基于虚拟现实的舰船使用和维修性分析评价系统

张玉梅，魏沁祺，曾 俊

中国船船研究设计中心，湖北武汉 430064

基于虚拟现实的舰船使用和维修性分析评价系统

张玉梅，魏沁祺，曾 俊

中国船船研究设计中心，湖北武汉 430064

针对舰船总体使用和维修性设计验证手段不足的现状，基于并行工程思想，以虚拟现实、计算机仿真和高性能图形系统作为共性支撑技术，同时依据虚拟现实技术与CAD，PDM以及与使用和维修相关的CAE的集成，构建舰船使用和维修性分析评价系统。该系统构建了面向使用和维修的功能样船和动素层人体姿态库，基于可达性和人因工程两个指标完成舰船使用和维修性分析评价，通过与PDM系统集成实现数据管控与总体设计并行开展。本文的研究成果可为在设计阶段发现、解决舰船的使用和维修问题，提供普遍使用的技术依据和实施方法。

舰船设计；使用性分析；维修性分析；虚拟现实；仿真设计

0 引 言

在舰船设计中，总体设计人员需要谨慎考虑如何在有限的空间内布设复杂的管系和电缆，需结合全舰系统以及设备的使用和维修要求，布置各种装置和设施（如动力、武备、通信、导航、控制等设备及生活设施），以保证它们有机地集成并有效运行。目前，用于对设计方案进行补充、验证的物理和计算机仿真模型，大多都不适用于全船的使用和维修性设计验证，往往要等到实船系泊试验时才能进行定性评估。这种明显滞后的检验，给舰船产品的设计质量带来了非常不利的影响。为在总体设计阶段就能充分评估和解决舰船后续使用和维修过程中的问题，促进设计方案的改进，迫切需要研究一种针对舰船产品使用和维修性设计验证的新方法［1］。

针对舰船使用和维修性设计验证手段不足的现状，基于并行工程思想，将采用虚拟现实、计算机仿真和高性能图形系统作为共性支撑技术，同时强调虚拟现实技术与CAD，PDM以及与使用和维修相关的CAE的集成，构建舰船使用和维修性分析评价系统。一方面，将选择舰船上典型的系统设备密集舱室，进行人机工程分析，考察作业域中人机界面的可达性、舒适性和劳动强度等内容，为优化人机操作界面设计提供依据；另一方面，将进行拆卸、装配、工具和仪器使用等维修操作过程的规划、仿真和分析，对舰船总体维修性（包括人因工程、可拆卸性和可装配性等）进行验证，以尽可能在设计阶段就发现、解决舰船的使用和维修问题［2-3］。

1 国内外现状及差距分析

近年来，欧美等发达国家已将虚拟现实技术广泛应用于舰船、飞机等总体设计制造的各个阶段中。使用和维修作为装备全寿期的重要环节，是虚拟现实技术应用的重点领域之一。洛克希德·马丁公司海空集成实验室“着陆和舰载适应性”研究小组在F-35战斗机项目中，利用实尺寸沉浸式投影环境、人体实时动作捕捉系统和力反馈装置等虚拟现实设施，通过3D激光扫描仪快速捕捉和创建3D模型，综合考虑基地和船舶适应性、人因工程、维修性和可靠性等因素，完成了内部武器装载、紧急捕捉钩操作、联合发电装置维护、加油装置降落检查保护、发动机拆卸、升力风扇拆卸、捆绑装置操作、水上维护时的飞机尾翼装置操作、噪音控制、外部武器装载、飞机清洗以及分布式孔径有效区域检查等装备使用、维修和技术保养等过程的虚拟仿真模拟分析。该项目利用虚拟模型替代物理模型，成本降低了50%以上，其通过在早期及时发现和解决问题，积极有效地改善了飞机设计，解决了多个核心领域的整合问题，为设计变更节省了7.5亿美元。

国内研究的虚拟使用和维修系统大部分是通过接口从商用CAD系统中获取产品的数字化模型。清华大学等针对虚拟设计环境方面进行了研究；浙江大学CAD&CG国家重点实验室基于三维虚拟设备，在CAVE环境下开发了完全沉浸式的虚拟装配原型系统VAVDS；军械工程学院建立了专业的维修研究实验室，在维修性设计以及虚拟维修训练方面开展了研究，并已基于Jack平台开发了专门进行虚拟维修仿真、分析与评价的软件。

