虛擬維修仿真中時(shí)間模型研究與應(yīng)用

王玉泉，韓朝帥

WANG Yu-quan，HAN Chao-shuai

(裝甲兵工程學(xué)院 技術(shù)保障工程系，北京 100072)

0 引言

虛擬維修仿真[1]是指利用先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在虛擬環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行維修拆卸、零部件更換和安裝等仿真試驗(yàn)。虛擬仿真技術(shù)[2]的廣泛應(yīng)用將傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)—試驗(yàn)—分析—改進(jìn)”模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤案麟A段同時(shí)進(jìn)行”的模式，基本實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)研制和維修性驗(yàn)證評(píng)價(jià)工作的并行開(kāi)展，使得在對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了更改建議的同時(shí)避免了物理樣機(jī)造成的時(shí)間和資源的浪費(fèi)，是產(chǎn)品維修性的研究熱點(diǎn)之一。

虛擬仿真時(shí)間可信度是仿真可信度的重要指標(biāo)之一，尤其在產(chǎn)品的一些定量指標(biāo)上體現(xiàn)的更為明顯。另外，由文獻(xiàn)[3-6]可知，無(wú)論美國(guó)還是我國(guó)，目前虛擬維修仿真多側(cè)重于對(duì)提高產(chǎn)品維修過(guò)程精度的仿真研究，在提高產(chǎn)品維修時(shí)間精度的建模和仿真方面缺乏深入的研究。本文在“維修動(dòng)素”的概念基礎(chǔ)上，提出“維修動(dòng)素標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間”這一新的概念，開(kāi)發(fā)出適用于Jack軟件的維修時(shí)間輔助系統(tǒng)，提高了虛擬維修時(shí)間的仿真精度，對(duì)研究虛擬維修仿真具有十分重要的參考意義。

1 虛擬維修時(shí)間建模研究

1.1 維修時(shí)間分解模型

圖1 M型主離合器維修時(shí)間基本層次結(jié)構(gòu)

在維修性工程的基礎(chǔ)上，按照維修層次的不同，將產(chǎn)品維修時(shí)間分解為：產(chǎn)品維修時(shí)間、維修事件時(shí)間、維修作業(yè)時(shí)間、維修基本作業(yè)單元時(shí)間和維修動(dòng)素標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。產(chǎn)品維修時(shí)間是指為保持或恢復(fù)產(chǎn)品到規(guī)定功能狀態(tài)而進(jìn)行維修活動(dòng)所消耗的時(shí)間；維修事件時(shí)間是指按規(guī)定的維修計(jì)劃進(jìn)行的維修活動(dòng)所消耗的時(shí)間，產(chǎn)品維修可以由若干個(gè)維修事件組成；維修作業(yè)時(shí)間是指完成規(guī)定的維修作業(yè)所消耗的時(shí)間，如故障檢測(cè)時(shí)間、定位時(shí)間和隔離時(shí)間等，每個(gè)維修事件都是由若干個(gè)維修作業(yè)組成的；維修基本作業(yè)單元是最基本的維修活動(dòng)，如擰螺栓、焊接等；每一個(gè)維修基本作業(yè)單元都可以由若干個(gè)維修基本動(dòng)素組合而成，如擰螺釘?shù)臅r(shí)間由左手食指和大拇指抓住螺釘，右手抓握螺絲刀工具，定位至螺釘旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)螺絲刀（n圈），擰下后釋放螺絲刀這5個(gè)基本動(dòng)素所消耗的時(shí)間組成。圖1為M型主離合器維修時(shí)間層次結(jié)構(gòu)圖。

