初期.因此,這種傳統(tǒng)的“串行”設(shè)計方式不能盡早地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計中存在的問題.有些維修相關(guān)的問題甚至要等到產(chǎn)品投入使用之后才暴露出來.這樣,由于此時設(shè)計工作已接近尾聲,很難再對產(chǎn)品進行改進.

虛擬維修技術(shù)改變傳統(tǒng)維修性設(shè)計依賴實物樣機造成周期長、費用高、更改困難的缺陷與不足,也滿足產(chǎn)品研制時間性和經(jīng)濟性需求.將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入維修性工程領(lǐng)域突破了傳統(tǒng)維修性設(shè)計在時空上的局限.虛擬維修技術(shù)可在產(chǎn)品設(shè)計早期,具有數(shù)字樣機的研制階段就可以將維修性設(shè)計同產(chǎn)品性能設(shè)計并行開展,顯著地提高了產(chǎn)品設(shè)計“一次成功率”;借助虛擬環(huán)境可開展維修任務(wù)的仿真,維修過程規(guī)劃、維修訓(xùn)練等工作,則將傳統(tǒng)的“設(shè)計空間”提升到了“試驗空間”,豐富了設(shè)計手段.虛擬維修仿真的這些特點以及技術(shù)上日漸可行,使得其愈來愈成為維修性工程設(shè)計中的先進技術(shù)手段.

1 虛擬維修概念與內(nèi)涵

1.1 相關(guān)概念分析

對于虛擬維修目前沒有統(tǒng)一和標準的定義,只是不同學(xué)者從不同角度對虛擬維修內(nèi)涵進行探討,給出定義[1-3].相關(guān)文獻分析可以看出,Kimura給出虛擬維修的定義強調(diào)虛擬維修作為一種計算機輔助工具的應(yīng)用方向;軍械工程學(xué)院則著眼于虛擬維修的本質(zhì)內(nèi)容;Lockheed Martin公司對虛擬維修的定義著重強調(diào)環(huán)境.

總結(jié)上述虛擬維修相關(guān)概念研究,對虛擬維修與虛擬樣機、虛擬制造及虛擬裝配相比較,可以看出,虛擬樣機是虛擬維修、虛擬制造和虛擬裝配開展虛擬仿真的數(shù)字化模型基礎(chǔ),沒有了虛擬樣機就無從開展這三項工作.虛擬維修與虛擬裝配、虛擬制造相比較,在涉及分析內(nèi)容上有差別.虛擬裝配解決的是進行或者輔助進行產(chǎn)品裝配相關(guān)的工程決策,解決的是裝配過程尺寸、公差等問題;虛擬維修過程包含產(chǎn)品裝配過程,但側(cè)重點在產(chǎn)品維修性設(shè)計及維修過程規(guī)劃,虛擬維修解決的是加入維修人員后涉及的可達、可視、操作空間、人素等維修性定性問題和維修時間等維修性定量問題以及維修過程規(guī)劃等分析;虛擬制造面向的是產(chǎn)品設(shè)計和制造階段的制造領(lǐng)域問題,其內(nèi)涵很豐富,包含虛擬裝配的研究內(nèi)容;虛擬維修面向的是產(chǎn)品維修性設(shè)計分析和使用維修問題,維修過程中的主體是人,所以與虛擬制造相比,虛擬維修更加強調(diào)人機工效學(xué),維修人素要求也是維修性設(shè)計的一個準則,這一點上虛擬維修更多的是從人機功效學(xué)領(lǐng)域去考慮.

1.2 定義及內(nèi)涵

目前,國內(nèi)外學(xué)者們對虛擬維修的研究和應(yīng)用多集中于針對具體維修操作仿真,如對拆卸、裝配、維修動作庫、人員行為等方面進行虛擬仿真研究,取得了很多成果.但是缺乏從宏觀層次對產(chǎn)品的維修性設(shè)計進行全過程、全系統(tǒng)的研究,缺乏從微觀層次對產(chǎn)品虛擬維修過程的仿真調(diào)度與控制研究.如果在這些分散研究成果基礎(chǔ)上,將宏觀研究與微觀研究很好結(jié)合起來,將使虛擬維修在產(chǎn)品設(shè)計和維修性設(shè)計中發(fā)揮積極作用,并促進其理論的進一步發(fā)展和應(yīng)用.因此,本文提出的虛擬維修定義如下:

虛擬維修是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對物理世界形象、直觀的表達能力,在計算機生成的虛擬環(huán)境中,進行維修工程和維修性工程活動.通過對產(chǎn)品壽命周期中的維修性設(shè)計活動和維修過程進行統(tǒng)一建模,實時、并行地模擬出產(chǎn)品未來維修的全過程,突出對維修仿真過程的調(diào)度、控制、決策能力及其對產(chǎn)品設(shè)計的影響,預(yù)測產(chǎn)品維修性設(shè)計特性并優(yōu)化產(chǎn)品維修方案,支持全過程、全系統(tǒng)的維修性設(shè)計評價、資源規(guī)劃和維修規(guī)劃決策.

