公路客車DRVVS的設(shè)計及實現(xiàn)

胡海敏，左從菊，王 華，李 琴

（1.防空兵學(xué)院 參謀系，河南 鄭州450052；2.陸軍軍官學(xué)院 仿真系，安徽 合肥230031）

0 引 言

公路客車駕駛區(qū)域設(shè)計過程中，設(shè)計方案的校核過程一直是困擾設(shè)計人員的難題之一。近年來，隨著CAD／CAM／CAE技術(shù)及平臺的發(fā)展［1］，為公路客車駕駛區(qū)域的設(shè)計方案校核提供了新的方法和手段，即虛擬校核。虛擬校核基于計算機仿真環(huán)境所建立的各種數(shù)字化模型，在計算機生成的虛擬環(huán)境中，綜合運用相關(guān)設(shè)計標準、設(shè)計規(guī)則及工程師在實踐中總結(jié)的設(shè)計經(jīng)驗等知識內(nèi)容，對設(shè)計方案進行全面系統(tǒng)地校驗評估，為方案的改進、優(yōu)化提供合理的決策建議，可充分縮短產(chǎn)品最優(yōu)化設(shè)計方案的形成周期。

虛擬校核是虛擬設(shè)計［2］的重要組成部分，在轎車設(shè)計領(lǐng)域得到了充分應(yīng)用和發(fā)展。國外的福特、通用、大眾、雷諾及三菱等世界知名汽車公司，已經(jīng)把產(chǎn)品的虛擬設(shè)計與虛擬校核作為其研發(fā)新產(chǎn)品的重要方法和手段［3］。國內(nèi)汽車領(lǐng)域在虛擬設(shè)計及虛擬校核方面的應(yīng)用研究也取得了一定進展，如車身整體設(shè)計、外觀效果設(shè)計、視野校核評估及動態(tài)仿真分析等方面的研究成果，推動了虛擬設(shè)計與虛擬校核在我國汽車工業(yè)設(shè)計與制造領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展［4－6］。然而，虛擬校核在我國公路客車駕駛區(qū)域設(shè)計領(lǐng)域的研究應(yīng)用仍處于探索階段。因此，結(jié)合公路客車駕駛區(qū)域設(shè)計實踐的需求現(xiàn)狀，對虛擬校核的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用方式進行研究，是當前公路客車駕駛區(qū)域設(shè)計領(lǐng)域研究的重點和熱點內(nèi)容之一［7－8］。

本文基于安徽安凱汽車股份有限公司 （AK公司）公路客車駕駛區(qū)域設(shè)計的實踐需求，借鑒虛擬校核在轎車領(lǐng)域的研究成果，通過對關(guān)鍵技術(shù)問題進行研究，設(shè)計了公路客車駕駛區(qū)域虛擬校核系統(tǒng) （driven region virtual verification system，DRVVS）的體系結(jié)構(gòu)、功能邏輯流程及技術(shù)實現(xiàn)路線，編程實現(xiàn)公路客車DRVVS的原型系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

圍繞公路客車駕駛區(qū)域設(shè)計過程的校核實踐需求，基于通用的CAD平臺系統(tǒng)環(huán)境，設(shè)計了DRVVS的體系結(jié)構(gòu)、功能模塊及邏輯流程，構(gòu)建了通過KBE系統(tǒng)實現(xiàn)知識庫與通用CAD系統(tǒng)集成的融合機制。

1.1 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

公路客車駕駛區(qū)域設(shè)計過程中需要校核的部件及相關(guān)內(nèi)容很多，原型系統(tǒng)重點考慮方向盤、座椅、儀表盲區(qū)、前方視野、后方視野、A柱盲區(qū)等駕駛區(qū)域核心組成部件的虛擬校核。校核過程主要依據(jù)國家針對公路客車所制定的相關(guān)標準，考慮到客車產(chǎn)品面臨的市場競爭及客戶對人性化指標的更高需求，在原型系統(tǒng)所參照的校核標準中引入了美國SAE標準中與駕駛區(qū)域及駕駛員人體設(shè)計校核相關(guān)的內(nèi)容，同時參照了汽車制造領(lǐng)域工程師在實踐中積累的工程經(jīng)驗數(shù)據(jù)及成熟的設(shè)計規(guī)則等內(nèi)容。另外，針對駕駛區(qū)域的人性化校核需求，需引入虛擬人體代替實際駕駛員配合駕駛區(qū)域的校核。綜合以上考慮，公路客車DRVVS的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：用戶界面、集成系統(tǒng)、KBE系統(tǒng)及知識資源。