1.2 維修動(dòng)作模型

人的維修動(dòng)作由人所操縱的對(duì)象決定[6]。對(duì)機(jī)械產(chǎn)品而言，人的維修動(dòng)作對(duì)象主要分為以下四類：一般零部件、緊固件、操縱器和工具。一般零部件是指軸、蓋板、銷子和卡鎖等常規(guī)零部件，特點(diǎn)是受機(jī)體的一定約束，即人體操作零部件的時(shí)候也會(huì)有一定的約束；緊固件是指可以用手快速解脫的緊固件，特點(diǎn)是多為旋轉(zhuǎn)或拉動(dòng)；操縱器根據(jù)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)分為轉(zhuǎn)動(dòng)式、平動(dòng)式和腳操縱器；實(shí)際維修，中大部分的維修作業(yè)都需要工具來(lái)支持，因?yàn)椴僮鞴ぞ咚婕暗降娜梭w運(yùn)動(dòng)是相當(dāng)復(fù)雜的，所以合理規(guī)劃虛擬人按照規(guī)定的方式進(jìn)行工具的使用，建立合適的工具操作運(yùn)動(dòng)模型。因此，將人體維修動(dòng)作根據(jù)對(duì)象分為四大類：一般零部件維修動(dòng)作、緊固件操作動(dòng)作、操縱器操縱動(dòng)作和工具使用動(dòng)作。通過(guò)對(duì)這四類操作的常見(jiàn)動(dòng)作進(jìn)行分析，構(gòu)成適合于裝甲裝備的人體維修動(dòng)作模型，如圖2所示。

1.3 維修動(dòng)素標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間模型

從維修動(dòng)作到維修動(dòng)素，可以看出，每一種維修動(dòng)作實(shí)際上是若干個(gè)維修動(dòng)素組合而成的，維修動(dòng)作的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，就是將相關(guān)的維修動(dòng)素適當(dāng)?shù)慕M合在一起，使虛擬人完成相應(yīng)維修動(dòng)作的模型。因此，在維修動(dòng)作模型的基礎(chǔ)上，分類歸納得出能夠滿足維修仿真需求的人體維修動(dòng)素集。通過(guò)C++語(yǔ)言對(duì)各維修動(dòng)素類進(jìn)行定義，實(shí)現(xiàn)各動(dòng)素類中函數(shù)的設(shè)計(jì)，并在實(shí)際環(huán)境中對(duì)各動(dòng)素時(shí)間函數(shù)進(jìn)行維修時(shí)間樣本獲取，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出維修時(shí)間輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)維修動(dòng)素標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間函數(shù)的封裝和調(diào)用。

圖2 裝甲兵維修動(dòng)作模擬圖

1.3.1 維修動(dòng)素類的定義

根據(jù)圖2裝甲兵維修動(dòng)作模型，總結(jié)歸納得出適合裝甲裝備虛擬維修仿真的維修動(dòng)素集。表1為適用于Jack軟件的10種虛擬人維修動(dòng)素及其類的概念。

表1 虛擬人維修動(dòng)素及其類的概念

由表1可知，維修時(shí)間輔助系統(tǒng)包括10個(gè)動(dòng)素類，每個(gè)動(dòng)素類都包含其相應(yīng)的若干個(gè)函數(shù)。例如：Control類包括旋轉(zhuǎn)(revolve)、推(push)、拉(pull)、抽(draw)、提(boost)、舉(lift)、搬(carry)和按(press)8個(gè)方法；SpaceMove類包括走(walk)、彎腰走(bendWalk)、側(cè)身走(sidle)、跨步(stride)、攀爬(climb)、跑(run)、匍匐前進(jìn)(crawl)、倒行(down)及跳躍(jump)9個(gè)函數(shù)。

1.3.2 維修動(dòng)素標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間建模

確定維修動(dòng)素類的時(shí)間函數(shù)后，必須在類中對(duì)函數(shù)進(jìn)行定義和封裝，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在Jack軟件中對(duì)時(shí)間函數(shù)的調(diào)用。以時(shí)間函數(shù)“走(walk)”為例，對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行描述，如圖3所示。其他時(shí)間函數(shù)照此法進(jìn)行。

圖3 時(shí)間函數(shù)“walk”設(shè)計(jì)流程圖

由圖3可知，“walk”函數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，首先，應(yīng)確認(rèn)個(gè)體的年齡屬性（中年/青年/未成年、男/女）；其次，確定個(gè)體是否徒手作業(yè)，若否，則確認(rèn)攜帶物體重量，通過(guò)公式（1）得到虛擬人行走速度；最后，對(duì)該時(shí)間函數(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)語(yǔ)言定義。