從提出的虛擬維修定義可以看出,該定義著重于在產(chǎn)品設(shè)計階段或使用階段如何通過虛擬化方式來促進產(chǎn)品維修性設(shè)計和分析工作.它是以“虛擬仿真”為手段,以預(yù)測產(chǎn)品維修性設(shè)計特性,進而獲得產(chǎn)品“最優(yōu)”維修性特性為設(shè)計目標的一種方法.虛擬維修其內(nèi)涵具有并行化、虛擬化、預(yù)測化和優(yōu)化等特點.

1)并行化.并行化是指虛擬維修解決了兩個方面的并行.一是產(chǎn)品壽命周期中維修性工程活動的并行,在早期設(shè)計階段采用虛擬維修方式就能考慮后續(xù)使用維護階段的需求;二是維修性設(shè)計與產(chǎn)品性能設(shè)計及其它質(zhì)量特性的并行設(shè)計.

2)虛擬化.虛擬化是指虛擬維修設(shè)計過程是三維的[4]、交互的,甚至是沉浸的[5].

3)預(yù)測化.預(yù)測化也稱可檢驗化,是指基于虛擬維修,在產(chǎn)品被制造出之前,可以對產(chǎn)品的可達性、可視性、可裝配性、故障檢測[6]和維修過程進行預(yù)測和檢驗,及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的缺陷和錯誤.

4)優(yōu)化.優(yōu)化是指采用虛擬維修方式,基于虛擬維修建模、仿真調(diào)度策略和綜合分析并通過虛擬仿真對多種維修性設(shè)計方案、多種設(shè)計參數(shù)進行分析比較,從中選出最優(yōu)方案或參數(shù).

1.3 方法體系

在以上探討虛擬維修定義與內(nèi)涵的基礎(chǔ)上,結(jié)合目前出現(xiàn)的虛擬維修新概念、新模式和新思想,提出了虛擬維修方法體系,如圖 1所示.

圖1 虛擬維修方法體系

這是一個開放式架構(gòu)體系.裝備研制系統(tǒng)的維修過程是個復(fù)雜的問題,解決這類問題,基于系統(tǒng)工程方法、開展綜合集成是一種有效和可行的解決方案.各方法將在后續(xù)章節(jié)論述.

2 虛擬維修并行設(shè)計過程

如何在設(shè)計階段使產(chǎn)品維修性和產(chǎn)品性能設(shè)計并行開展,進行一體化設(shè)計一直是維修性工程領(lǐng)域研究熱點之一,虛擬維修因其可在設(shè)計階段基于產(chǎn)品數(shù)字樣機、通過形象直觀的維修過程演示進行維修性設(shè)計分析,因此為解決上述問題提供了一個有效的方式和手段,本文結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計一般過程建立虛擬維修綜合設(shè)計過程,并與維修性設(shè)計過程進行關(guān)聯(lián).

如圖 2所示,在產(chǎn)品概念設(shè)計階段,進行產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)及零部件優(yōu)化設(shè)計[7],建立產(chǎn)品 CAD(Computer Aided Design)數(shù)據(jù)的同時就可并行開展虛擬維修方案設(shè)計,將上述相關(guān) CAD數(shù)據(jù)及信息導(dǎo)入到虛擬環(huán)境中可進行虛擬維修總體布局、空間設(shè)計、LRU(Line Replaceable Unit)規(guī)劃和初步建立虛擬維修模型進行維修規(guī)劃.

