淺談船舶虛擬維修性仿真與分析

陳偉軍 張 燚

（駐某廠代表室，廣東 廣州 510382）

0 概述

維修性是產(chǎn)品設(shè)計(jì)所賦予的一種固有屬性，它通常定義為：“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí)，保持或恢復(fù)到其規(guī)定狀態(tài)的能力”。其中，維修性的定性定量要求己經(jīng)全面納入了設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)或研制任務(wù)書中。

產(chǎn)品的維修性模型是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行維修性定性定量評(píng)估的重要工具之一，利用維修性模型可以從定性定量的角度，分析影響產(chǎn)品維修性設(shè)計(jì)的因素，確定影響因素的主次關(guān)系，為設(shè)計(jì)的改進(jìn)提出建設(shè)性的意見，從而影響產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，降低全壽命費(fèi)用，提高產(chǎn)品的完好性。由此可見產(chǎn)品的維修性模型及其建模對(duì)產(chǎn)品維修性設(shè)計(jì)的優(yōu)劣起著十分關(guān)鍵的作用。

以前的艦船設(shè)計(jì)通常利用三向視圖的二維線條對(duì)艦船三維實(shí)體進(jìn)行描述，設(shè)計(jì)和施工圖紙均為平面圖紙，由于艦船結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，二維線條對(duì)其描述的不完整性，以及平面與空間模型轉(zhuǎn)換可能帶來大量差錯(cuò)，會(huì)造成圖紙的修改和生產(chǎn)過程中的大量返工，使艦船設(shè)計(jì)和建造周期延長(zhǎng)，生產(chǎn)成本增加。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用3D技術(shù)構(gòu)建虛擬環(huán)境、建立虛擬人體模型并最終實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中讓虛擬人面對(duì)虛擬產(chǎn)品進(jìn)行工作已經(jīng)成為可能。應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行全虛擬環(huán)境內(nèi)工作過程的仿真不僅便于在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行修改，節(jié)約設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)者的時(shí)間，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期縮短，節(jié)省成本，更重要的是可以方便地通過對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)試來調(diào)整產(chǎn)品，從而迅速地從實(shí)際應(yīng)用的角度對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí)，在確定環(huán)境下對(duì)維修全過程的仿真模擬還可以方便地確定在該環(huán)境中工作人員的參數(shù)和活動(dòng)空間。

利用虛擬仿真技術(shù),在計(jì)算機(jī)上將設(shè)計(jì)得到的三維模型預(yù)裝配到一起。這樣可避免物理原型的應(yīng)用,也可對(duì)零部件進(jìn)行干涉檢驗(yàn),減少樣品利用率。最重要的是能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中,利用各種技術(shù)手段如分析、評(píng)價(jià)、規(guī)劃、仿真等充分考慮產(chǎn)品的維修環(huán)節(jié),預(yù)先在設(shè)計(jì)中考慮維修時(shí)的工作環(huán)境及其相關(guān)各種因素的影響。

1 國(guó)內(nèi)外虛擬仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀

造船發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛利用信息技術(shù)給造船業(yè)帶來的各種機(jī)遇,積極開展船舶以數(shù)字化描述和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合為特征的虛擬設(shè)計(jì)和制造仿真技術(shù)的研究。

美國(guó)于1992年由ARPA資助進(jìn)行了下一代船舶設(shè)計(jì)系統(tǒng)———基于設(shè)計(jì)仿真SBD(SimulationBased Design)的項(xiàng)目研究,目標(biāo)是建立一個(gè)能預(yù)先進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行和評(píng)價(jià)的虛擬環(huán)境,即在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和虛擬建造船舶。美國(guó)CAD/CAM廠商正在聯(lián)合開發(fā)一個(gè)船舶設(shè)計(jì)制造軟件系統(tǒng)Virtual Design,目的是通過無縫的多學(xué)科集成(工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、后勤及相應(yīng)的商務(wù)系統(tǒng)),來減少船舶設(shè)計(jì)50%以上的時(shí)間和成本。日本也大力開展造船CIMS和CALS研究及原型系統(tǒng)的實(shí)施；韓國(guó)也大力開展了有關(guān)敏捷制造、電子采購(gòu)系統(tǒng)、基于agent造船設(shè)計(jì)和生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃系統(tǒng),以及電子商務(wù)等的研究；歐盟也進(jìn)行了G82MARVEL等的研究,為新一輪的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)做好技術(shù)儲(chǔ)備。