其中，v′為虛擬人攜帶物品行走速度；

v 為虛擬人徒手行走速度；

m為虛擬人自身質(zhì)量；

m′為攜帶物體質(zhì)量。

動(dòng)素時(shí)間函數(shù)“walk”的定義函數(shù)為：

對(duì)某些附有隨機(jī)變量的維修動(dòng)素時(shí)間函數(shù)，可以根據(jù)其實(shí)際情況進(jìn)行函數(shù)輸出值的微調(diào)；另外，定義時(shí)間函數(shù)時(shí)必須考慮維修動(dòng)素標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的不確定性，以盡可能的提高仿真可信度。

1.4 維修時(shí)間輔助系統(tǒng)

綜合維修動(dòng)素類及其時(shí)間函數(shù)的定義、封裝和調(diào)用，開(kāi)發(fā)出輔助Jack軟件進(jìn)行虛擬維修仿真時(shí)的時(shí)間獲取系統(tǒng)，即維修時(shí)間輔助系統(tǒng)。正確設(shè)置該系統(tǒng)和Jack軟件的接口，實(shí)現(xiàn)在Jack仿真中對(duì)動(dòng)素時(shí)間函數(shù)的調(diào)用，進(jìn)而保證仿真的時(shí)間準(zhǔn)確性。

2 實(shí)例仿真分析

Jack 6.1仿真軟件中，以“取下輪盤氈墊”為例，進(jìn)行實(shí)例仿真，并通過(guò)實(shí)際環(huán)境試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

2.1 維修時(shí)間分解

按照維修過(guò)程時(shí)間分解模型（圖1），對(duì)“取下輪盤氈墊”這一基本維修作業(yè)單元進(jìn)行分解，分解如圖4所示。

圖4 “取下輪盤氈墊”動(dòng)素流程圖

2.2 虛擬維修仿真

在Jack軟件中構(gòu)建裝甲車乘員艙虛擬環(huán)境，導(dǎo)入主離合器樣機(jī)，調(diào)用維修動(dòng)素時(shí)間輔助系統(tǒng)，操控特征為中國(guó)青年男士的虛擬人體模型進(jìn)行圖4所示動(dòng)素流程。表2為10次試驗(yàn)后的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

統(tǒng)計(jì)得到維修動(dòng)作“取下輪盤氈墊”的仿真時(shí)間，如表3所示。

由表3可知，統(tǒng)計(jì)10次維修動(dòng)作“取下輪盤氈墊”的仿真數(shù)據(jù)，得到該維修動(dòng)作仿真時(shí)間平均值為4.85s。在實(shí)際環(huán)境中對(duì)該維修動(dòng)作進(jìn)行10次試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)得到其試驗(yàn)時(shí)間數(shù)據(jù)，如表4所示。

由表4可知，通過(guò)實(shí)際環(huán)境試驗(yàn)，得到維修動(dòng)作“取下輪盤氈墊”的試驗(yàn)時(shí)間平均值為4.93s，方差為0.43s。綜上可得，通過(guò)Jack軟件進(jìn)行維修動(dòng)作“取下輪盤氈墊”的仿真時(shí)間與實(shí)際環(huán)境中的試驗(yàn)時(shí)間基本一致，即通過(guò)該維修時(shí)間輔助系統(tǒng)進(jìn)行虛擬維修仿真統(tǒng)計(jì)得到的時(shí)間數(shù)據(jù)與實(shí)際環(huán)境試驗(yàn)比較貼近。

表2 “取下輪盤氈墊”動(dòng)素仿真時(shí)間

表3 “取下輪盤氈墊”動(dòng)作仿真時(shí)間

表4 “取下輪盤氈墊”試驗(yàn)時(shí)間

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)虛擬維修仿真中缺少對(duì)維修時(shí)間的仿真這一現(xiàn)狀，提出虛擬人維修動(dòng)素標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間這一概念，并通過(guò)實(shí)際環(huán)境統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)和數(shù)學(xué)建模方法開(kāi)發(fā)出基于Jack的維修時(shí)間輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了Jack軟件中對(duì)維修時(shí)間的仿真，對(duì)解決產(chǎn)品全壽命階段進(jìn)行虛擬維修仿真時(shí)的仿真時(shí)間可信度問(wèn)題提供了重要的參考價(jià)值。

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