鱼雷使用与维修IETM的开发与实现

徐 蕾, 刘惠琴



鱼雷使用与维修IETM的开发与实现

徐 蕾, 刘惠琴

(中国船舶重工集团公司 第 705 研究所, 陕西 西安, 710075)

为了克服纸质技术手册在鱼雷使用、保管及更新上带来的种种困难, 对采用交互式电子技术手册(IETM)进行鱼雷使用与维修进行了探索。首先对当前IETM的开发现状及关键技术进行了分析, 然后针对鱼雷装备的特点, 开展了鱼雷使用与维修IETM的开发研究, 包括: 总体开发框架的搭建、通用开发平台的选择以及技术实现。在技术实现上, 重点从鱼雷IETM的开发标准、内容数据模型的定义、虚拟仿真功能的实现、交互功能的实现以及IETM的系统集成这5个关键方面进行了阐述, 最后展示了鱼雷IETM的实例开发效果。

鱼雷使用与维修; 交互式电子技术手册; 虚拟维修仿真

0 引言

鱼雷交付用户时, 除交付产品本身之外, 与之同期配备的还有产品使用说明书、产品使用与维修规程、设备使用说明等技术资料。这些技术资料大都为纸质文档, 随着纸质文本数量和复杂性的急剧增加, 纸质技术文档在鱼雷设计、生产、培训、使用和维修保养过程中存在的问题也逐渐暴露出来, 其中较为突出的有: 纸质资料的编制周期长, 更新和修订较为困难; 资料的体积大, 不便于保管和携带; 资料的检索、查询费时、费力, 使用效率低等。因此, 开发交互性强、易使用、易维护的交互式电子技术手册(interactive electronic technical manual, IETM), 对形成鱼雷的装备能力, 提高舰船装备的后勤保障水平, 具有重要的现实意义。

当前, 由于IETM在鱼雷行业中的应用还处于起步阶段, 因此本文开展了面向鱼雷使用和维修IETM的研发, 以探索鱼雷IETM的实现途径。

1 IETM开发的关键技术

1.1 标准化技术

IETM的核心问题是信息共享、产品数据的互操作, 而标准则是实现信息共享的前提和基本保证。因此IETM的所有创作与实施都必须在相关标准的严格指导下才能进行。目前IETM的标准有以下几类。

1) 国际标准

主要有两大体系: 一是美军标MIL-PRF- 87268A《交互式电子技术手册通用内容、风格、格式和用户交互要求》[1]和MIL-PRF-87269A《交互式电子技术手册可修改数据库》[2], 另一个是欧洲标准S1000D《基于公共源数据库的技术出版物》[3]。

从标准建立的基础来看, 由于美军标基本数据元素划分的更细, 所以其数据共享和相互引用更方便, 不只是基本元素之间可以相互链接共用, 特定内容层各类信息也可以实现共享; 而S1000D标准对更低层次元素的共享却有一定的局限性。

从专注的领域和理念来看, 美军标主要面向军事装备领域, 对军事领域的特殊性有更多的考虑, 因而容易形成成熟的IETM产品; 而S1000D标准则致力于将所有军民品装备纳入其中, 通过版本的迅速更新使IETM的概念和内涵不断扩大, 有利于不断整合相关资源和系统, 但缺点是把一个技术手册问题复杂化, 不便于形成高效成熟的IETM产品。另外开发基于S1000D的手册还必须首先确定是采用哪个版本, 因为不同版本间很可能存在不兼容问题。

2) 国内标准

包括2个系列: 国标GB-T24463系列[4]和国军标GJB 6600系列[5]。其中, GB-T24463系列近似于S1000D, 主要规定了IETM互操作性体系的结构、用户界面与功能要求、公共源数据库要求; 而GJB6600系列则更接近美军标, 主要规定了我军装备IETM的功能、内容、样式、数据格式及管理信息要求、数据模块和信息控制代码的编码要求、数据模块通用层和信息层的元素、格式及关系等要求。

