舰船装备应急抢修虚拟维修系统研究
张晓怀，王 银
(海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉 430033)
摘要 ：舰船是海军重要战略装备，应急抢修作为舰船装备保障工作的重要组成部分，对于保证装备的战斗状态起着十分重要的作用。在对船机电系统和设备的工作原理、工作状态、结构特点和性能进行了深入、详细地研究分析的基础上，以某型舰船中的部分机电设备为对象，研制了设备所在环境虚拟现实、设备维修过程演示模块制作、设备维修过程模拟操作模块制作、维修工艺信息化处理、设备典型故障维修模块制作以及虚拟维修管理系统。该研究对舰船装备的使用训练和维修保障具有重要的军事意义。
关键词 ：舰船；应急抢修；虚拟维修
现代高新技术战争中，武器装备的快速机动能力和安全性、可靠性至关重要[1-2]。舰船机电专业系统和设备数量多、结构组成复杂，并不断向电子化、数字化、智能化发展，因此装备功能的发挥更加依赖于装备的技术保障能力。特别是随着装备保障工作信息化水平的不断提高，传统的装备应急抢修模式难以满足要求，需要不断探索新的应急抢修方法。
为不断提高装备应急抢修能力，满足部队装备保障信息化建设的需要，开展“舰船装备应急抢修虚拟维修系统”研制，可有效克服装备资源和维修信息分散、缺乏统筹管理及维修保障难度大等问题[3-4]，提高装备保障、维修以及训练的质量，节省经费，产生军事和经济的双重效益。
气相色谱与质谱联用(GC-MS)方法对样品的净化处理要求低，前处理方法更简单、快速，在分析化学、生物化学和环境科学等学科应用较多，应用GC-MS对环境污染物的监测分析依然是主流[9]。UV254检测可以反映出含有不饱和芳香环、碳碳共轭双键结构的有机污染物，以及有机污染物吸收紫外吸光强度会随着有机污染物相对分子质量的增大而增大[10]。
1 舰船装备应急抢修虚拟维修系统框架
舰船装备应急抢修虚拟维修系统，包括对维修对象(装配体、组件、零部件)进行拆卸、装配操作，查询维修对象资料及交互训练等。系统的总体框架结构如图1 所示。
图1 系统总体框架结构
2 三维建模及模型优化
三维建模包含4个方面的技术：一是机械三维建模，模型达到机械设计和数控加工的精确级别，体现了本系统资源的权威性、科学性；二是模型的减面及干涉，体现了本项目的特有难点，正因为模型精确，带来了大量的面数，需要研究技术消除多余的面和干涉；三是模型的贴图及纹理等美化技术；四是环境及舱室的三维建模技术，体现的是虚实结合，用图片替代不具有拆装性的复杂环境[5]。
2 .1 实体建模
机械三维模型是虚拟维修系统的基础数据，实体建模主要包括设备零件的建模及装配[6]。因此，对已有模型进行完善、渲染优化是本项目的主体工作之一，使用Solidworks软件将传统的平面工程图纸转换成设备的三维实体模型。Solidworks机械三维CAD模型通过中间数据，导入到3dmax进行编辑，编辑的目的是减少模型的面数，提高三维模型在虚拟显示三维引擎中的运行效率、每秒显示的帧数，在高精度的前提下达到流畅运行，同时对设备模型进行美化处理。
2 .2 三维虚拟环境建模
三维虚拟维修环境生成的方法有2种：一种是在Solidworks中建立模型，另存为*.stl格式，然后导入3dmax中，在3dmax中将模型保存为*.NMO格式，在Virtools中直接使用，该方法的优点是建立模型非常快捷，缺点是导入后模型的失真严重，重新调整模型的工作量大。另外一种方法是使用3dmax建立模型，优点是逼真，特征丢失较少，该方法生成的虚拟维修环境真实感强，场景文件的容量小，缺点是模型建立很慢[7]。基于虚拟舱室环境要求真实度高，故采用第二种方法。
舰船装备虚拟拆装过程如图3所示。
交叉方式有多点交叉和单点交叉[8]，前期需要多点交叉来产生大量的个体保证粒子的多样性，在算法迭代前期使用，单点交叉在迭代后期使用防止多点交叉破坏优良个体。
为了形象地展示设备拆装前后相关设备和管系等的拆装范围和过程，设备(部件)进出舱室的通道和过程以及设备在实际环境中的拆装、检查和维修过程，需运用虚拟现实技术制作设备所在舱室的虚拟环境。舱室的虚拟环境应展现该舱室内与虚拟维修对象相关联的主要设备、管系、阀件、水密门等的形状、尺寸、材质及布置位置。在进行舱室虚拟环境制作时，与设备无关联的周围环境以照片贴图方式实现，设备本身及与设备有关联的其他设备、管系、阀件等以三维实体建模实现，设备(部件)进出舱的通道以贴图和三维模型相结合的方式实现。
隋炀帝沉溺游乐，为满足自己的享乐要求，大肆建造龙舟，沿江赏玩，岂不知亡国之祸已见端倪，亡国之音不是偶然骤起，与当年不知亡国恨的陈后主无甚分别。意在借古喻今，规劝当权要以史为鉴，都对李商隐在诗中所要表露的含义给予了正确的揭示。集中有关讽喻的对象及事物或多或少都有揭露，这类诗的积极入选无不显示着沈德潜对李商隐讽喻诗关注，在否定讥刺不好中更积极的解读诗意，关注诗的本身，这无疑正是另一种形式的肯定。
图2 舱室环境三维建模
3 舰船装备虚拟拆装
监督范围不够明确。就农商行而言，既有纪委监督，又有监事会的监督，那么二者之间的职责定位是什么，如何规避重复监督，制度上没有明确。而站在提升监督效率、避免出现重复监督或监督“真空”的角度，显然要予以明确或建立协调机制；职责范围内，哪些应实行全程监督，哪些可采取事后监督方式，单纯从效率和竞争的需要来讲，也应进行制度安排；只有这样，纪检监督才更加科学、合理、有效。