舰船结构复杂，系统设备众多，往往涉及“充、填、加、挂”等多种操作，维修环境狭小，破坏形式多样，且还受诸如时间、地点等外部因素的影响。目前对于舰船虚拟使用和维修平台的研究还不够深入，没有形成完整的体系，主要体现在：

1）虚拟使用和维修模型的真实度不高。

虚拟使用和维修样船与实船的相似程度有限，针对舰船产品的虚拟人体模型库尚属空白。

2）虚拟使用和维修仿真的分析评价功能不强。

对舰船使用和维修仿真过程中涉及的维修资源、作业流程和人员等因素缺乏系统的考虑，仅能提供初步的验证功能，无法实现对使用和维修进行定性或定量的分析评价。

3）虚拟使用和维修应用系统的数据管控能力不强。

缺乏合理、完善的组织及管理舰船使用和维修原始信息及仿真数据的技术手段。由于舰船虚拟使用和维修应用系统与商用CAD系统的数据转换过程繁琐，仿真结果、改进设计意见和建议不能及时、有效地反馈到CAD系统中，因而无法实现使用和维修性设计验证与总体设计的并行开展。

针对上述不足，本文将分别给出解决方案。

2 虚拟使用和维修模型构建方法

2.1 虚拟使用和维修功能样船建模

面向虚拟使用和维修的数字样船包括使用和维修对象模型、维修工具模型及舱室环境模型，既要保证与实际装备在几何外形上的高度相似，又必须为虚拟环境提供充足的功能信息，是典型的功能样船。在使用和维修任务信息的驱动下，首先从三维设计CAD系统中提取使用和维修对象、维修工具及舱室环境的组成、层次结构以及装配信息等数据，产生新的对象、工具、舱室环境属性数据及装配信息，然后再根据使用和维修任务将三者组合起来，形成功能样船模型［4］，建模过程如图1所示。

虚拟使用和维修功能样船建模重点解决从舰船CAD系统到虚拟使用和维修系统转换过程中模型信息提取、剔除、优化和功能属性添加的问题，主要体现在以下几方面：

图1 从CAD系统到虚拟使用和维修功能样船的建模过程Fig.1 Modeling process from CAD system to virtual function ship of operation and maintenance

1）使用和维修对象模型构建方法。

虚拟使用和维修对象所需的原始几何数据从舰船CAD系统中获取，例如，零部件的几何模型、材质、体积、质量、颜色等。对象内及对象间的装配约束关系，如零部件的解脱方式、拆卸顺序、拆卸运动路径等，则需要利用CAD系统中的装配信息进行推理，由计算机自动进行或用户手工输入。使用和维修对象的关联性信息，如维修资源、维修技术要求等，可以从可靠性和维修性（RMST）的相关数据信息和标准中获得。

2）基于功能特征的维修工具参数化设计。

舰船维修工具主要包括两类：连接类和破坏类。连接类主要是紧固件的装拆工具，该类工具在装配过程中引导零件建立连接关系，在拆卸过程中引导零件解除连接关系，如扳手、螺丝刀等均属于这类工具；破坏类工具的操作过程通常伴随着零件不同程度的变形，该类工具主要包括锤类、钳类和刀具类等。为提高维修工具的利用性，避免每次调用不同型号的同类工具时都要重新建模，考虑了基于参数化的设计方法，通过定义图形间的拓扑关系以及改变具体零件尺寸来产生同类型的零件模型。

3）舱室模型数据轻量化。

由于舰上布置了各种装置和设施，如动力、通信、武备、导航、控制等设施和生活舱室以及各种复杂的管系、电缆等，因而舱室环境涉及的模型数据量极其庞大和复杂。目前，船舶行业主流CAD软件CADDS5，FORAN无直接支持虚拟仿真软件DELMIA的模型格式转换器。如何将舱室环境模型轻量化，正确合理地优化舱室三维场景数据，有效实现大场景调度管理，提高虚拟使用和维修系统运行的流畅度和逼真度，是当前亟待解决的难题。

