基于PostEngineer虛擬仿真平臺(tái)的艦艇導(dǎo)航裝備虛擬保障研究*

李　昂　宗　磊

(海裝天津局　北京　100071)

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基于PostEngineer虛擬仿真平臺(tái)的艦艇導(dǎo)航裝備虛擬保障研究*

李昂宗磊

(海裝天津局北京100071)

裝備的操作和維修采用實(shí)裝的訓(xùn)練方式普遍存在成本高、難度大、風(fēng)險(xiǎn)大、周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，利用虛擬裝備技術(shù)將訓(xùn)練的部分內(nèi)容移植到虛擬裝備上，能有效避免這些缺點(diǎn)，將具有完全自主二次開(kāi)發(fā)能力的PostEngineer虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)用于艦艇導(dǎo)航裝備的虛擬維修設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了X/XXXXXX型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的三維虛擬建模和交互。通過(guò)支持多領(lǐng)域知識(shí)的數(shù)字仿真求解引擎技術(shù)，建立了按系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)行及響應(yīng)的X/XXXXXX型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)虛擬模塊，為用戶提供了直觀、逼真的維修訓(xùn)練環(huán)境。

虛擬保障;PostEngineer;艦艇導(dǎo)航裝備;慣性導(dǎo)航

Class NumberTP391

1　引言

裝備維修訓(xùn)練是軍隊(duì)裝備工作的重要組成部分，是培養(yǎng)合格維修人員的重要保證。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)模擬系統(tǒng)進(jìn)行裝備操作和維修訓(xùn)練己廣泛應(yīng)用到各種裝備訓(xùn)練當(dāng)中，成為了目前世界各國(guó)普遍采用的一種訓(xùn)練方式[1]。這一方式解決了實(shí)際裝備維修訓(xùn)練的部分問(wèn)題，具有操作

真實(shí)、應(yīng)用范圍廣、針對(duì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，裝備操作和維修訓(xùn)練的模擬系統(tǒng)成為各國(guó)軍方的研制重點(diǎn)[5]。

虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)是脫離實(shí)物裝備而在虛擬裝備上進(jìn)行的一系列維修訓(xùn)練活動(dòng)[6～7]。所謂虛擬裝備是指利用虛擬現(xiàn)實(shí)的技術(shù)在計(jì)算機(jī)空間中建立裝備的三維結(jié)構(gòu)，模擬裝備的運(yùn)行原理、操作過(guò)程以及故障的診斷和排除過(guò)程，從而構(gòu)造一個(gè)與

實(shí)物裝備相對(duì)應(yīng)的基于知識(shí)庫(kù)的復(fù)雜軟件系統(tǒng)[4]。虛擬裝備技術(shù)一個(gè)最重要的特點(diǎn)是能夠模擬裝備的行為邏輯，并根據(jù)用戶的輸入給出相應(yīng)的反饋，而裝備的行為邏輯是可以設(shè)定的，例如用戶可以向虛擬裝備中植入錯(cuò)誤的行為邏輯來(lái)模擬裝備故障[2～3]。

裝備的操作和維修采用實(shí)裝的訓(xùn)練方式普遍存在成本高、難度大、風(fēng)險(xiǎn)大、周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)，利用虛擬裝備技術(shù)將訓(xùn)練的部分內(nèi)容移植到虛擬裝備上，能有效避免這些缺點(diǎn)，同時(shí)基于虛擬裝備的訓(xùn)練不受時(shí)間空間以及天氣環(huán)境的限制，不受裝備數(shù)量的限制，可反復(fù)實(shí)施而幾乎不會(huì)增加成本[9]。尤其對(duì)于裝備的維修訓(xùn)練來(lái)說(shuō)，用實(shí)物裝備來(lái)模擬各種故障幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而采用虛擬裝備卻可以輕松植入各種故障，學(xué)員在逼真的虛擬環(huán)境中使用各種儀器和工具對(duì)虛擬裝備進(jìn)行檢測(cè)和部件更換，訓(xùn)練學(xué)員在不同故障條件下的維修方法[8]。

