虛擬維修仿真平臺(tái)基本要求研究

陳浩

【摘 要】研究了虛擬維修仿真平臺(tái)的基本要求，從平臺(tái)設(shè)計(jì)原則、硬件環(huán)境、軟件系統(tǒng)、實(shí)現(xiàn)功能幾個(gè)方面進(jìn)行了分析，并進(jìn)行了總結(jié)和展望。

【關(guān)鍵詞】仿真平臺(tái)；人機(jī)工程

通過在虛擬維修仿真平臺(tái)上進(jìn)行各種維修活動(dòng)的模擬，在設(shè)計(jì)早、中期即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品維修性的實(shí)時(shí)分析、評(píng)價(jià)與驗(yàn)證，有利于改善產(chǎn)品維修性設(shè)計(jì)，降低產(chǎn)品研制費(fèi)用，縮短產(chǎn)品研制周期。虛擬維修技術(shù)起源于飛機(jī)等大型復(fù)雜系統(tǒng)研制中對(duì)維修性工作的迫切需求，國(guó)外各大航空制造商、高等院校研究所均在虛擬現(xiàn)實(shí)和虛擬維修方面開展課題攻關(guān)，取得了一系列卓有成效的技術(shù)成果，以達(dá)索公司的DELMIA和UGS公司的Jack為主的虛擬仿真平臺(tái)已被廣泛使用。在國(guó)內(nèi)，虛擬維修仿真平臺(tái)已逐步開始在航空航天、汽車、船舶等多個(gè)行業(yè)中進(jìn)行應(yīng)用，目前部分企業(yè)已經(jīng)具備了初步的應(yīng)用水平，但較國(guó)外大規(guī)模的廣泛應(yīng)用還有很大差距。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)原則

虛擬維修仿真平臺(tái)包括硬件環(huán)境、底層支撐平臺(tái)、應(yīng)用功能模塊、數(shù)據(jù)資源庫(kù)四個(gè)部分。其中，硬件環(huán)境構(gòu)成整個(gè)平臺(tái)運(yùn)行的基礎(chǔ)硬件環(huán)境條件，底層支撐平臺(tái)為各類應(yīng)用提供支撐服務(wù)，應(yīng)用功能模塊為用戶提供沉浸式環(huán)境及桌面環(huán)境的各種具體應(yīng)用，數(shù)據(jù)資源庫(kù)為平臺(tái)及應(yīng)用功能模塊提供必要的數(shù)據(jù)資源保障。

虛擬維修仿真平臺(tái)的規(guī)劃和建設(shè)應(yīng)考慮以下原則：

1）真實(shí)性原則。需考慮產(chǎn)品的空間感及實(shí)際尺寸體驗(yàn)等信息的真實(shí)表達(dá)；使用戶能以真實(shí)的操作方式與虛擬產(chǎn)品進(jìn)行互動(dòng)；強(qiáng)調(diào)環(huán)境、流程、資源等與產(chǎn)品有關(guān)的因素可能帶來的影響。

2）支持大數(shù)據(jù)量。大數(shù)據(jù)量的支撐能力可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于巨大、復(fù)雜產(chǎn)品的完整虛擬樣機(jī)模型應(yīng)用。

3）先進(jìn)性原則。平臺(tái)各組成部分應(yīng)采用較為成熟、技術(shù)先進(jìn)的模塊組成，保證在一定時(shí)期內(nèi)不會(huì)過時(shí)，并能夠在未來3-5年中與相關(guān)的主流系統(tǒng)配合使用。

4）易用性原則。相關(guān)功能應(yīng)能集中在一個(gè)平臺(tái)中予以實(shí)現(xiàn)，平臺(tái)操作功能及界面應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔、實(shí)用。

5）集成性與可擴(kuò)展性原則。應(yīng)考慮與CAD及CAE系統(tǒng)數(shù)據(jù)的繼承性與兼容性，保證整體信息化體系的良性運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 平臺(tái)硬件環(huán)境

在硬件環(huán)境的規(guī)劃中，固定式沉浸環(huán)境、各桌面工作站等均可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，且可與服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

固定式沉浸環(huán)境所采用的硬件主要包括：圖形生成系統(tǒng)、投影顯示系統(tǒng)、定位跟蹤系統(tǒng)和虛擬外設(shè)裝置。圖形生成系統(tǒng)采用圖形工作站集群，其中1臺(tái)作為主節(jié)點(diǎn)，所有軟件在集群或單節(jié)點(diǎn)服務(wù)器中運(yùn)行；投影顯示系統(tǒng)由立體投影機(jī)構(gòu)成，提供三維沉浸感可視化環(huán)境；定位跟蹤系統(tǒng)包含位置跟蹤器、人體捕捉、手執(zhí)式交互設(shè)備、數(shù)據(jù)手套等。

CAVE是典型的固定式沉浸環(huán)境，由3個(gè)面或以上的硬質(zhì)背投影墻組成高度沉浸的虛擬演示環(huán)境，配合三維跟蹤器，用戶可以近距離接觸虛擬三維物體或者漫游虛擬環(huán)境，其特點(diǎn)是分辨率高、沉浸感強(qiáng)、交互性好。結(jié)合頭盔顯示器和單通道PowerWall激光投影顯示的固定式沉浸環(huán)境多用于部門級(jí)和科室級(jí)，硬件設(shè)備與CAVE類似，投影只需單通道或雙通道即可，演示效果較弱，但其他應(yīng)用功能足以滿足工作需求，且更為靈活和便捷。

除上述沉浸式硬件環(huán)境的建設(shè)外，通過對(duì)已有硬件資源的利用與整合可實(shí)現(xiàn)其他應(yīng)用，如對(duì)于數(shù)據(jù)資源庫(kù)的建設(shè)工作，需要有配套的硬件服務(wù)器設(shè)備支持，一般可與沉浸式系統(tǒng)中的主控計(jì)算機(jī)共用。