隨著產(chǎn)品設(shè)計的深入,產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)和零部件、產(chǎn)品 CAD以及產(chǎn)品工藝和工裝設(shè)計信息的豐富,依據(jù)產(chǎn)品 CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換來的虛擬樣機和CAPP(Computer-Aided Process Planning)數(shù)據(jù)可進行虛擬維修過程建模,基于虛擬維修模型進行仿真調(diào)度和控制,優(yōu)化維修規(guī)劃方案和維修保障資源.同時在虛擬環(huán)境中可進行產(chǎn)品可達性、可視性及可操作性等維修性設(shè)計因素檢驗,進行產(chǎn)品維修性核查,基于虛擬仿真過程進行維修時間預(yù)計.虛擬維修的優(yōu)勢還在于當發(fā)現(xiàn)維修性設(shè)計問題后可迅速反饋給產(chǎn)品設(shè)計部門,對修改后的數(shù)據(jù)和信息重新建立虛擬維修模型,通過虛擬維修仿真調(diào)度與控制進行維修性分配、預(yù)計、維修性核查和維修保障資源分析.此過程往往不是一次可以完成的,要進行多次迭代、逐次逼近最優(yōu)的設(shè)計方案.而當產(chǎn)品進入生產(chǎn)使用階段,隨著生產(chǎn)制造信息和用戶反饋信息的加入,可快速依賴虛擬維修模型和仿真過程的調(diào)度與控制進行維修性設(shè)計驗證,優(yōu)化維修性設(shè)計方案.因此,虛擬維修綜合設(shè)計過程可有效使產(chǎn)品維修性設(shè)計與性能設(shè)計并行展開,互相反饋,相互作用.

圖2 虛擬維修并行設(shè)計過程

3 虛擬維修模型與控制機制

維修任務(wù)的執(zhí)行需要多個工序,包括檢測、裝配與拆卸等.整個的維修任務(wù),是由這些工序所組成的一個“過程”,每個工序可視為過程中的“組成活動”.另一方面,考慮到每個工序的具體實現(xiàn),也同樣是由一步步的組成動作連貫執(zhí)行的.所以,無論從相對抽象的維修任務(wù)描述來看,還是考慮底層的維修動作仿真,都具有“過程性”這一特征[1].

當前比較廣泛應(yīng)用的過程建模方法包括IDEF3、UML、PERT圖以及 Petri網(wǎng)等[3-6].這些技術(shù)相對于場景仿真的具體實現(xiàn)而言,比較適用于描述高層的、相對抽象的過程信息.但是,目前還缺乏將抽象的維修任務(wù)描述與底層維修活動仿真相結(jié)合的研究.基于上述的問題,本文研究開發(fā)了維修任務(wù)(MTN,Maintenance Task Net),MTN基于 Petri網(wǎng),采用圖形化建模,能夠描述高層的抽象維修任務(wù),同時也能驅(qū)動控制虛擬場景進行仿真.

3.1 MTN建模設(shè)計

狀態(tài)、維修活動以及約束條件(弧)是維修仿真模型中的核心內(nèi)容,本節(jié)將分別從這三個方面討論 MTN的具體表達.MTN基于圖形化的網(wǎng)絡(luò)模型進行構(gòu)建,如圖 3所示.

圖3 MTN圖形化建模

1)狀態(tài).對維修任務(wù)中涉及的資源、對象進行了描述;采用一些運行標識(如是否資源可以利用、開始、正常結(jié)束、異常結(jié)束等狀態(tài)).目前考慮的屬性有名稱、人員、工具、設(shè)備和運行標志.可根據(jù)需要不斷擴充.

從作為資源的角度來看,狀態(tài)具有兩種基本態(tài) :“空閑”態(tài)與“忙”態(tài).因此 ,可以通過判斷在狀態(tài)中有無對應(yīng)的“空閑”或“忙”標志(token)來判斷資源的可用或不可用,如圖 4a所示.

也可以采用建立全局的“資源”庫的方法來描述資源問題如圖 4b所示,若此狀態(tài)中存在所需要的標志,則表示相應(yīng)的資源可用;若此狀態(tài)中沒有該標志,則表明沒有所需的資源,相應(yīng)的維修工作無法開展.一般來說,圖 4b方法的模型簡單一些,但在刻畫行為的細節(jié)程度上不如圖 4a方法.因此,可以根據(jù)具體的研究問題需要進行方法選擇.

2)活動.表示維修任務(wù)中要進行的操作行為.具體說,活動所需要的工具、人員均能夠從狀態(tài)中獲得,則活動處于可觸發(fā)狀態(tài).活動所需資源的具體信息,一般通過指向活動的約束條件標明.