X/XXXXXX型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是水面艦艇和潛艇綜合導(dǎo)航系統(tǒng)中的重要導(dǎo)航裝備，承擔(dān)著保障艦艇航行安全和為導(dǎo)彈、武備等系統(tǒng)提供航向、姿態(tài)等重要信息的重要使命。X/XXXXXX型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)是自主式導(dǎo)航裝備，在已知的初始條件下，不需要利用外界的信息，便可通過(guò)計(jì)算機(jī)推算出載體的速度、姿態(tài)等導(dǎo)航參數(shù)，連續(xù)提供本艦艇的姿態(tài)角(航向、縱搖、橫搖)數(shù)字和模擬信息。其工作完全自主這一獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)使其在現(xiàn)代作戰(zhàn)艦艇特別是潛艇上的具有不可替代的主要作用[6,8]。將具有完全自主二次開(kāi)發(fā)能力的PostEngineer(PE)虛擬仿真平臺(tái)應(yīng)用于艦艇導(dǎo)航裝備的虛擬維修設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了X/XXXXXX型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的三維虛擬建模和交互。通過(guò)支持多領(lǐng)域知識(shí)的數(shù)字仿真求解引擎技術(shù)，建立了按系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律運(yùn)行及響應(yīng)的X/XXXXXX型慣性導(dǎo)航系統(tǒng)虛擬模塊，為用戶提供了直觀、逼真的維修訓(xùn)練環(huán)境。

2　PE虛擬仿真平臺(tái)

2.1虛擬仿真平臺(tái)PE的特點(diǎn)

采用的虛擬仿真開(kāi)發(fā)平臺(tái)PE主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)如圖1所示，具體內(nèi)容如下：

· 完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，能夠提供代碼級(jí)的信息安全和技術(shù)保障。

· 便捷的二次開(kāi)發(fā)，基于結(jié)構(gòu)化腳本語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)模式，方便實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制邏輯。

· 海量數(shù)據(jù)處理，基于LOD技術(shù)和輕量化技術(shù)的大規(guī)模圖形快速顯示和基于數(shù)據(jù)庫(kù)的海量信息存儲(chǔ)，能過(guò)滿足模擬系統(tǒng)大量的圖形和數(shù)據(jù)處理需求。

圖1　PE仿真平臺(tái)特點(diǎn)

· 基于通用標(biāo)準(zhǔn)OpenGL圖形庫(kù)開(kāi)發(fā)，支持多種CAD格式(CATIA、UG、Pro/E、SolidWorks、Inventor、SolidEdge等)、3ds格式、VRML格式。

· 豐富的表現(xiàn)形式，支持圖形、圖像、文字、聲音、視頻、動(dòng)畫(huà)等多維信息的集成；支持各種特效的表現(xiàn)。

· 實(shí)時(shí)交互，支持用戶通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)以及控制臺(tái)等各種直觀的硬件設(shè)備對(duì)虛擬設(shè)備進(jìn)行操作，虛擬裝備能夠根據(jù)用戶的操作表現(xiàn)出與實(shí)際一致的反饋。

· 分布式協(xié)同仿真，支持基于局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的多人多裝備的協(xié)同仿真操作。

· 軟硬結(jié)合，通過(guò)串口連接硬件和虛擬裝備，實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備與硬件的雙向驅(qū)動(dòng)，使仿真訓(xùn)練更加逼真。

· 基于虛擬設(shè)備的自動(dòng)考核評(píng)估，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的紙質(zhì)考核方式，采用形象直觀的虛擬設(shè)備進(jìn)行考核和自動(dòng)評(píng)分，同時(shí)能夠記錄操作過(guò)程，并進(jìn)行回放和點(diǎn)評(píng)，達(dá)到更好的考核效果。

· 專業(yè)的領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)，提供面向行業(yè)的開(kāi)發(fā)模板(如模型庫(kù)、素材庫(kù)、開(kāi)發(fā)框架、仿真計(jì)算模型、表現(xiàn)手法等)知識(shí)庫(kù)。

2.2虛擬仿真平臺(tái)PE的架構(gòu)

PE平臺(tái)主要由三大核心模塊、十大功能模塊組成，核心模塊包含顯示引擎、求解引擎和流程引擎。顯示引擎主要有基于通用開(kāi)放的OpenGL圖形庫(kù)、基于LOD技術(shù)和輕量化技術(shù)的大規(guī)模圖形快速顯示。求解引擎支持多學(xué)科知識(shí)的求解(幾何約束求解、運(yùn)動(dòng)學(xué)求解、電路求解)[5]。而流程引擎支持分布式協(xié)同仿真、支持時(shí)間軸+路由條件控制。