当前国内各行业IETM标准的应用状况是: IETM的行业技术规范尚未统一制定, 各研制单位IETM的体系结构和信息格式仍不一致, 技术资料也未做到真正的共享。因此选择上述哪类标准来有效指导各自行业IETM的开发, 仍需IETM开发者把握和取舍。

1.2 交互式虚拟仿真技术

为使装备后勤保障人员能快速、准确地获取和掌握维修保障信息, 并在维护保养、故障诊断方面给予更便捷的技术服务, IETM在开发中通常采用交互式虚拟仿真技术来模拟装备实际维修过程中的拆装、零部件更换、性能检查以及零部件分解等活动。

当前, 用于IETM交互式仿真的传统软件有EON Studio, Virtools等。它们都提供了虚拟零部件动作仿真以及人机交互动作控制的功能[6], 但这些软件提供的都是抓握、释放、移动等低层的基本动作模型, 其动作模型并不明确关联到具体的维修装备或维修人。因此在对实际维修作业进行虚拟仿真时, 如果直接用低层基本动作模型对具体的维修动作进行仿真, 必将造成模型复用率低、动作仿真量大和运行效率低等问题。因此, 如何有效开展交互式虚拟仿真就成为IETM开发者必须解决的问题。

1.3 IETM的开发平台

目前, IETM的开发平台主要分为专用开发平台和通用开发平台。专用开发平台主要是国外军用或商用的IETM开发软件, 如: 美国雷神公司的AIMSS系列软件, 美国波音公司的Qui1121制作平台等。这些软件的针对性强, 使用方便, 但价格昂贵, 来源渠道有限, 且大多是以1995年美国国防部颁布的军用技术规范为依据制作的, 其后台制作系统和前台显示系统相互依赖, 缺乏平台间协同工作的能力。

通用开发平台主要指借用各种通用商业现货 (commercial off the shelf, COTS)软件来制作和发布IETM, 如: 数据模块的编写可使用Altova XML Spy, Arbortext Editor等软件, 公共源数据库(common source data base, CSDB)的制作可使用Delphi, Power Designer和Microsoft SQL Server等软件, 前台显示系统可使用Microsoft Visual C++软件制作[7], 也可以利用操作系统自带的浏览器来进行信息发布。采用这些软件制作IETM, 成本低, 使用灵活, 但也存在以下问题: 1) 技术文档创编的自动化程度低; 2) 开发规范不统一; 3) IETM自我更新能力较弱; 4) 系统功能比较单一。

探究造成上述现象的原因, 除了技术层面既有的问题之外, 更主要的还在于各单位将IETM的开发与IETM创编支持工具的开发混同起来, 即认为IETM的开发过程需要从底层支持工具的开发开始, 因此造成要么IETM的信息内容及编排单一, 要么支持工具的能力低下等问题, 交付的IETM产品性能自然也大打折扣。为此, 选择符合本国IETM开发需求的通用开发平台, 就成为IETM开发者必须考虑的问题。

2 IETM设计

2.1 需求分析

通过对鱼雷使用与维修实际需求的调研及分析, 得出鱼雷使用与维修IETM(以下简称IETM)应具备以下功能。

1) 可导入鱼雷装备、检修工具与设备的CAD数据以及使用与维修的任务序列;

2) 通过IETM目录树的浏览, 使维修人员能够了解鱼雷的组成结构、工作原理、技术性能、安全使用规程、维护与保养等专业知识;

3) 通过在虚拟环境中对鱼雷维修操作过程的仿真培训, 使维修人员能够尽快掌握鱼雷装备使用与维修的操作规程;

4) 通过在虚拟环境中对鱼雷的拆卸仿真培训, 使维修人员能够直观了解鱼雷的装配结构以及组成零部件的属性;

5) 通过对故障知识的学习, 使维修人员能够及时获知故障产生的原因以及故障排除的方法;

6) 通过维修经历簿的浏览, 使维修人员能够了解鱼雷维修与处理的历史情况;