國(guó)內(nèi)造船工業(yè)也積極從事船舶先進(jìn)制造技術(shù)的研究,例如：船舶總公司開展了由傳統(tǒng)造船向現(xiàn)代造船模式轉(zhuǎn)換的專項(xiàng)研究；滬東造船集團(tuán)的“計(jì)算機(jī)輔助造船信息集成系統(tǒng)研究”；由廣船國(guó)際、上海交通大學(xué)、船舶工藝研究所三方聯(lián)合研究的國(guó)家經(jīng)貿(mào)委重點(diǎn)創(chuàng)新項(xiàng)目“船舶集成制造技術(shù)”等。近年來,國(guó)內(nèi)多數(shù)大型造船企業(yè)、設(shè)計(jì)院和大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)相繼引進(jìn)國(guó)外大型船舶設(shè)計(jì)制造集成軟件TRIBON、CADDS5 、CATIA/ENOVI2A 等。

2 虛擬維修性分析

2．1 維修工作空間分析

工作空間設(shè)計(jì)與工作性質(zhì)、生產(chǎn)流程、作業(yè)者的作業(yè)行為特點(diǎn)及安全要求等諸多因素相關(guān)。工作空間設(shè)計(jì)的合理性與否，不僅關(guān)系到生產(chǎn)活動(dòng)的有序性、空間利用的經(jīng)濟(jì)性和工作活動(dòng)的有效性，而且對(duì)于作業(yè)者的舒適性、滿意感及安全健康均有重要影響。

根據(jù)工作空間設(shè)計(jì)的基本要求，維修部位是否實(shí)體可達(dá)采用可達(dá)包膜（Reach Envelope）判斷，可達(dá)包膜用球狀面描述了人體上肢能觸及到的范圍，其中包含了碰撞檢測(cè)算法，可以精確判斷維修部位是否處于可達(dá)包膜之內(nèi)。通過碰撞檢測(cè)算法，判斷人員在操作過程中是否發(fā)生部件、工具及人體間的干涉，從而實(shí)現(xiàn)工作空間可達(dá)性分析。

2.2 維修可視性分析

受人的生理特征限制，人的視野所能看到的空間范圍是確定的，在GJB2873－97中對(duì)人的垂直和水平視野分別做出了規(guī)定。當(dāng)人頭部保持直立不動(dòng)而只是眼球在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，人的垂直視野方向的正常視線是水平線下15°，這是人眼最舒適自然的視線角度。該視線的上下15°是人的最佳垂直視野范圍，正常視線上方40°至下方20°是人的最大垂直視野范圍。

基于人的生理視野區(qū)域特性，人眼觀察物體時(shí)，眼睛可看作一個(gè)光源，發(fā)射出光線，視線所至的地方形成一個(gè)包絡(luò)，從空間上看，是一個(gè)截面為橢圓的錐形空間，即可視錐，視錐的頂點(diǎn)在兩眼視距與人的矢狀面的交點(diǎn)處，垂直于可視錐作的截面便分別對(duì)應(yīng)雙視野區(qū)域（較小的視錐）和最大視野區(qū)域（較大的視錐）。

可視錐所占據(jù)的空間便是人眼視線達(dá)到的范圍，可看作人的眼睛發(fā)出的一道圓錐形光束，光束所覆蓋到的地方便是人眼可以看到的，而被可視錐覆蓋下的后部陰影部位以及可視錐以外的區(qū)域，則是人眼在這個(gè)姿態(tài)下所不能看到的地方。對(duì)于視覺可達(dá)性的計(jì)算機(jī)輔助驗(yàn)證主要利用空間幾何的知識(shí)，生成各類生理視野的內(nèi)切錐，它們具有不同的錐頂角。根據(jù)內(nèi)切錐是否能夠包容維修人員將要操作的維修對(duì)象來判斷其視覺可達(dá)性的好壞，這種驗(yàn)證方法稱為內(nèi)切錐驗(yàn)證法。

