一種面向虛擬維修訓(xùn)練的拆裝序列描述方法*

朱國濤，付戰(zhàn)平，田 濤

(海軍航空工程學(xué)院青島分院，山東 青島 266041)

虛擬維修訓(xùn)練以其安全、經(jīng)濟、高效、可控、不受氣候條件和場地空間限制的特點，以及既能進行常規(guī)操作訓(xùn)練、又能訓(xùn)練人員處理各種事故(包括災(zāi)難性事故)的應(yīng)變能力以及高效率、高效益等獨特優(yōu)勢，得到了廣發(fā)應(yīng)用和發(fā)展［1，2］。

機電產(chǎn)品的維修是按照產(chǎn)品維護規(guī)程的要求進行的，產(chǎn)品維護規(guī)程和拆卸安裝序列的描述是開發(fā)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的重要工作之一。所謂拆卸安裝序列就是產(chǎn)品在拆卸或安裝時產(chǎn)生的不同拆卸順序［3］，對于一個產(chǎn)品，按照零件的排列組合，可能的拆卸安裝序列有幾個、幾十個乃至上百個。目前，國內(nèi)外研究的虛擬拆裝信息的表達技術(shù)目前有如下幾種:基于圖形的表示方法，如有向圖、無向圖及網(wǎng)絡(luò)圖等;基于與或圖的表示方法;基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的方法;面向?qū)ο蟮姆椒ǖ龋?-5］。

1 虛擬維修訓(xùn)練對拆裝序列描述的要求

大型復(fù)雜機電產(chǎn)品的配套維修手冊詳細規(guī)定了維修人員在進行產(chǎn)品維修保障時的工作內(nèi)容、步驟和要求，機電產(chǎn)品的維修手冊通常將產(chǎn)品維修步驟按照章節(jié)目錄的形式組織到一起，這是一種典型的樹形結(jié)構(gòu)。在進行產(chǎn)品的維修保障時，維修人員通常都按照維修手冊規(guī)定的內(nèi)容、步驟和要求進行操作。

如果在產(chǎn)品維修過程中嚴(yán)格按照維修手冊的章節(jié)順序進行操作，那么形成拆卸安裝序列就是一種固定的順序結(jié)構(gòu)。但實際上，維修手冊中的許多操作步驟是可以并行進行的。尤其在大型復(fù)雜機電產(chǎn)品的維修保障過程中，通常由多個維修人員按分工并行操作以完成整個維修過程。因此在虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)中，產(chǎn)品的拆卸和安裝的約束關(guān)系不能僅僅用維修手冊的樹型順序結(jié)構(gòu)來描述，而必須采用能夠體現(xiàn)產(chǎn)品維修并行操作特征的方法來描述。

虛擬維修過程中另一個不可避免的問題是如何對裝備及其附屬設(shè)備進行操作，這部分工作屬于虛擬裝配的研究內(nèi)容。在虛擬維修訓(xùn)練中則不需要考慮這些問題，虛擬維修訓(xùn)練的目的是實現(xiàn)對維修人員的培訓(xùn)，拆卸和安裝都是它的一個中間階段，因此，在虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)中，可以采用較為簡單的方法來描述拆卸安裝序列。

2 維護規(guī)程的內(nèi)容特點分析

本文是以某型減速器進行拆卸的維護規(guī)程為例，為說明問題，對實際維護手冊中的規(guī)程進行了簡化處理。分析此維護規(guī)程的內(nèi)容，可以發(fā)現(xiàn)維護規(guī)程以樹型結(jié)構(gòu)表示的規(guī)程條目內(nèi)容具有如下特點。

1)維修工作是由一系列維修動作組合而成的，維修手冊將描述這些維修動作的條目按照樹型結(jié)構(gòu)組織到一起。在該結(jié)構(gòu)中，每個葉子節(jié)點都對應(yīng)維修過程中的一個維修動作，而枝干節(jié)點不對應(yīng)任何實際的維修動作，只是用于合理地劃分和組織維修動作。

2)在維修手冊中，各節(jié)點所表述的維修動作的約束關(guān)系是發(fā)生在兄弟節(jié)點之間的，在不同等級的節(jié)點之間沒有直接的約束關(guān)系。