7) 通过添加改进维修过程或维修产品的反馈意见注释, 可加强维修人员与开发人员的交流。

图1为IETM系统的建立及使用流程。

2.2 总体开发框架

基于虚拟仿真的鱼雷IETM的开发过程可归结为: 从底层数据出发, 经过IETM功能模块对装备数据的分析、处理得到相应的结果, 将结果通过IETM用户界面传达到应用层, 再通过与用户交互的方式, 最终达到鱼雷使用与维修训练的目的。IETM系统的实现框架可用基本数据层、构件层和应用层3个层次加以描述, 如图2所示。

图1 IETM建立和使用流程

2.3 通用开发平台

本文采用SuperManual这一面向国内IETM实际开发需求的通用开发平台来进行IETM素材的分类定义、集成及发布。SuperManual的功能特色主要体现在以下几方面。

1) 所见即所得

提供所见即所得的开发环境, 使用者只需要具有基本文档组织经验, 不需具备编程知识就可直接开发, 极大地提高了用户开发IETM的效率。

2) 标准化

采用标准化的数据模型组织IETM技术信息, 可导入和导出XML格式的信息文件, 以利于用户在不同厂商开发的IETM之间进行信息交换。

3) 资料复用

最大程度地兼容装备已有信息资料, 除常见的文本、表格、图像、视频、动画等信息形式外, 允许用户通过安装插件的方式导入不同格式的技术资料到IETM中, 包括AutoCAD, Pro/E等。此外, 通过COM组件扩展接口, 还可实现用户自定义格式信息的展示。

4) 即时调试

IETM的创编工具与浏览器有机集成, 允许用户在IETM的开发中, 查看任意信息单元的浏览和展示效果, 以方便调整信息的风格和样式。

5) 故障诊断

支持基于故障诊断树模式的专家系统开发。还能够导入测试性建模软件TEAMS生成的故障诊断策略等。

图2 IETM实现框架

2.4 技术实现

2.4.1 开发标准的选择

为使鱼雷IETM的应用能遵循统一的标准, 以便创作出具有良好的移植性、交互性、互操作性的IETM, 本文选择了GJB6600系列作为开发标准, 这主要基于以下两点考虑:

1) GJB6600立足于我军装备的保障情况和发展需要, 总结并统一了IETM的顶层需求, 规定了开发IETM时的基本要求、数据结构以及技术信息的编码定义, 因而它对于鱼雷武器装备研制中IETM技术的推广和应用具有实际指导意义。

2) GJB6600虽接近于美军标, 采用内容数据模块来创建和管理IETM, 并以中性格式来存储信息, 但GJB6600在具体规定上更加详实, 如对故障维修和零部件分解等方面就作了进一步的规定, 因而对于鱼雷装备IETM的开发更具有可操作性, 并易形成更成熟的IETM产品。

2.4.2 内容数据模型的定义

由于IETM涵盖了大量装备使用和维修过程中所需的技术信息, 为规范管理这些技术信息, 必须首先对这些信息进行规范化分类, 以建立起标准化的IETM内容数据模型(content data model, CDM)[8]。从鱼雷当前使用与维修的实际需要出发, 本文构建了基于主题的CDM, 如图3所示。

图3 基于主题的IETM内容数据模型

该模型把鱼雷的技术信息划分为3个层次, 即应用信息层、通用信息层和基本信息层。在应用信息层, 按照应用主题可以将鱼雷技术信息分为4类, 分别为通用说明信息、操作信息、故障诊断与维修信息, 以及保障器材信息; 在通用信息层, 将应用信息从功能角度进一步分解为描述单元、任务单元、故障诊断单元和零部件单元这4类通用信息单元, 由多个通用单元即可组合成各种应用信息; 基本信息层则由文本、表格、图形、音频/视频、外部程序及对话框等单元组成。技术信息在计算机中最终是以基本信息的形式进行存储, 然后对其进行组合, 以使之生成所需的各类应用信息。