其功能模塊主要有控制面板庫(kù)、虛擬儀器庫(kù)、虛擬工具庫(kù)、虛擬人體模型庫(kù)、輸入輸出接口、運(yùn)動(dòng)約束編輯器、電路關(guān)聯(lián)仿真、碰撞檢測(cè)、特效編輯器、成果發(fā)布、二次開(kāi)發(fā)接口等部分組成?？刂泼姘鍘?kù)可為用戶提供常用的面板元件(如按鈕、旋鈕、滑塊、開(kāi)關(guān)、操縱桿、液晶屏等)的仿真模型。虛擬儀器庫(kù)為用戶提供常用的測(cè)量和檢測(cè)儀器儀表(如萬(wàn)用表、示波器、試電筆、溫度計(jì)、天平、測(cè)速表等)的仿真模型。虛擬工具庫(kù)則可以提供常用維修工具(如扳手、起子、錘子、老虎鉗等)的模型。虛擬人體模型庫(kù)能夠提供常用虛擬人體的仿真模型(幾何模型、動(dòng)作模型等)。此外，上述功能模塊均支持用戶自定義擴(kuò)充。輸入輸出接口包括通用三維CAD(CATIA、UG、Pro/E、SolidWorks、Inventor、SolidEdge等)模型轉(zhuǎn)換接口、3dMax模型和VRML模型的轉(zhuǎn)換接口、數(shù)據(jù)庫(kù)(Oracle、MS SQLServer、MySql、Access等)訪問(wèn)接口、硬件串口通信(如RS-232、RS-485等)接口[4]。運(yùn)動(dòng)約束編輯器支持用戶通過(guò)定義各零部件之間的幾何關(guān)系(如共面、共軸、平行、距離等)來(lái)約束其運(yùn)動(dòng)空間，當(dāng)給驅(qū)動(dòng)部件一個(gè)速度就能夠帶動(dòng)其它關(guān)聯(lián)部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。用戶導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)電路圖(如ORCAD、PSpice、Protel等)后，可通過(guò)電路關(guān)聯(lián)仿真將電路元件與三維零部件模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，電路仿真計(jì)算的結(jié)果將驅(qū)動(dòng)三維零部件狀態(tài)的變化。系統(tǒng)的特效編輯器提供特殊效果的編輯手段，對(duì)機(jī)電設(shè)備的環(huán)境模擬得更加逼真。其成果發(fā)布和二次開(kāi)發(fā)接口支持本地成果和WEB成果發(fā)布以及二次接口開(kāi)發(fā)[10]。

圖2　PE虛擬仿真平臺(tái)架構(gòu)

3　虛擬維修實(shí)現(xiàn)

1)教學(xué)模塊：

用戶進(jìn)入教學(xué)模塊，首先從頁(yè)面中選擇一個(gè)故障現(xiàn)象，然后系統(tǒng)自動(dòng)演示該故障現(xiàn)象的故障排除方法動(dòng)畫(huà)。

例如：

用戶需要查看顯示屏故障編號(hào)06的故障排除過(guò)程：

首先通過(guò)故障植入菜單植入編號(hào)為06的故障現(xiàn)象，點(diǎn)擊確定。

系統(tǒng)進(jìn)入故障06的排除動(dòng)畫(huà)：首先用戶可以看到顯示屏錯(cuò)誤編碼顯示區(qū)顯示為06，之后動(dòng)畫(huà)演示故障排除過(guò)程，打開(kāi)機(jī)柜門(mén)，更換可能造成故障的電路板，更換后檢查是否故障排除，如果沒(méi)有排除，更換下一個(gè)可能造成故障的電路板。

可能造成06故障現(xiàn)象的故障點(diǎn)全部排出完畢。動(dòng)畫(huà)演示結(jié)束。

2)訓(xùn)練模塊：

用戶進(jìn)入訓(xùn)練模塊，首先選擇或隨機(jī)選擇一個(gè)故障現(xiàn)象，并設(shè)置一個(gè)故障點(diǎn)。之后系統(tǒng)交由用戶自己操作，用戶自己根據(jù)從教學(xué)模塊里面學(xué)到的故障排除方法來(lái)逐步排除故障，系統(tǒng)會(huì)對(duì)用戶的操作步驟進(jìn)行判斷，并對(duì)錯(cuò)誤操作給出提示。

訓(xùn)練模塊的操作全部是用戶自己交互完成，比如打開(kāi)控制機(jī)柜門(mén)，需要用戶用鼠標(biāo)點(diǎn)擊控制機(jī)柜模型上門(mén)鎖。電路板抽出需要用戶在電路板鎖上進(jìn)行鼠標(biāo)點(diǎn)擊。其中故障排除過(guò)程中需要用到的工具，比如螺絲刀、萬(wàn)用表、示波器等，都能夠進(jìn)行交互操作。