3)完成具有子節(jié)點的條目所描述的動作的充要條件是其所包含的所有子節(jié)點對應(yīng)的動作均已完成。

4)維護規(guī)程中某些條目之間沒有拆卸安裝和先后順序要求，可以并行進行。

3 維護規(guī)程控件的設(shè)計

3.1 控件的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)

面向虛擬維修訓(xùn)練的產(chǎn)品維修規(guī)程和拆卸安裝序列描述首先要解決產(chǎn)品維護規(guī)程的可視化問題。由于產(chǎn)品維護規(guī)程整體上是一個樹形結(jié)構(gòu)。因此可以采用圖1所示的描述方法:維護規(guī)程的每個節(jié)點都具有一個唯一的ID，字節(jié)點的parent字段存儲著其枝干節(jié)點的ID，同時維護規(guī)程的每個節(jié)點都具有以下幾個指針:指向父節(jié)點的指針pFather、指向下一個兄弟節(jié)點的指針pBrother和指向第一個子節(jié)點的指針pChild。那么依照節(jié)點之間的指針關(guān)系，就可以構(gòu)造出整個維護規(guī)程的樹形結(jié)構(gòu)。

該樹形結(jié)構(gòu)并沒有對節(jié)點之間的拆卸約束關(guān)系做任何描述，維護規(guī)程控件對拆卸安裝序列的描述采用有向圖方法。有向圖方法以圖的節(jié)點表示拆卸安裝操作的一個工步，以節(jié)點之間帶箭頭的連線表示各工步之間的約束關(guān)系，這種方法直觀地顯示了拆卸或安裝的先后順序，因此非常適合虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)。

圖1 操作維護規(guī)程的樹型結(jié)構(gòu)示例

為了實現(xiàn)有向圖的結(jié)構(gòu)，編程時，除描述節(jié)點的樹型結(jié)構(gòu)的字段外，每個節(jié)點都有一個前序節(jié)點序列和一個后續(xù)節(jié)點序列。其中前序節(jié)點是指在進行該節(jié)點操作時，必須先完成的節(jié)點操作，前序節(jié)點序列保存了所有的前序節(jié)點的ID。后續(xù)節(jié)點指的是必須在該節(jié)點操作完成后才能進行操作的節(jié)點，后續(xù)節(jié)點序列保存了所有后續(xù)節(jié)點的ID。

圖2 操作維護規(guī)程的有向圖結(jié)構(gòu)示例

圖2所示為某型減速器維護規(guī)程的有向圖結(jié)構(gòu)，圖中的每個節(jié)點，都存在一個保存節(jié)點間操作先后順序的依賴節(jié)點序列和后續(xù)節(jié)點序列，例如步驟2.1存在一個ID為6的后續(xù)節(jié)點(即步驟2.2)，這樣在步驟2.1和2.2中就構(gòu)成了操作的先后順序。在程序中就可以根據(jù)節(jié)點ID、前序節(jié)點序列和后續(xù)節(jié)點序列將原本為樹型結(jié)構(gòu)的操作維護規(guī)程組織成如圖2所示的樹型-有向圖混合結(jié)構(gòu)。

3.2 控件的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)

XML是擴展標(biāo)記語言extensible makeup language的縮寫，是通用標(biāo)記語言SGML的一個子集。XML文檔由XML元素組成，XML元素以樹型結(jié)構(gòu)存儲，包含開始標(biāo)簽和結(jié)束標(biāo)簽，標(biāo)簽之間的信息成為元素的內(nèi)容。XML的最大特點是:其標(biāo)簽并非事先定義好的，而是提供了一個標(biāo)準(zhǔn)，利用這個標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以根據(jù)實際需求定義一套自己特有的標(biāo)簽［7］。

考慮到XML可擴展的優(yōu)點和維護規(guī)程描述的實際需求，可以用XML來描述維護規(guī)程的內(nèi)容及其各節(jié)點之間的約束關(guān)系，并將其以文件的形式存儲在磁盤上，在程序運行時由維護規(guī)程控件從磁盤加載并顯示。下面以某產(chǎn)品維護規(guī)程文件的部分內(nèi)容來說明規(guī)程文件的格式定義。