2.4.3 虚拟仿真功能的实现

本文选用Cortona3D这一功能较强的虚拟培训软件予以实现。该软件能够为鱼雷装备的技术支持、维护及运行快速创建交互式3D动画仿真, 并将其开发结果作为独立项并入IETM中。在具体实现上, 利用该软件虚拟培训编辑器(virtual training editor, VTE)中提供的3D视窗以及简明的命令语言界面来创建可视化的装备维修、分解全过程仿真, 以达到人员培训和技术训练的目的。

2.4.3.1 虚拟维修操作的仿真实现

维修分解是虚拟维修仿真的前提。在维修工程中, 产品的维修可分解成4个层次: 维修、维修任务、维修作业和基本维修作业[9]。如图4所示。

图4 某泵的维修分解描述

为此, 在基本保持现有维修分解层次的基础上, 对其进行了进一步的分解, 即在“基本维修作业”之下又新增加一个“基于对象的维修动作层”, 如图4虚线框所示。在此层上建立起基于对象的关联动作模型, 通过这些基于具体动作对象的动作模型, 就可直接承载Cortona3D软件提供的各种基本动作指令。将这些基本动作指令再组合, 即可仿真更高层次的维修动作。由此大大提高维修仿真的效率。

图5为某排水瓶维修动画设计的截屏图。

2.4.3.2 交互式零部件目录的实现

对于鱼雷维修保障人员来说, 零部件的数据信息管理是其中不可缺少的工作环节之一: 维修保障人员既需要与准确的零部件数据进行比对, 又需要有行之有效的方法来获取或展示这些关键信息。因此本文通过创建3D交互式零部件目录(interactive part catalog, IPC)以满足维修保障人员的需求。一个鱼雷3D IPC由若干张或若干页内容组成, 主要包含:

图5 某排水瓶虚拟维修动画的设计

1) 3D图形: 零部件的3D表现形式;

2) 详细零部件列表(detailed part list, DPL): 零部件数据的一种构成列表, DPL的每一行都通过相应的3D图像列出插图。

通过采用Cortona3D的虚拟零部件目录编辑器(virtual part editor, VPE)可建立起鱼雷系统的IPC, 为用户提供零部件拆卸演练、属性查询以及与传统2D图像及文字信息类似的导航系统页。图6为某泵的零部件拆卸及属性查询交互式仿真截图。

图6 某泵交互式零部件目录的设计

2.4.4 交互功能的实现

鱼雷IETM通过采用对话框、选择框等交互方式来引导用户完成故障诊断和维修维护。在具体实现上, 以鱼雷使用与维修手册为基础, 采用了SuperManual的故障单元创建工具, 建立起适用于鱼雷装备的各类故障模式, 并以用户熟悉的故障树形式来组织每一个具体故障的诊断和排除过程。其交互式故障诊断及排除的方法如下。

用户首先将检测结果或观察到的故障现象输入IETM系统, IETM浏览器再将获取的检测数据与相应故障模式进行匹配, 最终确定出装备发生故障的原因, 并由此输出故障排除的建议方案。采用此方法, 可使维修人员能尽快掌握故障产生的原因以及故障修复的方法, 从而提高鱼雷故障维修的效率。图7为某舱的故障诊断与排除示例。

图7 交互式故障诊断与排除示例

2.4.5 系统集成的实现

采用SuperManual实现鱼雷IETM系统集成的方法是:

1) 采取我军标准的文档定义类型来定义IETM的数据类型;

2) 采用符合我军标准的数据模块来编排IETM的技术信息;

3) 通过灵活多样的链接和导航方式以实现各类信息的跳转和快速查询;

4) 按照XML的格式导入和导出信息文件, 便于鱼雷IETM集成到其他保障系统中。

图8为鱼雷IETM的集成开发效果。

图8 IETM集成开发的效果

Fig. 8 Effect of integrated IETM development

3 IETM开发效果

下面以某泵的拆卸操作仿真为例来说明IETM的开发效果, 如图9所示。

图9所示的拆卸仿真系统具有以下特点:

1) 可直观显示3D组件/部件/零件的拆装、清洗及检查等全过程操作;

图9 某泵拆卸操作的交互式仿真

2) 操作步骤(高亮显示)与相关动画视频同步显示, 操作演示时还配备音频解说;

3) 具备交互式控制功能。用户可根据自己的需要暂停、停止、快进、后退正在观看的操作视频。此外还有单步及全程播放功能;

4) 通过按动鼠标左、中、右键, 用户可平移、旋转、缩放处于操作状态的3D零部件, 以加强维修操作的可视性。

通过上述仿真系统的开发, 该泵的拆卸操作得以准确、清晰地再现。

4 IETM的应用特点

与传统纸质技术手册相比, 本文研发的鱼雷IETM具有以下应用特点:

1) 体积小, 便于携带, 非常适合外场级、舰员级等一线维修作业场合;

2) 由于其数字化特性, 技术手册一经建立即可重复共享使用, 并保持及时更新升级, 因而在降低维修费用和提高维修准确性方面具有更大的优势;

3) 基于IETM提供的交互能力, 它可以生动展现维修人员所需要的特定技术信息(如文字、声音、影像、图片等), 从而加速维修活动的实施, 提高装备的维修效能和训练水平。

5 结束语

本文通过采用交互式仿真技术开发鱼雷使用与维修IETM, 克服了传统纸质手册的弊端, 为维修保障人员尽快掌握鱼雷装备的相关信息, 提高鱼雷维修保障及训练质量起到了推动作用。

当前网络技术的发展已非常普遍, 建立基于网络的联合式IETM将成为鱼雷IETM发展的必然趋势[10], 即通过联网式的IETM以实现不同地域的维修保障人员对鱼雷装备信息的共享和交互, 以辅助鱼雷的使用、维修等工作。因此, 基于网络的IETM研究将成为下一步研究的重点。

[1] Department of Defense. MIL-STD-87268A General Con- tent Style, Format, and User Interaction Requirements for Interactive Electronic Technical Manuals[S]. US: Depart- ment of Defense, 1995.

[2] Department of Defense. MIL-STD-87269A Revisable Data Base for Support of Interactive Electronic Technical Manuals[S]. US: Department of Defense, 1995.

[3] Aerospace and Defense Industries Association of Europe/ Aerospace Industries Association of America/Air Trans­port Association of America (ASD/AIA/ATA). S1000D International Specification for Technical Publications Utilizing a Common Source Database S1000D[S]. Issue 4.0. ASD/AIA/ATA, 2008.

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[5] 刘新建, 李本威, 黄振和, 等. GJB 6600—2009装备交互式电子技术手册[S]. 北京: 总装备部军标出版发行部, 2009.

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(责任编辑: 许 妍)

Development and Implementation of Interactive Electronic Technical Manual for Torpedo Usage and Maintenance

XU LeiLIU Hui-qin

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To overcome the difficulties in application of printed technical manual to torpedo′s usage, storage, and updating, the interactive electronic technical manual(IETM)-based usage and maintenance of a torpedo are explored. First, the current development status and key technology of the IETM are analyzed. Then, the development of the IETM for usage and maintenance of a torpedo is performed in accordance with the characteristics of torpedo equipment, including the establishment of overall developing framework, the selection of general developing platform, and the technical implementation. In the case of technical implementation, five key aspects are discussed in detail in terms of the IETM developing standard for torpedoes, the definition of content data models, the implementation of virtual simulation functions, the implementation of interactive functions, and the IETM system integration. Finally, a developing example of the IETM for a torpedo is given.

torpedo usage and maintenance; interactive electronic technical manual; virtual maintenance simulation

TJ630.7

A

1673-1948(2014)05-0370-07

2014-06-03;

2014-07-16.

徐 蕾(1967-), 女, 硕士, 高级工程师, 研究方向为CAD仿真及信息化技术研究.