圖1 DRVVS體系結(jié)構(gòu)

（1）用戶界面：用戶界面主要提供圖形化用戶界面及人機交互操作接口。圖形化用戶界面主要包括用戶登錄DRVVS所需的環(huán)境窗口、數(shù)據(jù)庫連接窗口、零部件管理窗口、裝配可視化窗口和產(chǎn)品方案可視化場景顯示窗口。人機交互操作接口是系統(tǒng)內(nèi)部連接虛擬設(shè)備的邏輯接口，用于驅(qū)動鼠標、數(shù)據(jù)手套、空間球等虛擬輸入設(shè)備，為虛擬校核過程中實時操控虛擬模型及人工干預(yù)校核流程而提供控制途徑。

（2）集成系統(tǒng)：集成系統(tǒng)實現(xiàn)虛擬校核相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯功能，由CAD系統(tǒng)及校核模塊兩大部分組成。

CAD系統(tǒng)為虛擬校核提供可視化的環(huán)境支撐，主要包括幾何建模、模型編輯、模型可視化、模型數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等針對CAD模型的通用功能。目前，主流的CAD系統(tǒng)如CATIA、UG NX和Pro／E等［9－11］提供的圖形編輯環(huán)境，均可以滿足本系統(tǒng)功能設(shè)計的環(huán)境需求。

校核模塊基于CAD系統(tǒng)提供的可視化建模環(huán)境，圍繞公路客車駕駛區(qū)域虛擬設(shè)計與校核的需求，負責實現(xiàn)：零部件的CAD模型數(shù)據(jù)庫管理、設(shè)計方案數(shù)據(jù)庫管理、校核標準數(shù)據(jù)庫管理、設(shè)計方案的虛擬裝配、設(shè)計方案的虛擬校核及編輯等功能。

（3）KBE系統(tǒng)：KBE系統(tǒng)是集成系統(tǒng)與知識資源之間的知識熔接系統(tǒng)，能夠根據(jù)集成系統(tǒng)虛擬校核的具體需求，自動從知識資源中獲取相應(yīng)的校核標準、設(shè)計手冊、專家經(jīng)驗、相關(guān)規(guī)則及數(shù)據(jù)表格等內(nèi)容，供虛擬校核模塊直接使用；相反，KBE系統(tǒng)也可把校核過程中總結(jié)出的經(jīng)驗、規(guī)則及相關(guān)知識更新到知識資源中，實現(xiàn)對知識的理解、抽象、描述、使用和維護。

當前，UG NX與CATIA等主流軟件提供了簡單的KBE系統(tǒng)［12－13］，但其重點是針對設(shè)計過程中的設(shè)計經(jīng)驗、規(guī)則的重復(fù)使用，一般無法完成非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)推理及精確計算。而虛擬校核的核心需求正是數(shù)據(jù)推理與精確計算，因此本文所設(shè)計的虛擬校核需要構(gòu)建自己的KBE系統(tǒng)，以此來滿足虛擬校核實踐過程中的復(fù)雜需求。

（4）知識資源：知識資源是集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)層，同時也是KBE系統(tǒng)的數(shù)據(jù)支撐層，用于提供系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與工程數(shù)據(jù)。產(chǎn)品庫、方案庫及部件模型數(shù)據(jù)庫用以支撐系統(tǒng)的設(shè)計方案可視化裝配及交互編輯功能，人體庫、國標庫、SAE標準庫、規(guī)則庫、經(jīng)驗庫及技術(shù)手冊等用以支撐系統(tǒng)的標準校核功能。知識資源通過KBE系統(tǒng)實現(xiàn)其數(shù)據(jù)的存儲、表示、推理、啟發(fā)及搜索等內(nèi)容，滿足虛擬校核領(lǐng)域知識的學(xué)習(xí)與更新需求。

1.2 邏輯流程設(shè)計

基于系統(tǒng)虛擬校核過程的設(shè)計方案對象，綜合設(shè)計出系統(tǒng)校核的功能邏輯流程，如圖2所示。功能邏輯流程圖反映了校核過程中系統(tǒng)各部分作用于方案對象的邏輯順序及相互關(guān)系，可分為校核準備階段與校核實施階段兩部分。