在上述維護規(guī)程文件中，每個node字段對應(yīng)產(chǎn)品維護規(guī)程和拆卸安裝序列中的一個節(jié)點，每個節(jié)點都有一個id屬性和parent屬性，其中id屬性記錄了節(jié)點的ID，是全局唯一的。parent屬性表明了此節(jié)點的父節(jié)點，如果parent屬性為0，表明該節(jié)點是一個根節(jié)點。在name、text字段中分別記錄了節(jié)點的章節(jié)序號和文本內(nèi)容等。prev和next字段分別記錄了節(jié)點的前序節(jié)點序列和后續(xù)節(jié)點序列，序列中的多個ID以逗號隔開。

3.3 控件的約束解算流程

維護規(guī)程控件的約束解算是指在某個規(guī)程條目所表示的維修動作完成以后，將此規(guī)程條目狀態(tài)改變?yōu)橐淹瓿?，并根?jù)節(jié)點間的約束關(guān)系對相關(guān)聯(lián)的節(jié)點條目的狀態(tài)變化進行處理。操作規(guī)程控件的約束解算主要由兩個成員函數(shù)完成，分別是stepComplete和stepEnable。其中stepComplete是在規(guī)程條目所表示的維修動作完成時由虛擬維修程序框架調(diào)用。

stepComplete和stepEnable的程序流程分別如圖3中(a)和(b)所示。

圖3 邏輯解析的流程圖

stepComplete的調(diào)用將使得維護規(guī)程控件可以進行約束解算，其流程為:首先根據(jù)函數(shù)傳入的節(jié)點ID找到節(jié)點，然后判斷節(jié)點的狀態(tài)，如果節(jié)點狀態(tài)為可以執(zhí)行狀態(tài)，則將節(jié)點狀態(tài)改變?yōu)閳?zhí)行完畢狀態(tài)。然后根據(jù)此節(jié)點的后續(xù)節(jié)點序列遍歷所有后續(xù)節(jié)點，對每一個后續(xù)節(jié)點執(zhí)行一次stepEnable。最后，依據(jù)pFather指針得到父節(jié)點，并遍歷父節(jié)點的所有子節(jié)點。如果所有子節(jié)點的狀態(tài)均為已完成，則對父節(jié)點遞歸執(zhí)行stepCompelete。

stepEnable用于相關(guān)聯(lián)的規(guī)程條目的解鎖。它根據(jù)傳入的節(jié)點ID找到節(jié)點并遍歷其前序節(jié)點序列，如果所有的前序節(jié)點均為已完成狀態(tài)，則將節(jié)點狀態(tài)置為可以進行狀態(tài)，如果當(dāng)前節(jié)點擁有子節(jié)點，遍歷其子節(jié)點。如果某個子節(jié)點的前序節(jié)點序列為空，則將其子節(jié)點狀態(tài)改變?yōu)榭蓤?zhí)行。

4 結(jié)束語

本文使用Visual C++7.1/MFC編寫由CWnd類派生的維護規(guī)程控件CRuleWnd，維護規(guī)程控件的實現(xiàn)效果如圖4所示。它提供了兩種顯示方式:按照規(guī)程組織的樹型結(jié)構(gòu)和按照約束組織的有向圖結(jié)構(gòu)。圖中不同背景顏色的節(jié)點代表不同的操作狀態(tài)。節(jié)點共有三種狀態(tài):完成狀態(tài)(表示該節(jié)點對應(yīng)的操作已經(jīng)完成)，可以進行狀態(tài)(表示該節(jié)點對應(yīng)的操作可以進行，但還沒有完成)，不能進行狀態(tài)(表示該節(jié)點由于約束關(guān)系還不能進行操作)。系統(tǒng)同時提供了規(guī)程編輯器以解決維護規(guī)程文件的可視化編輯問題，其界面如圖5所示。

圖4 維護規(guī)程控件的兩種顯示方式

圖5 維護規(guī)程的可視化編輯工具

上述實踐表明，針對虛擬維修訓(xùn)練對產(chǎn)品維護規(guī)程的要求和產(chǎn)品維護規(guī)程的特點，通過樹型-有向圖混合結(jié)構(gòu)的方法來統(tǒng)一的描述產(chǎn)品維護規(guī)程和拆卸安裝序列，可以有效解決虛擬維修訓(xùn)練中產(chǎn)品維護規(guī)程的同步直觀顯示、拆卸安裝序列的約束解算等問題。

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