虚拟维修仿真分析
陈浩
【摘 要】研究了虚拟维修仿真平台的基本要求，从平台设计原则、硬件环境、软件系统、实现功能几个方面进行了分析，并进行了总结和展望。
【关键词】仿真平台；人机工程
通过在虚拟维修仿真平台上进行各种维修活动的模拟，在设计早、中期即可实现产品维修性的实时分析、评价与验证，有利于改善产品维修性设计，降低产品研制费用，缩短产品研制周期。虚拟维修技术起源于飞机等大型复杂系统研制中对维修性工作的迫切需求，国外各大航空制造商、高等院校研究所均在虚拟现实和虚拟维修方面开展课题攻关，取得了一系列卓有成效的技术成果，以达索公司的DELMIA和UGS公司的Jack为主的虚拟仿真平台已被广泛使用。在国内，虚拟维修仿真平台已逐步开始在航空航天、汽车、船舶等多个行业中进行应用，目前部分企业已经具备了初步的应用水平，但较国外大规模的广泛应用还有很大差距。
1 平台设计原则
虚拟维修仿真平台包括硬件环境、底层支撑平台、应用功能模块、数据资源库四个部分。其中，硬件环境构成整个平台运行的基础硬件环境条件，底层支撑平台为各类应用提供支撑服务，应用功能模块为用户提供沉浸式环境及桌面环境的各种具体应用，数据资源库为平台及应用功能模块提供必要的数据资源保障。
虚拟维修仿真平台的规划和建设应考虑以下原则：
1）真实性原则。需考虑产品的空间感及实际尺寸体验等信息的真实表达；使用户能以真实的操作方式与虚拟产品进行互动；强调环境、流程、资源等与产品有关的因素可能带来的影响。
2）支持大数据量。大数据量的支撑能力可以实现对于巨大、复杂产品的完整虚拟样机模型应用。
3）先进性原则。平台各组成部分应采用较为成熟、技术先进的模块组成，保证在一定时期内不会过时，并能够在未来3-5年中与相关的主流系统配合使用。
4）易用性原则。相关功能应能集中在一个平台中予以实现，平台操作功能及界面应尽量简洁、实用。
5）集成性与可扩展性原则。应考虑与CAD及CAE系统数据的继承性与兼容性，保证整体信息化体系的良性运转。
2 平台硬件环境
在硬件环境的规划中，固定式沉浸环境、各桌面工作站等均可通过网络进行连接，且可与服务器实现数据交换。
固定式沉浸环境所采用的硬件主要包括：图形生成系统、投影显示系统、定位跟踪系统和虚拟外设装置。图形生成系统采用图形工作站集群，其中1台作为主节点，所有软件在集群或单节点服务器中运行；投影显示系统由立体投影机构成，提供三维沉浸感可视化环境；定位跟踪系统包含位置跟踪器、人体捕捉、手执式交互设备、数据手套等。
CAVE是典型的固定式沉浸环境，由3个面或以上的硬质背投影墙组成高度沉浸的虚拟演示环境，配合三维跟踪器，用户可以近距离接触虚拟三维物体或者漫游虚拟环境，其特点是分辨率高、沉浸感强、交互性好。结合头盔显示器和单通道PowerWall激光投影显示的固定式沉浸环境多用于部门级和科室级，硬件设备与CAVE类似，投影只需单通道或双通道即可，演示效果较弱，但其他应用功能足以满足工作需求，且更为灵活和便捷。
除上述沉浸式硬件环境的建设外，通过对已有硬件资源的利用与整合可实现其他应用，如对于数据资源库的建设工作，需要有配套的硬件服务器设备支持，一般可与沉浸式系统中的主控计算机共用。
3 平台软件系统
虚拟维修仿真平台通过软件系统的各模块协调配合，实现各项具体应用功能。底层支撑平台除了提供底层支撑服务，同时也是各软件功能模块及数据资源库等进行数据信息交换的桥梁。平台所有应用在软件系统中予以实现，同时可连接数据资源库获得各类模型资源的按需获取。
底层支撑平台作为软件系统运行的基本模块，提供图形用户界面以及对各运行硬件平台的支持，其用途主要体现为：
1）系统资源调用与管理。可对操作系统的软、硬件资源进行调用和管理，在沉浸式环境下，除管理主控计算机外，还负责对各渲染结点的从属集群计算机进行设置和管理。
2）软件功能的管理。提供软件运行基本功能和显示优化功能。
3）数据传递与管理。能与数据资源库、数据发布模块等进行数据信息交换，配合完成数据资源调用、结果数据发布等功能。
对于虚拟维修仿真平台的用户，帧速率低于每秒12帧时会产生明显的不舒服感，为了进行平滑仿真，至少需要每秒显示24到30帧的速率。另外，如果平台延迟超过100ms，仿真质量便会急剧下降，使用户产生不舒服感。低延迟和快速刷新频率要求平台有高性能的CPU和图形加速能力。
虚拟维修仿真平台应能实现大数据量的支撑，同时也需兼顾虚拟维修模型的简化。简化的方式分为两类，一是对装配体进行多边形简化，二是产品的装配层次重组。前者是从仿真及外形要求上进行几何简化，得到初步的虚拟维修样机几何模型，后者是从结构上进行精简，得到最终可用的几何模型。
数据资源库为系统及应用功能模块提供必要的数据资源保障，是基于工程虚拟样机进行各种实际应用的基础，可通过系统底层支撑平台实现对各类模型的调用与管理。根据具体需求不同，数据资源库包括标准工具库、工装库、人体模型库、维修场景库等。
在虚拟维修仿真平台中，维修仿真及模型管理需要通過各种接口进行数据的收集、管理和控制，并开展维修性分析和评价。根据实现功能的不同，仿真接口可分为：仿真控制接口、维修程序接口、场景管理接口、虚拟样机导入接口、数据采集接口等。
4 平台主要功能
物理仿真模块是虚拟维修仿真平台的物理仿真引擎，其主要功能有：
1）动态干涉检查。基于几何的边界算法可真实的对模型交互过程中的动态干涉进行仿真。
2）模型行为约束。支持对模型的行为进行约束，使部件拥有更复杂的行为，以获得更真实的虚拟样机。
3）机构运动学。可实现对大型工装工具的虚拟验证。
人机工程模块是虚拟维修仿真平台最重要的模块，用户可选择数据库中满足正态分布标准的人体模型，也可定制实际情况需要的人体模型，能可视化显示交互过程中的人机工效因素，支持人体模型运动仿真，支持沉浸式环境下的维修性分析、验证。主要用途有：
1）可视性和可达性分析。虚拟人具有接近真实的骨骼数量，可通过交互设备对骨骼进行操作。可分别显示虚拟人左、右手的可达范围半球，以及虚拟人左、右眼的视锥。
2）舒适性分析。采用通用的人体舒适性标准，能以可视化的颜色等方式显示虚拟人关节的舒适性信息。当关节显示为红色时，表示维修人员在该操作姿态下舒适性较差。
5 总结和展望
虚拟维修仿真平台是基于虚拟现实的产品维修仿真应用，与总体和系统设计等密切关联，通过设计信息共享实现并行的一体化设计。
虚拟维修仿真平台未来的主要技术发展包括维修任务建模与规划技术、虚拟维修仿真技术和维修性分析评价技术等。
[责任编辑：朱丽娜]