通过上船拍摄的方式完成舱室环境素材的采集，再利用3dmax软件创建出舱室环境。对于需要安装到舱室内的设备，利用3dmax软件，将重建后的三维模型(见图2)，按照实船环境进行空间定位。对模型进行贴图绘制和编辑，然后进行材质烘培，再利用PhotoShop等工具，进行美化加工，使得虚拟环境更加逼真。
图3 装配过程
针对舰船装备的工作原理、安装工艺和技术要求，掌握设备的结构、零件的功用以及相互连接关系，进行拆卸和装配。由图纸到零件，再到装配体，小的装配体组合成完整的设备，是一个由下到上的逆过程。使用3dvia composer软件制作舰船机电装备的三维虚拟维修动画，同时具有一定的交互性、穿插维修守则及规程。
4 舰船装备抢修虚拟维修系统的设计与实现
4 .1 总体设计思路
在对舰船船机电系统和设备的工作原理、工作状态、结构特点和性能进行深入、详细地研究分析的基础上，以某型舰船的船机电系统和设备为对象，采用二维、三维图形技术，建立了有关系统的二维动画演示系统，及关键设备三维实体模型和交互式动画演示和虚拟拆装操作；并利用数据库技术对其进行管理，以方便设备使用和维修人员管理了解船机电专业各系统基本原理、系统中各设备连接关系，掌握关键设备的内部结构、性能参数和拆装过程。其总体思路如图4所示。
图4 系统演示路线
4 .2 舰船装备应急抢修虚拟维修系统实现
舰船装备应急抢修虚拟维修管理平台的开发采用C#语言，使用Visual Studio 2010作为平台开发工具，能模拟实际三维设备的手动拆分。通过点选设备部件，对其进行缩放、旋转、平移、测量尺寸等，对于大的装备，可以隐藏不需要的部件或动态剖视透视其内部结构。每一个设备都可以自动以动画的形式演示其组成,并提供图形打印功能。系统实现技术线路图如图5所示，以系统设备设计图纸资料为基础，利用Solidworks或3dmax软件建立三维实体模型，实现3D/VR的虚拟演示。
图5 系统实现技术路线
5 结束语
本文系统而全面地对舰船船机电系统和设备的技术性能、技术特点、结构特点和工作原理进行分析和研究，利用图形和数据库理论、技术，开发了某型舰船装备应急抢修虚拟维修系统。该系统能对舰船装备的使用和维修人员培训提供技术支持，对该型船的技术资料管理提供先进的管理手段，对提高舰船装备的技术保障能力具有重大的现实意义。
参考文献
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Abstract :Warship is an important strategic equipment of our navy. As an important part of warship equipment support, emergency repair plays a very important role in ensuring the combat state of warship equipment. On the basis of the thorough study and analysis of the working principle, working state, structure characteristics and performance of the electromechanical system and equipment of a warship, this paper takes some electromechanical equipment in a warship as an object. The virtual reality of the equipment environment, the production of the demonstration module of the equipment maintenance process, the manufacture of the simulation operation module of the equipment maintenance process, the information processing of the maintenance process, the manufacture of the maintenance module of the typical fault of the equipment and the virtual maintenance management system are developed. This research is of great military significance to train and maintain warship equipment.
Key words ：warship; emergency repair; virtual maintenance
中图分类号 ：U674.76
doi: 10.13352/j.issn.1001-8328.2019.01.011
基金项目 ：海军工程大学自主立项基金(425517k142)
作者简介 ：张晓怀(1963-)，男，湖北鄂州人，副教授，硕士，研究方向为舰艇装备信息化保障。
收稿日期： 2018-08-28
标签：舰船论文; 应急抢修论文; 虚拟维修论文; 海军工程大学动力工程学院论文;