2.2 基于真人动作捕捉的虚拟人体建模

虚拟使用和维修人体建模包括形体和动作建模。根据《用于机械安全的人类工效学设计》（GB/T 18717）标准，采用人体的主要指标（身高、臂长等），然后再根据需要选择人体其它部位尺寸生成舰员人体模型。对于舰船这样的大型复杂系统，基于过程分段和分层设计思想，使用和维修操作可以按照“使用和维修任务—使用和维修事件—使用和维修作业—使用和维修动作—使用和维修动素”的层次划分［5］，如图2所示。

图2 舰船使用和维修层次分解关系图Fig.2 Decomposition relationship chart of warship operation and maintenance level

根据舰船使用和维修动作的特点，将其分为了移动类和操作类。移动类动作是指舰员在使用和维修过程中的位置移动和姿态变化与调整；操作类动作则是指使用和维修的徒手操作和使用工作操作。在建模过程中，将这两类动作划分为了10类动素，以便采用统一的参数来描述运动特征，实现参数化。动素类型、名称和定义如表1所示［6-7］。

利用商用软件平台DELMIA，基于使用和维修动素层构建人体姿态库，用户仅通过对姿态库中的基本姿势进行组合便可建立适合使用和维修操作的动作。DELMIA软件的人机工程模块对虚拟人体模型的姿势控制是一个难点，用户很难把握虚拟人当前作业姿势的准确性，因而调整人体作业姿势往往是一个反复修改的过程，其不足之处主要体现在以下5个方面：

1）通过IK系统调节的人体姿态不是很自然，不符合人体运动学特征。

2）一些舰船特有的动素姿态无法在现有人体姿态库中找到。

3）创建新的动素姿态用时过长。

表1 舰船使用和维修动素类型、名称和定义Tab.1 Type，name and definition of warship operation and maintenance motion elements

4）现有的动素姿态交互复杂，修改困难。

5）现有的人体姿态未考虑物理环境，如重力等因素，过于理想化。

为解决上述问题，可采用真人动作捕捉技术，快速、准确记录人体的动作，进行延时分析或多次回放，从而极大提高虚拟使用和维修动素层人体姿态建库的速度和生物力学特征的准确性。光学式全人体动作捕捉系统通常由6～12个高速相机环绕表演场地排列，这些相机的视野重叠区域就是表演者的动作范围。表演者穿上单色的服装，并在身体的关键部位，如关节、髋、肘、腕等位置贴上特制的标志或发光点（Marker）。相机连续拍摄表演者的使用和维修动作，并将图像序列保存下来，然后进行分析和处理。通过识别其中的标志点，并计算其在每一瞬间的空间位置，就可得到表演者准确的运动轨迹［8］。通过捕获的运动数据驱动虚拟人体，完成使用和维修动素层人体姿态建立的工作流程如图3所示。

图3 全人体动作捕捉系统工作流程Fig.3 Work flow of human body motion capture system

3 舰船虚拟使用和维修仿真及分析评价

3.1 舰船虚拟使用和维修仿真

舰船虚拟使用和维修仿真研究按照预定的使用和维修任务过程，在虚拟环境下完成一系列动作，包括虚拟人的行为、虚拟样船行为以及虚拟人—虚拟工具—虚拟样船之间的交互行为。舰船虚拟使用和维修仿真必须按照实际的使用和维修任务流程，才能将仿真结果反馈到舰船的设计过程中，从而提供辅助决策。重点解决的问题主要有以下两方面：

1）设备拆装规划仿真。

对于大型舰船而言，维修作业往往在特定的狭小维修空间内（如辅机舱、驾驶室、作战指挥室等）完成，维修通道对设备的拆装方向具有很大的影响。因此，在对设备进行拆卸分析时，必须研究其它设备对拆卸方向的影响。以使用和维修功能样船为对象，应建立完整的拆装信息模型，如用于描述拓扑信息的拆装层次关系模型、拆装关联关系模型、配合约束关系模型以及拆装结构模型等，获取人员、工具、对象之间的空间干涉与碰撞信息，进而分析部件的可行拆装路径，并对拆装路径进行插入、删除、直接插补、曲线插补等操作，以此确定最优拆装顺序。