根據(jù)生理常識(shí)可知，單眼視野和雙眼視野是不相同的，只用左眼或右眼單獨(dú)觀察時(shí)所能看到的區(qū)域稱為單眼視野；用左眼或右眼單獨(dú)觀察到的兩個(gè)單眼視野的合成區(qū)域稱為兩單眼視野；用左眼和右眼同時(shí)觀察時(shí)兩眼都看到的區(qū)域，即兩單眼視野的重疊部分稱為雙眼視野。

這種通過研究人體模型可視錐的方法來研究產(chǎn)品的可視性能直接模擬維修人員真實(shí)的維修情況，直觀的反映了產(chǎn)品的維修可視性好壞，具有很強(qiáng)的說服力。

2．3 維修可達(dá)性分析

根據(jù)維修可達(dá)性的定性要求，在虛擬模型中進(jìn)行碰撞和干涉分析的主要內(nèi)容是檢驗(yàn)維修人員在維修過程中是否與維修對(duì)象發(fā)生干涉，作業(yè)空間能否為操作者創(chuàng)造舒適的工作環(huán)境等。碰撞和干涉的定性評(píng)估可通過虛擬維修過程直接判斷。

實(shí)體可達(dá)性是指維修部位能否被接觸到的一種特性。在維修過程中，維修人員是維修的主體，手在維修過程中起著直接的作用，維修部位能不能被接觸到，是指手或者是手拿著工具能否接觸到維修部位。所以以單手臂為研究對(duì)象，分析實(shí)體可達(dá)性。采取遍歷維修姿態(tài)的方法分析是否存在一種手臂姿態(tài)使得手臂可被維修空間充分包容，如果存在，則認(rèn)為維修部位可達(dá)。

首先建立了人體手臂的簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)模型，在虛擬環(huán)境中設(shè)定虛擬人的維修姿態(tài)，并對(duì)每一種姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)分析，如果存在一種或一種以上的姿態(tài)使得虛擬人的整個(gè)維修動(dòng)作可以再允許空間內(nèi)被充分包容，則認(rèn)為實(shí)體可達(dá)性良好，如果檢測(cè)到一種姿態(tài)不符合要求則跳入下個(gè)姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)分析，直到找到具有良好可達(dá)性的姿態(tài)。如果最終遍歷所有姿態(tài)都不符合維修實(shí)體可達(dá)的要求，則認(rèn)為實(shí)體可達(dá)性較差。

3 虛擬維修仿真技術(shù)的展望

通過虛擬人的活動(dòng)仿真進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的有效性驗(yàn)證是一個(gè)非常復(fù)雜的研究領(lǐng)域，它不但涉及的知識(shí)面廣，還必須與各個(gè)領(lǐng)域的生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，所以要真正達(dá)到實(shí)用化，在理論和應(yīng)用方面尚需大量工作：

（1）細(xì)化人因工程的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，使計(jì)算機(jī)分析結(jié)果更加貼近實(shí)際，使其結(jié)論更加可信并最終達(dá)到以計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)代替或者部分代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)的目的。

（2）有針對(duì)性地對(duì)一些三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行有關(guān)人機(jī)工程的二次開發(fā)，提煉出針對(duì)性強(qiáng)，實(shí)用可靠的功能模塊。

（3）進(jìn)一步研究虛擬維修仿真技術(shù)，完善人體姿勢(shì)庫(kù)，增加標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)、工具庫(kù)，簡(jiǎn)化實(shí)際應(yīng)用臨時(shí)建模的時(shí)間，同時(shí)也便于建立標(biāo)準(zhǔn)化的維修拆卸仿真過程。

（4）加大結(jié)合實(shí)例應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)有效性驗(yàn)證分析的力度，積累經(jīng)驗(yàn)，為今后的進(jìn)一步工作提供經(jīng)驗(yàn)支持。