圖2 功能邏輯流程

（1）校核準備

校核準備主要是基于駕駛區(qū)域的幾何模型部件及相應(yīng)的設(shè)計方案，使用虛擬裝配技術(shù)生成駕駛區(qū)域的三維CAD模型。其主要過程包括：依據(jù)用戶需求在圖形化可視界面中輸入相應(yīng)的設(shè)計需求參數(shù)，根據(jù)需求參數(shù)調(diào)用KBE系統(tǒng)篩選出方案庫中的指定產(chǎn)品設(shè)計方案，裝配子系統(tǒng)依據(jù)產(chǎn)品方案的設(shè)計參數(shù)，從部件模型庫及人體庫中獲取駕駛區(qū)域所需的部件CAD模型及相應(yīng)的虛擬人體模型，采用自頂向下的虛擬裝配方式自動生成產(chǎn)品的CAD裝配模型，該模型將為校核實施階段提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）校核實施

校核實施階段基于校核準備階段提供的CAD裝配模型，分析用戶的校核需求，KBE系統(tǒng)從國標庫、SAE庫、規(guī)則庫及經(jīng)驗庫中抽取校核知識，依據(jù)產(chǎn)品CAD模型的幾何及工程信息對其進行可視化的校核過程。校核方式分單項校核與多項協(xié)調(diào)校核兩種，單項校核對駕駛區(qū)域設(shè)計過程中某一單獨部件的設(shè)計是否合理進行校核，而多項校核同時考慮多個部件的空間位置及相互影響等設(shè)計因素進行綜合校核。校核的結(jié)果將為用戶提供可視化的評估結(jié)果，并為方案的修改提供建議。

用戶可依據(jù)校核結(jié)果重新返回到校核準備階段，直接在可視化環(huán)境中對產(chǎn)品的CAD裝配模型進行交互修改，然后再進行校核實施階段，直到最終形成合理的設(shè)計方案。對于校核過程中的經(jīng)驗數(shù)據(jù)及工程數(shù)據(jù)可通過KBE系統(tǒng)更新到知識資源中，為后續(xù)校核提供新的知識資源。

2 原型系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計框架、模塊組成及功能流程，選擇相應(yīng)的環(huán)境平臺與開發(fā)工具，實現(xiàn)了公路客車DRVVS原型系統(tǒng)。

2.1 開發(fā)環(huán)境構(gòu)建

原型系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境基于Windows XP操作系統(tǒng)，UG NX6.0為系統(tǒng)的可視化環(huán)境支撐平臺，SQL Server2000為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理平臺，集成環(huán)境開發(fā)平臺Visual C＋＋2005為主要編程工具。

2.2 技術(shù)實現(xiàn)方法

系統(tǒng)的技術(shù)實現(xiàn)方法為：基于UG NX6.0的可視化環(huán)境支撐平臺，通過UG Open二次開發(fā)工具集，實現(xiàn)對公路客車駕駛區(qū)域的設(shè)計方案數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、校核模塊、KBE系統(tǒng)等的集成。

（1）界面實現(xiàn)

系統(tǒng)應(yīng)用界面是指虛擬校核系統(tǒng)的輸入輸出界面，即相應(yīng)的菜單及對話框等。界面的實現(xiàn)可采用兩種方法，一是基于UG／Open套件提供的MenuScript（菜單腳本語言）和UIStyler（對話框設(shè)計工具）界面設(shè)計工具，二是基于MFC （Microsoft foundation class）提供的對話框編輯工具。綜合考慮兩種方法的各自特點及DRVVS本身的功能需要，論文基于第一種方法設(shè)計并實現(xiàn)用戶的界面。

（2）KBE系統(tǒng)集成

UG框架與KBE系統(tǒng)的集成主要通過UG／Open API與MFC結(jié)合，構(gòu)建了一系列DLL文件集合 （又稱插件集），從而實現(xiàn)了DRVVS的核心功能，如駕駛區(qū)域的智能虛擬裝配可視化、設(shè)計方案的單項虛擬校核及多項協(xié)調(diào)虛擬校核可視化、知識資源的智能獲取、處理及學(xué)習(xí)過程等。

UG框架與KBE系統(tǒng)集成后，UG框架的菜單和對話框可直接調(diào)用KBE系統(tǒng)相應(yīng)的DLL文件中所包括的各項功能，KBE系統(tǒng)也可通過回調(diào)機制在UG主界面中創(chuàng)建交互式程序界面，能夠直接生成、修改、查詢UG的各種對象 （part文件、點、線、面、實體、特征、坐標系、表達式等），還能進行向量、矩陣的運算處理，真正實現(xiàn)了UG框架與KBE系統(tǒng)的無縫集成。