2）虚拟人使用和维修过程仿真。

使用和维修过程实际上是人—舰船—维修工具三者之间相互作用的过程，人体基于运动学的动作模型没有考虑环境对执行动作的影响，在仿真过程中无法实现对障碍的规避，导致出现穿插现象。可从移动类和操作类动作模型两个大的层面进行分析，采用基于运动学与运动规划相结合的方法来实现虚拟使用和维修过程的仿真。通过运动规划，在给定的初始姿势和目标姿势之间找出一条满足运动约束的路径，并将其转化为运动轨迹，然后再由动作模型驱动虚拟人沿给定的轨迹运动，从而实现对舰员动作的仿真［9］。

3.2 基于虚拟仿真的舰船使用和维修性分析评价

舰船是一个复杂的系统，考虑从任务的角度评价整船的使用和维修性，从零部件的角度研制分系统的使用和维修性，这样既可从宏观上给出评价，判断其是否实现总体要求，又可准确描述和定位存在的问题，便于设计人员理解和分析问题的原因。根据这一特点，使用和维修性分析评价可以按照“使用和维修任务—使用和维修事件—使用和维修作业—使用和维修动作”的层次进行。使用和维修过程或状态的描述数据、可靠性和维修性设计信息、检测到的初始障碍数据分别为不同层次使用和维修性分析评判的依据。根据预先制定的判断准则，可从使用和维修可达性与人因工程这两种属性的优劣程度对检测到的初始障碍数据加以判定和分析。从使用和维修难度方面对舰船的使用和维修性给出量化的优劣结论，其基本思路如图4所示。

图4 基于虚拟仿真的舰船使用和维修性分析评价思路Fig.4 Analysis and evaluation ideas of warship operability and maintainability based on virtual simulation

可达性和人因工程是舰船虚拟使用和维修仿真评价的关键依据。可达性是舰员及工具设备接近产品不同组成单元（操作、维修部位）的相对难易程度，可分为视觉可达性、接触可达性和拆卸可达性等子属性。视觉可达性用于分析评价舰员在作业过程中能否清晰地看见待操作部件；接触可达性反映了作业空间、维修通道对部件使用和维修工作的影响；拆卸可达性反映了部件布局、紧固件的选用、维修工具使用等方面对部件拆卸作业的影响，在拆卸某一部件之前须拆卸的干涉部件数量越少、拆卸代价越小，便证明该部件的拆卸可达性越好。人因工程是根据对人体各部分的姿势、用力情况和肌肉的使用情况来研究和评估由于工作原因造成人体生理损伤风险的大小。

按照障碍的表现形式，使用和维修障碍可分为可达性障碍和人因工程障碍。可从使用和维修可达性与人因工程这两种属性的优劣程度对检测到的初始障碍数据加以判定，具体的判断依据、描述数据和数据获取方式如表2所示［10］。

根据使用和维修任务完成过程中发生障碍对应因素的影响权重，建立使用和维修难度数学模型

表2 舰船使用和维修初始障碍的信息判断Tab.2 Initial barriers information judgment of warship operation and maintenance

式中：S为某任务的使用和维修难度；m为完成该任务的使用和维修操作需要的事件数；n,l为每个使用和维修作业的作业数；Xi，Yij，Zijk为每项使用和维修事件的难度；α为任务层使用和维修难度的修正系数；β为事件层使用和维修难度的修正系数；γ为作业层使用和维修难度的修正系数［11］。

4 舰船虚拟使用和维修数据管控方法

舰船产品的使用和维修信息属工程数据范畴，为确保在数字化的虚拟环境中使用信息，一方面，可将上述信息进行合理组织，使用相关的文本和几何数据建立一种方便用户和其他应用系统访问的手段，建立单一数据源管理图形及附加属性；另一方面，可通过与PDM系统进行集成来管理上述信息，为实施舰船使用和维修性设计提供集成框架支持，从而改变以往舰船使用和维修性设计不能融入总体设计过程的局面，体现了并行工程的设计理念。

舰船虚拟使用和维修性分析评价系统从PDM系统中获取所需要的数据信息，如CAD数据、可靠性信息、故障信息、使用和维修性设计要求等，用于在虚拟环境中新建使用和维修任务或导入已存在的使用和维修任务，利用虚拟现实的交互功能，在虚拟环境中对数字样船进行操作使用、拆卸与装配过程的规划、过程仿真以及分析与评价等工作。所形成的过程数据与结果数据将提交到PDM系统统一管理。舰船虚拟使用和维修性设计分析评价系统与PDM系统的关系如图5所示。