3 平臺(tái)軟件系統(tǒng)

虛擬維修仿真平臺(tái)通過軟件系統(tǒng)的各模塊協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)具體應(yīng)用功能。底層支撐平臺(tái)除了提供底層支撐服務(wù)，同時(shí)也是各軟件功能模塊及數(shù)據(jù)資源庫(kù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換的橋梁。平臺(tái)所有應(yīng)用在軟件系統(tǒng)中予以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可連接數(shù)據(jù)資源庫(kù)獲得各類模型資源的按需獲取。

底層支撐平臺(tái)作為軟件系統(tǒng)運(yùn)行的基本模塊，提供圖形用戶界面以及對(duì)各運(yùn)行硬件平臺(tái)的支持，其用途主要體現(xiàn)為：

1）系統(tǒng)資源調(diào)用與管理?？蓪?duì)操作系統(tǒng)的軟、硬件資源進(jìn)行調(diào)用和管理，在沉浸式環(huán)境下，除管理主控計(jì)算機(jī)外，還負(fù)責(zé)對(duì)各渲染結(jié)點(diǎn)的從屬集群計(jì)算機(jī)進(jìn)行設(shè)置和管理。

2）軟件功能的管理。提供軟件運(yùn)行基本功能和顯示優(yōu)化功能。

3）數(shù)據(jù)傳遞與管理。能與數(shù)據(jù)資源庫(kù)、數(shù)據(jù)發(fā)布模塊等進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交換，配合完成數(shù)據(jù)資源調(diào)用、結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)布等功能。

對(duì)于虛擬維修仿真平臺(tái)的用戶，幀速率低于每秒12幀時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的不舒服感，為了進(jìn)行平滑仿真，至少需要每秒顯示24到30幀的速率。另外，如果平臺(tái)延遲超過100ms，仿真質(zhì)量便會(huì)急劇下降，使用戶產(chǎn)生不舒服感。低延遲和快速刷新頻率要求平臺(tái)有高性能的CPU和圖形加速能力。

虛擬維修仿真平臺(tái)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的支撐，同時(shí)也需兼顧虛擬維修模型的簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化的方式分為兩類，一是對(duì)裝配體進(jìn)行多邊形簡(jiǎn)化，二是產(chǎn)品的裝配層次重組。前者是從仿真及外形要求上進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化，得到初步的虛擬維修樣機(jī)幾何模型，后者是從結(jié)構(gòu)上進(jìn)行精簡(jiǎn)，得到最終可用的幾何模型。

數(shù)據(jù)資源庫(kù)為系統(tǒng)及應(yīng)用功能模塊提供必要的數(shù)據(jù)資源保障，是基于工程虛擬樣機(jī)進(jìn)行各種實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)，可通過系統(tǒng)底層支撐平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各類模型的調(diào)用與管理。根據(jù)具體需求不同，數(shù)據(jù)資源庫(kù)包括標(biāo)準(zhǔn)工具庫(kù)、工裝庫(kù)、人體模型庫(kù)、維修場(chǎng)景庫(kù)等。

在虛擬維修仿真平臺(tái)中，維修仿真及模型管理需要通過各種接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、管理和控制，并開展維修性分析和評(píng)價(jià)。根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，仿真接口可分為：仿真控制接口、維修程序接口、場(chǎng)景管理接口、虛擬樣機(jī)導(dǎo)入接口、數(shù)據(jù)采集接口等。

4 平臺(tái)主要功能

物理仿真模塊是虛擬維修仿真平臺(tái)的物理仿真引擎，其主要功能有：

1）動(dòng)態(tài)干涉檢查。基于幾何的邊界算法可真實(shí)的對(duì)模型交互過程中的動(dòng)態(tài)干涉進(jìn)行仿真。

2）模型行為約束。支持對(duì)模型的行為進(jìn)行約束，使部件擁有更復(fù)雜的行為，以獲得更真實(shí)的虛擬樣機(jī)。

3）機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)大型工裝工具的虛擬驗(yàn)證。

人機(jī)工程模塊是虛擬維修仿真平臺(tái)最重要的模塊，用戶可選擇數(shù)據(jù)庫(kù)中滿足正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)的人體模型，也可定制實(shí)際情況需要的人體模型，能可視化顯示交互過程中的人機(jī)工效因素，支持人體模型運(yùn)動(dòng)仿真，支持沉浸式環(huán)境下的維修性分析、驗(yàn)證。主要用途有：

1）可視性和可達(dá)性分析。虛擬人具有接近真實(shí)的骨骼數(shù)量，可通過交互設(shè)備對(duì)骨骼進(jìn)行操作。可分別顯示虛擬人左、右手的可達(dá)范圍半球，以及虛擬人左、右眼的視錐。

2）舒適性分析。采用通用的人體舒適性標(biāo)準(zhǔn)，能以可視化的顏色等方式顯示虛擬人關(guān)節(jié)的舒適性信息。當(dāng)關(guān)節(jié)顯示為紅色時(shí)，表示維修人員在該操作姿態(tài)下舒適性較差。

5 總結(jié)和展望

虛擬維修仿真平臺(tái)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品維修仿真應(yīng)用，與總體和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等密切關(guān)聯(lián)，通過設(shè)計(jì)信息共享實(shí)現(xiàn)并行的一體化設(shè)計(jì)。

虛擬維修仿真平臺(tái)未來的主要技術(shù)發(fā)展包括維修任務(wù)建模與規(guī)劃技術(shù)、虛擬維修仿真技術(shù)和維修性分析評(píng)價(jià)技術(shù)等。

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