（3）數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)是DRVVS能夠正確、高效運行的基礎(chǔ)，在系統(tǒng)運行過程中需要對大量的部件幾何模型、設(shè)計方案、虛擬人體模型、人機工程、校核知識資源等數(shù)據(jù)進行管理與維護。而這些數(shù)據(jù)種類繁多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難用統(tǒng)一的方法對其進行管理與維護。本文根據(jù)數(shù)據(jù)的類型、使用頻率、數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)系，把數(shù)據(jù)分為模型數(shù)據(jù)、方案數(shù)據(jù)、知識數(shù)據(jù)及工程數(shù)據(jù)，并使用數(shù)據(jù)庫建模工具構(gòu)建了相應(yīng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫模型。數(shù)據(jù)管理的開發(fā)過程中主要基于SQL Server2000所提供的數(shù)據(jù)庫支撐環(huán)境，使用微軟的VC＋＋2005開發(fā)工具，構(gòu)建了虛擬校核系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理模塊。該模塊實現(xiàn)了人體幾何模型與人機工程數(shù)據(jù)、部件幾何模型數(shù)據(jù)與設(shè)計方案數(shù)據(jù)、校核流程與校核知識庫數(shù)據(jù)、實體數(shù)據(jù)與可視化形式等數(shù)據(jù)之間的分離與融合等功能。

3 原型系統(tǒng)測試

為了驗證系統(tǒng)運行結(jié)果的正確性，選擇AK公司已有的某型客車駕駛區(qū)域設(shè)計方案圖紙作為實例，對原型系統(tǒng)進行了虛擬校核。虛擬校核的主要流程如圖3所示。

圖3 實例校核流程

根據(jù)已有的某型客車駕駛區(qū)域設(shè)計方案，通過系統(tǒng)用戶界面輸入相關(guān)參數(shù)后，系統(tǒng)調(diào)用駕駛區(qū)域裝配可視化子系統(tǒng)及相關(guān)數(shù)據(jù)庫，在可視化場景中生成了該型客車駕駛區(qū)域可視化的三維裝配體模型，如圖4所示?；谘b配體模型調(diào)用方案驗證及生成子系統(tǒng)的各個校核模塊，依據(jù)用戶所選擇的校核標準及相關(guān)需求，對方案的各個主要組成部分進行校核，其中圖5與圖6所示分別為對左后視野及儀表盲區(qū)進行的可視化校核過程。系統(tǒng)對實例的校核結(jié)果與AK設(shè)計工程師手工計算校核的結(jié)果進行了比較，比較結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠滿足客車駕駛區(qū)域設(shè)計過程中的校核實踐需求，而虛擬校核所耗費的時間相比于人工校核節(jié)省了2／3。由此表明，系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)路線的可行性、相關(guān)算法設(shè)計的正確性及系統(tǒng)運行的高效行。

圖6 儀表盲區(qū)可視化校核分析

4 結(jié)束語

本文在調(diào)研CAD技術(shù)在國內(nèi)外汽車設(shè)計制造領(lǐng)域研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合企業(yè)在汽車駕駛區(qū)域虛擬校核階段的實踐需求，基于CAD平臺、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、虛擬裝配、KBE系統(tǒng)、人機工程、虛擬人體及模型可視化等相關(guān)技術(shù)，設(shè)計了公路客車DRVVS原型系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及功能邏輯流程，使用合理的技術(shù)路線編程實現(xiàn)了DRVVS的原型系統(tǒng)。通過AK公司提供的實例測試，驗證了該系統(tǒng)能夠滿足公路客車駕駛區(qū)域主要部件校核的實踐需求，在校核效率上優(yōu)于手工校核，表明系統(tǒng)總體設(shè)計技術(shù)路線的可行性和相關(guān)算法設(shè)計的正確性。

系統(tǒng)在設(shè)計及實現(xiàn)過程中所使用的技術(shù)方法具有通用性，可以把系統(tǒng)實現(xiàn)過程中所編制的大部分知識資源庫以插件的形式配置到UG NX6.0平臺中，可實現(xiàn)汽車領(lǐng)域知識資源與UG平臺的無縫集成。對于虛擬校核系統(tǒng)的后續(xù)研究，將考慮借鑒國外對轎車虛擬設(shè)計中所使用的虛擬現(xiàn)實技術(shù)來完善與改進DRVVS的原型系統(tǒng)，這也是本系統(tǒng)下一步改進研究的重點。

［1］FANG Weihua.CAD technology in the modern mechanical design application ［J］.Applied Energy Technology，2011 （6）：48－50 （in Chinese）.［方衛(wèi)華.CAD技術(shù)在現(xiàn)代機械設(shè)計中應(yīng)用 ［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2011 （6）：48－50.］