图5 舰船虚拟使用和维修性设计分析评价系统与PDM系统的数据关系Fig.5 Data relationship from the virtual analysis and evaluation system of warship operability and maintainability to PDM system

5 舰船虚拟使用和维修应用系统构建方案

舰船虚拟使用和维修应用系统分为数字样船、使用和维修仿真、使用和维修性分析评价以及系统管理这4个相对独立的功能模块。数字样船模块包括几何数据处理、虚拟样船装配及样船行为确定；维修仿真模块包括建立仿真场景、单元仿真、仿真过程控制和仿真检测；使用和维修性分析评价模块包括定性分析与评价、拆装时间估算、设计修改建议及生成分析评价报告；系统管理模块包括系统运行管理、系统数据管理及系统基础数据维护管理。

该系统是一个复杂的应用集成平台，平台内具有标准的软、硬件接口，整体上形成一个完整的面向工程的虚拟使用和维修应用环境。该系统的总体架构采用分层结构，分为界面层、应用层、对象层和技术支持层4个层次［12］，如图6所示。

1）界面层。界面层是用户与系统的交互方式和接口，包括输入界面和输出界面。输入界面用于接受用户的输入命令、响应用户的鼠标和键盘输入，接收来自舰船CAD系统和RMST系统的数据；输出界面用于将应用层的处理结果以可视化的交互方式反馈给用户。

图6 基于虚拟仿真的舰船使用和维修性设计分析与评价系统架构Fig.6 Analysis and evaluation system architecture of warship operability and maintainability based on virtual simulation

2）应用层。应用层是系统应用的核心，主要包括建模、仿真和分析评价工具。建模包括虚拟使用和维修功能样船建模与虚拟人建模，其中功能样船建模包括CAD数据转换、样船装配和行为建模，虚拟人建模包括形体和动作建模。仿真包括对零部件的各种拆装操作、运动约束、碰撞和干涉检查等。分析工具主要是基于可达性和人因工程两个指标进行障碍确认和等级分析。最后，对分析结果予以综合，计算使用和维修任务难度，形成舰船使用和维修性设计的总体评价。

3）对象层。对象层用于存取、生成、维护和管理系统运行过程中的功能样船模型对象、虚拟人模型对象以及使用和维修过程模型对象，提供系统的数据支持。使用和维修功能样船模型用于描述使用和维修装备或零部件的几何信息、装配关系，以及人—机交互特征的信息组织结构；虚拟人模型用于描述基于过程分段和分层设计思想的人体姿态信息结构；使用和维修过程模型用于描述舰船装备使用和维修的步骤，以及每个维修步骤中零部件的拆装路径等信息。

4）技术支持层。技术支持层是支持基于虚拟使用和维修应用系统运行的各种软、硬件平台，包括全人体动作捕捉系统、虚拟人体建模和仿真软件，以及系统数据管理系统PDM和网络环境。其中，全人体动作捕捉系统用于获取人体的姿态信息；虚拟人体建模和仿真软件DELMIA用于实现虚拟人建模和人机工程仿真；系统数据管理系统PDM用于管理虚拟使用和维修设计分析评价系统的输入、输出以及中间数据，提供与CAD系统和RMST系统间的接口；网络环境用于向系统提供网络通信和安全支持。

6 结 语

基于虚拟仿真的舰船使用和维修性分析评价技术是舰船数字化设计的重要发展方向，其研究的基本方法和思路对于开展舰船总体使用和维修性设计具有一定的参考价值。开展基于虚拟现实的舰船使用和维修研究对于提升我国舰船总体设计能力，提高使用性能，缩短研制周期，降低维护维修费用等具有十分重要的意义。

［1］李佳.基于虚拟现实技术的船舶维修性验证系统研究［J］.中国舰船研究，2008，3（2）：70-73.

LI Jia.Research on the maintainability verification system of ship based on virtual reality technology［J］.Chinese Journal of Ship Research，2008，3（2）：70-73.