3)考核模塊：

考核模塊內(nèi)容與實(shí)現(xiàn)方法同訓(xùn)練模塊類似，不同在于當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)系統(tǒng)不再提示，而是記錄下錯(cuò)誤步驟并扣分，如果是致命錯(cuò)誤，直接結(jié)束考核。最后對(duì)考核過(guò)程進(jìn)行點(diǎn)評(píng)回放并給出考核分?jǐn)?shù)。

圖3為虛擬故障實(shí)現(xiàn)效果圖。

圖3　虛擬故障界面

傳統(tǒng)的設(shè)備裝拆技術(shù)培訓(xùn)，采用真實(shí)設(shè)備，由有經(jīng)驗(yàn)的師傅手把手的培訓(xùn)，不僅周期長(zhǎng)、設(shè)備易損耗，而且容易存在事故隱患。為預(yù)防事故隱患和避免損傷設(shè)備，采用基于預(yù)先錄制的視頻文件回放來(lái)培訓(xùn)，但是這又沒(méi)有交互功能[6～7]。多媒體制作系統(tǒng)的交互功能而是預(yù)先設(shè)定的，不能體現(xiàn)用戶的個(gè)性需求。解決此問(wèn)題的一種新的思路和方法是：基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備拆裝。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬裝拆系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)的訓(xùn)練培訓(xùn)的模式，利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生逼真的實(shí)物代用品，并建立相應(yīng)的模型，加入實(shí)時(shí)的人機(jī)交互性操作，使受訓(xùn)者可在設(shè)備不受損壞的虛擬環(huán)境下主動(dòng)進(jìn)行，模擬設(shè)備裝拆的過(guò)程和流程，并以三維方式模擬和分析技術(shù)動(dòng)作，通過(guò)這樣的訓(xùn)練，對(duì)實(shí)物操作時(shí)具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用，從而進(jìn)一步降低訓(xùn)練成本。圖4是基于PE仿真平臺(tái)的虛擬拆裝實(shí)例。

圖4　拆裝溫控殼體

4　結(jié)語(yǔ)

為了提高X/XXXXXX型慣導(dǎo)使用、維護(hù)人員的操作技能和維護(hù)保養(yǎng)、故障維修水平，減少人為因素造成的設(shè)備故障，提高維修人員的維修能力，解決由于準(zhǔn)備價(jià)格昂貴、研制生產(chǎn)單位產(chǎn)能限制而導(dǎo)致的院校任職培訓(xùn)、海軍訓(xùn)練基地實(shí)操教學(xué)等缺乏實(shí)裝設(shè)備問(wèn)題，本文提出了一種基于PE仿真平臺(tái)的三維虛擬建模技術(shù)，建立的X/XXXXXX型慣導(dǎo)虛擬拆裝訓(xùn)練和系統(tǒng)典型故障訓(xùn)練模塊直觀、逼真，避免了采用實(shí)裝訓(xùn)練成本高、風(fēng)險(xiǎn)大、周期長(zhǎng)，尤其對(duì)X/XXXXXX型慣導(dǎo)的維修訓(xùn)練，用實(shí)裝模擬故障幾乎無(wú)法實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)，大大提高了訓(xùn)練效果，節(jié)省了訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)。

[1]周海淵,程龍,毛亮.基于虛擬儀器的慣導(dǎo)故障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)2012,35(4):161-163.

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Naval Craft Navigation Device Virtual Support Research Based on the PostEngineer Virtual Simulation Platform

LI AngZONG Lei

(Tianjin Bureau of Navy Equipment Department,Beijing100071)

Applying real equipment to the train of operation and maintenance of equipment generally has several disadvantages including high cost,big difficulty,high risk and long period.But the virtual equipment technique which transplants some parts of train to the virtual equipment is able to avoid these shortages effectively.Applying the PostEngineer Virtual Simulation Platform which owns the ability of independently secondary developing to the design of virtual maintenance of naval craft navigation equipment achieved the 3-D virtual modeling and interaction of X/XXXXXX Inertia Navigation System.By supporting several-field knowledge digital modeling solving engine technique,the X/XXXXXX Inertia Navigation System which runs and responses as the law of system’s motion is established,which provides an intuitive and vivid maintenance and training environment for users.

virtual safeguard,PostEngineer,naval craft navigation equipment,inertia navigation

2016年3月12日,

2016年4月22日

李昂，男，碩士，工程師，研究方向：慣性導(dǎo)航。宗磊，男，助理工程師，研究方向：慣性導(dǎo)航。

TP391DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.017