［2］GAO Huifeng，WANG Shulin，DING Haoran，et al.The application of virtual design in process equipment design ［J］.Journal of Machine Design，2008，25 （9）：67－70 （in Chinese）.［高慧峰，王樹林，丁浩然，等.虛擬設(shè)計在過程設(shè)備設(shè)計中的應(yīng)用 ［J］.機械設(shè)計，2008，25 （9）：67－70.］

［3］WU Qing，LUO Huixin，F(xiàn)ANG Xing.Interior virtual design and innovation of SUV limousine ［J］.Journal of Hubei University of Technology，2006，21 （3）：116－119 （in Chinese）.［吳清，羅會信，方興.SUV轎車內(nèi)部虛擬設(shè)計與創(chuàng)新 ［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，21 （3）：116－119.］

［4］SHENG Hongfei，CHEN Dingfang，CHENG Xiaorong.Car cockpit space design and evaluation research based on virtual ergonomics ［J］.Journal of Hubei University of Technology，2008，23 （3）：4－5 （in Chinese）.［生鴻飛，陳定方，程孝榮.汽車駕駛艙人機空間虛擬設(shè)計與評價 ［J］.湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，23 （3）：4－5.］

［5］LIU Yuanyuan，LI Di，CUI Xiaolin，et al.Development and application of design system for auomobile fileld of view based on UG platform ［J］.Agricultural Equipment＆Vehicle Engineering，2008 （1）：9－12 （in Chinese）. ［劉媛媛，李迪，崔曉琳，等.基于UG平臺的汽車視野設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用 ［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2008 （1）：9－12.］

［6］LI Xiang.Research of the virtual designing environment technology based onvega／MFC ［D］.Jinan：Shandong University，2009 （in Chinese）. ［李翔.基于vega／MFC的虛擬設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境相關(guān)技術(shù)研究 ［D］.濟南：山東大學(xué)，2009.］

［7］ZHENG Fayong，SHEN Libing，GAO Weimin，et al.Secondary development of instrument cluster vision checking based on CATIA ［J］.Automobile Technology，2009 （5）：32－34（in Chinese）. ［鄭發(fā)勇，沈利冰，高衛(wèi)民，等.基于CATIA二次開發(fā)的儀表盤視野校核 ［J］.汽車技術(shù)，2009（5）：32－34.］

［8］XUE Jianhua，AN Xiu.Realization of virtual design in modern product development ［J］.Computer Technology and Development，2006，16 （11）：182－184 （in Chinese）. ［薛建華，安秀.論虛擬設(shè)計在現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)中的重要作用 ［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2006，16 （11）：182－184.］

［9］WANG Zhitao，WANG Zhonghou，ZHANG Zhengkai，et al.The machining simulation of the form milling of the helical gear based on CATIA language ［J］.Manufacturing Automation，2012，34 （1）：25－28 （in Chinese）. ［王志濤，汪中厚，張鄭愷，等.基于CATIA實現(xiàn)斜齒輪加工仿真 ［J］.制造業(yè)自動化，2012，34 （1）：25－28.］

［10］YANG Guang.Vise assembly though data exchange between UG NX and VRML ［J］.Journal of Engineering and Graphics，2009 （4）：204－208 （in Chinese）. ［楊光.通過 UG NX與VRML數(shù)據(jù)交換的虎鉗裝配研究 ［J］.工程圖學(xué)學(xué)報，2009 （4）：204－208.］

［11］WEI Pei，LIU Guangfu，HUANG Haihong，et al.A simulation technology for remanufacturing based on PRO／E ［J］.Machinery Design ＆ Manufacture，2011 （11）：124－126 （in Chinese）.［魏培，劉光復(fù)，黃海鴻，等.面向再制造的基于PRO／E的仿真技術(shù)研究 ［J］.機械設(shè)計與制造，2011（11）：124－126.］

［12］LIU Defang，CHEN Jianjun，TAO Jie，et al.Study and design of reducer KBE system based on UG ［J］.Manufacturing Automation，2011，33 （6）：126－129 （in Chinese）. ［劉德仿，陳建軍，陶杰，等.基于UG的減速器KBE系統(tǒng)的研究與設(shè)計 ［J］.制造業(yè)自動化，2011，33 （6）：126－129.］

［13］ZHANG Jincheng，LI Kailin.Second development of UG based on knowledge－based engineering ［J］.Computer Engineering and Design，2008，29 （9）：2390－2391 （in Chinese）.［張進成，李開林.基于知識工程的UG二次開發(fā) ［J］.計算機工程與設(shè)計，2008，29 （9）：2390－2391.］