在研究維修過程內(nèi)容時,時間是必須要考慮的參數(shù),許多維修性、保障性分析設(shè)計的定量指標都是用時間值來描述的,如平均修復(fù)時間(MTTR,Mean Time To Repair)、后勤延誤時間等.在研究維修問題時,MTN的活動表示一項維修操作,此時要求活動具有表達持續(xù)時間的能力.而狀態(tài)在有些情況下會“消耗”時間,例如“等待”狀態(tài).這種情況既可認為是活動觸發(fā)條件不滿足而產(chǎn)生的維持等待時間,也可以看作是維修中某種狀態(tài)的明確要求持續(xù)時間.

圖4 資源描述

因此,為了便于建模與分析,本文對 MTN引入時鐘與時間屬性的概念.對于時鐘,作如下約定:①網(wǎng)絡(luò)模型的整個過程執(zhí)行有一個全局時鐘監(jiān)控.②全局時鐘的起始時刻對應(yīng)著第一個活動可觸發(fā)的時刻.③全局時鐘的結(jié)束時刻對應(yīng)著最后一個活動的結(jié)束時刻.

同時,在維修工作描述中,活動與狀態(tài)都可能與時間相關(guān),因此本文采用“混合”方式,即同時對狀態(tài)與活動關(guān)聯(lián)時間屬性.

3)約束條件.表示維修活動與資源間的約束關(guān)系.某項維修操作是否可以執(zhí)行,不但受維修保障資源制約,而且還與維修工作自身的特點密切相關(guān).例如,拆卸某 LRU時,必須要等到所有與該LRU相連接的電纜被斷開后才能執(zhí)行.這種關(guān)系可表示如圖 5a所示.

圖5a中說明,即使維修保障資源滿足要求,維修操作 a也必須要等待維修操作 b完成之后方可執(zhí)行.這種約束,可以看作是一種維修操作之間的時序約束.此外,還存在另一種時間約束,例如,在涂完膠水后,必須等待膠水凝固后方可進行下一步操作,如圖 5b所示的情況.

總之,對于這些約束,均可以通過建立狀態(tài)與活動的指入弧與指出弧以及配置相應(yīng)的標識來進行描述.

圖5 約束條件建模

3.2 MTN控制機制

MTN驅(qū)動虛擬場景顯示系統(tǒng)進行維修任務(wù)過程仿真中核心的部分是 MTN的觸發(fā)規(guī)則,規(guī)則概述如下:仿真的開始總是由狀態(tài)指向活動.對活動來說,只要滿足其所有指入弧的條件,則活動激活,調(diào)用其行為函數(shù),觀測行為函數(shù)的返回值,決定是否活動結(jié)束.如果條件判定活動結(jié)束,則活動運行狀態(tài)改變,完成一次活動觸發(fā),同時狀態(tài)屬性值從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個狀態(tài),開始新的活動觸發(fā)判斷.當循環(huán)中再無活動可觸發(fā),仿真結(jié)束!其觸發(fā)流程如圖 6所示.

圖6 MTN觸發(fā)流程

4 虛擬維修技術(shù)應(yīng)用

應(yīng)用實例為某型號飛機飛參記錄儀拆卸任務(wù)作為維修任務(wù)仿真過程.根據(jù)維修資源、維修工具、維修人員和維修工序利用 MTN描述上述維修任務(wù).MTN建模如圖 7所示.

圖7 利用 MTN建立的維修任務(wù)網(wǎng)絡(luò)圖

在使用 MTN驅(qū)動虛擬環(huán)境 Jack開始進行虛擬仿真前,首先要導(dǎo)入虛擬場景包括虛擬人、虛擬樣機和各種設(shè)備等.同時啟動 Jack端的底層監(jiān)聽服務(wù),等待 MTN發(fā)出的連接信號,當 MTN與 Jack建立了通訊連接關(guān)系后,Jack端收到仿真指令就開始進行虛擬仿真.如圖 8a所示,當活動顏色為綠色時,表示活動處于運行態(tài).在虛擬仿真過程中要進行分析評價時,就需要對仿真過程進行控制管理,例如通過 MTN暫停當前仿真場景,回到虛擬場景中仔細觀察,同時可以借助一些分析處理工具做準確的測量或計算,最后評價人員給出合理的評價,如圖 8b所示,當活動顏色為深色時,表示活動處于暫停態(tài).

圖8 MTN驅(qū)動控制 Jack虛擬環(huán)境進行維修過程仿真

本實例通過對某型號飛機飛參記錄儀拆卸過程進行虛擬仿真,很好地驗證 MTN的設(shè)計,包括:MTN建模,MTN驅(qū)動虛擬仿真以及 MTN控制仿真過程.該實例證實了 MTN良好的應(yīng)用效果.