［2］朱文革，李世奇，尹文生.海军舰船装备的虚拟维修［J］.中国修船，2004（5）：37-40.

ZHU Wen'ge，LI Shiqi，YIN Wensheng.Virtual maintenance for the naval ship equipment［J］.China Ship Repair，2004（5）：37-40.

［3］HOUTEN F J A M，KIMURA F.The virtual maintenance system：a computer-based support tool for robust design，product monitoring，fault diagnosis and maintenance planning［J］.Annals of the CIRP，2000，49（1）：91-94.

［4］ 邵开文，马运义.舰船技术与设计概论［M］.北京：国防工业出版社，2005：790-822.

［5］王异香.基于虚拟维修仿真的人机工效分析研究［D］.南京：南京航天航空大学，2007.

WANG Yixiang.Research on ergonomic analysis based on virtual maintenance simulation［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2007.

［6］常高祥，徐晓刚，张雷.虚拟维修中虚拟人的动作模型设计［J］.工程图学学报，2011，32（1）：99-103.

CHANG Gaoxiang，XU Xiaogang，ZHANG Lei.The design of virtual human’s action models in virtual maintenance［J］.Journal of Engineering Graphics，2011，32（1）：99-103.

［7］BADLER N I，ERIGNAC C，LIU Y.Virtual humans for validating maintenance procedures［J］.Communications of the ACM，2002，45（7）：56-63.

［8］姚旭东.基于运动捕捉获数据的虚拟人建模及运动仿真［J］.计算机仿真，2010，27（6）：225-229.

YAO Xudong.Modeling and motion simulation of virtual-human based on motion-capture data［J］.Computer Simulation，2010，27（6）：225-229.

［9］蒋伟.基于虚拟人的维修可达性仿真及评价技术研究［D］.长沙：国防科学技术大学，2009.

［10］王占海，翟庆刚，虞健飞，等.考虑工效学的飞机维修性虚拟分析和验证［J］.中国民航大学学报，2009，27（4）：56-59.

WANG Zhanhai，ZHAI Qinggang，YU Jianfei，et al.Maintainability virtual analysis and verification technologies of aircraft considering ergonomics［J］.Journal of Civil Aviation University of China，2009，27（4）：56-59.

［11］ 郝建平.虚拟维修仿真理论与技术［M］.北京：国防工业出版社，2008：351-379.

［12］柳辉，郝建平.基于虚拟维修仿真的维修性分析系统设计与实现［J］.系统仿真学报，2006，18（2）：378-383，394.

LIU Hui，HAO Jianping.Design and implementation of virtual maintenance simulation based maintainability analysis system［J］.Journal of System Simulation，2006，18（2）：378-383，394.

Evaluation of Overall Warship Operability and Maintainability Based on the Technology of Virtual Reality

ZHANG Yumei，WEI Qinqi，ZENG Jun China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

To resolve the current deficiency in the design verification means for overall warship operability and maintainability，an evaluation system is constructed in this paper，based on the generic technology of concurrent engineering，virtual reality，computer simulation and high-performance graphics processing.Particularly，the development emphasizes the integration of virtual reality and softwares that relate to the warship operation and maintenance such as CAD，PDM，and CAE.The digital functional ship is first modeled，and the human body posture library is also constructed in accordance with the therblig layer.The evaluation process then commences based on the principle of merged accessibility and ergonomics，with the parallel operation of data control and overall design being realized through the PDM system integration.In brief，the analysis presented here provides universal technical basis as well as implementation measures to locate and resolve the potential problems during the stage of warship operation and maintenance design.Key words：warship design；operability analysis；maintainability analysis；virtual reality；simulation-based design

U662.9

A

1673－3185（2013）02－06－07

10.3969/j.issn.1673-3185.2013.02.002

http∶//www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20130313.1502.002.html

2012－05－28 网络出版时间：2013-03-13 15∶02

国防基础科研计划资助项目（A0820133005）

张玉梅（1981－），女，硕士，工程师。研究方向：虚拟现实仿真及可视化。E-mail：zhangyumei821202＠sina.com魏沁祺（1979－），男，博士，工程师。研究方向：计算机系统结构。E-mail：weiqinqi＠163.com

张玉梅。

胡文莉］