5 結(jié)束語

虛擬維修產(chǎn)生自虛擬現(xiàn)實技術(shù)與維修性工程專業(yè)領(lǐng)域的緊密結(jié)合,目前已成為一種先進的維修性設(shè)計與分析技術(shù).虛擬維修著重于在產(chǎn)品設(shè)計階段或使用階段如何通過虛擬化方式來促進產(chǎn)品維修性設(shè)計和分析工作.它是以“虛擬仿真”為手段,以預(yù)測產(chǎn)品維修性設(shè)計特性,進而獲得產(chǎn)品“最優(yōu)”維修性特性為設(shè)計目標的一種方法.虛擬維修具有并行化、虛擬化、預(yù)測化和優(yōu)化等特點,作為一種可操作的并行工程技術(shù),虛擬維修綜合設(shè)計過程可有效使產(chǎn)品維修性設(shè)計與性能設(shè)計并行展開,互相反饋,相互作用.結(jié)合維修性工程應(yīng)用實際,基于過程模型的建模方法,建立了維修任務(wù)仿真管理模型 MTN.MTN一方面可以描述表達上層的維修任務(wù)方案,另一方面可以驅(qū)動虛擬場景進行維修仿真和控制.論文也從實際運行角度出發(fā),采用網(wǎng)絡(luò)傳輸方式建立 MTN、虛擬場景顯示系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫之間連接方式,形成一個完整的系統(tǒng),并通過案例應(yīng)用有效驗證了虛擬維修技術(shù)方法的可行性和有效性.

References)

[1]郝建平.虛擬維修仿真理論與技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008 Hao Jianping.Virtual maintenance simulation theory and technique[M].Beijing:National Defence Industry Press,2008(in Chinese)

[2]何劍彬,蘇群星,劉鵬遠.基于過程建模的復(fù)雜裝備虛擬維修訓(xùn)練仿真[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報,2009,21(4):6-14 He Jianbin,Su Qunxing,Liu Pengyuan.Complex equipment virtual maintenance training simulation based on process modeling[J].Journal of Ordnance Engineering College,2009,21(4):6-14(in Chinese)

[3]劉佳,劉毅.虛擬維修技術(shù)發(fā)展綜述[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報,2009,21(11):1520-1534 Liu Jia,Liu Yi.A survey of virtual maintenance technology[J].Journal of Computer Aided Design＆Computer Graphics,2009,21(11):1520-1534(in Chinese)

[4]Marcos Paulo Alves de Sousa,Manoel Ribeiro Filho.Maintenance and operation of a hydroelectric unit of energy in a power system using virtual reality[J].Electrical Power and Energy Systems,2009,11:1-8

[5]Abate A F,Guida M,Leoncini P.A haptic-based approach tovirtual training for aerospace industry[J].Journal of Visual Languages and Computing,2009,20:318-325

[6]Ben Elzendoorna,Marco de Baara,Rene Chavanb.Analysis of the ITER ECH upper port launcher remote maintenance using virtual reality[J].Fusion Engineering and Design,2009,84:733-735

[7]聞邦椿.產(chǎn)品全功能與全性能的綜合設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008 Wen Bangchun.Integrating design of product full function and full performance[M].Beijing:Mechanical Industry Press,2008(in Chinese)

(編 輯 :婁 嘉)

Research and application of virtual maintenance technology

Zhou Dong Huo Lin Wang Meihui Mao Deyao

(State Key Laboratory of Virtual Reality Technology and Systems,Beijing University of Aeronautics and Astronautics,Beijing 100191,China)

The theory of virtual maintenance is not fully studied and researches are deficiency in the field of virtual maintenance modeling and simulation.The methodology architecture of virtual maintenance were discussed and built,and virtual maintenance model and simulation control method were studied.The model of virtual maintenance called maintenance task net(MTN)was presented,and MTN based on Petri net can describe maintenance process and the factors including state,action and condition.In addition,the fire rules and the control mechanism of virtual maintenance simulation which is driven by MTN were presented.A case study of the line replaceable unit(LRU)repair of an aircraft was conducted,and the result confirms the validation and feasibility of all the studies,which can become a new technique means for maintainability engineering.

maintainability;virtual maintenance;model;simulation;control

TB 114.3

A

1001-5965(2011)02-0231-06

2009-12-24

周 棟(1977-),男,陜西咸陽人,講師,zhoudong@buaa.edu.cn.