面向数字化技术支援的数字样机逐层轻量化技术

白金鹏 刘 虎 武 哲

(北京航空航天大学 航空科学与工程学院，北京100191)

王震威 薛 婧

(中国商飞上海飞机客户服务有限公司 飞行训练部，上海201100)

随着计算机、网络等技术的迅速发展，以及民用飞机设备的日益复杂与机队规模的不断扩大，国外民机制造商正在逐步将更先进的数字化技术支援与辅助工具应用于飞机售后服务领域，加强对客户工作的技术支持与现代化管理，进而提高飞机的安全性.

波音和空客逐步开展了基于互联网的数字化维修技术的研究，目前已开发出的典型数字化维修系统有波音公司的维修性能工具箱[1](MPT，Maintenance Performance Toolbox)与空中客车公司的Air N@v等系列化数字化维修软件[2].两套系统均提供技术资料的交互式查询、维修监控、远程技术支援等支持，可通过网络查看零部件三维模型并进行技术资料的关联跳转查询，维修信息查询能够基于结构数字样机模型进行位置信息的记录与分析.

在数字化维修系统中三维数字样机技术的应用起到了重要的作用，在技术资料查询与维修信息管理等方面显著地提高了信息的获取效率，主要表现在:

1)由于数字样机模型与技术资料零件图号管理规则相同，通过两者的自动关联实现了数字样机模型与手册相关内容的关联查询与互相跳转，丰富了技术手册中零件的几何特征以及定位信息，并提高了资料的查询效率.

2)基于数字样机记录飞机的维修历史记录，解决了传统记录方式对维修点定位的难题，三维环境下的维修标识点查询方便、直观，提供了区域分析的基础，利于进行数据的统计与分析.

三维数字样机技术应用的重点之一在于数字样机模型的轻量化.三维数字样机模型在飞机研发阶段产生，包含了大量的设计细节，模型文件大且文件打开速度慢，导致网络传输速度与加载速度较慢，不利于网络传播与使用.目前对模型进行轻量化主要有格式转换与模型简化两种方法.格式转换将设计模型转换为面片模型并过滤掉部分设计信息，实现对模型的无损轻量化.模型简化通过减少模型面片数量对模型进一步轻量化，但会丢失一些特征信息，造成模型失真[3].提供这两种轻量化方法并支持网页与应用扩展的工具软件有多种，例如 Dassault Systemes公司的3DVIA Composer与Parallel Graphics公司的Cortona3D等，各软件的功能类似，基于这类软件国内外在维修辅助与虚拟维修方面已经做了大量的工作[4－9].但这些工具软件在针对全机的数字样机应用中，由于模型的数据量巨大，仅通过格式转换无法满足网络传输要求，经过大幅度简化处理后又因为失真导致无法满足模型的查看与应用需求.因此为使数字样机技术应用到全机，需要重点解决轻量化与模型失真的矛盾.

本文分析了格式转换与模型简化两种模型轻量化方法，在此基础上提出了基于单元数据量的数字样机逐级轻量化方法与基于失真度判据的数字样机轻量化模型层级显示管理方法，实现了三维数字样机在互联网的应用，并以某机型的数字样机为基础，进行了示例验证.

1 三维数字样机轻量化方法

1.1 模型轻量化方法分析

格式转换通过数据记录方式的不同改变文件大小，一些优化的格式能够使文件减小，另外在格式转换过程中将过滤掉三维模型的设计过程数据，仅保留模型结果数据，可使文件得以较大幅度的减小，但不影响模型的准确度与精度.本文选用3DVIA Composer作为基础图形处理软件，通过2次模型格式转换进行数字样机的轻量化初步处理.第1次转换使用CATIA软件将数字样机模型导出为3DXML格式，导出前后对比见图1、图2.图1为某民机型号飞控系统的部分CATIA模型文件，大小为800 MB，图2为该模型CATIA软件导出的3DXML格式文件，大小为85 MB，格式转换后模型文件减小约为原来的1/10，模型结构树被完整地保留下来，且模型外观无变化.第2次转换使用3DVIA Composer软件将3DXML文件转换为其自定义的SMG格式，SMG格式文件见图3，文件大小为17 MB，转换后模型文件约减小为原来的1/50，模型结构树仍保留，模型外观无变化.经过模型转换，达到几十个GB的全机三维模型文件能够缩减到几百MB，子系统或组件文件能够减小到几十MB到几MB的大小.格式转换仅将设计数据过滤掉，模型结构树、几何等特征能够被完整地保留下来，可以用于细节零部件的查看.

图1 文件大小为800 MB的CATIA格式模型Fig.1 CATIA model with 800 MB file size

图2 文件大小为85 MB的3DXML格式模型Fig.2 3DXML model with 85 MB file size

图3 文件大小为17 MB的SMG格式模型Fig.3 SMG model with 17 MB file size

数字样机模型经过格式转换后进一步减小文件大小就需要对模型进行简化处理，模型简化通过对模型的部分特征进行删除或精简达到减小文件的目的[10]，主要包含模型的遮挡剔除与三角面优化两个处理过程，遮挡剔除过程计算模型的外包络体，并将其内部的不可见模型均进行删除，遮挡剔除效果见图4，能够去除部分小零件，但对文件整体大小影响较小;三角面优化过程将曲面打散成若干个三角面，通过调整弦高误差控制三角面的细密程度，从而对模型进行简化[11]，该过程会造成一定程度的模型失真.简化的程度可控，能够达到很高的文件缩减比例，但对模型的准确度与精度会造成影响，当简化程度高时将导致模型破损、碎面甚至部分模型缺失.模型简化仍采用了3DVIA Composer作为图形处理软件，使用其提供的自动模型简化算法，通过调整简化的百分比参数进行减面处理，如图5、图6所示.图5为简化到1/10数据量(即百分比参数为10%)后的效果，文件大小约2 MB，有一定失真，图6为简化到1/100数据量后的效果，文件大小约为200 KB，模型破损且丢失部分模型.简化过程会对导致模型丢失细节特征，仅可用于概览，不能用于细节零部件的查看.

图4 遮挡剔除效果Fig.4 Effect of culling occlusion

为达到网络上快速传输与访问的要求，需要将单次传输的文件大小控制在一定的数据量以内，该数据量受网络传输速度(S)以及可接受的文件加载等待时间(T)影响，本文将该数据量称之为单元数据量(UDS)，则

图5 简化到1/10后的模型效果Fig.5 Effect of simplification to 1/10

图6 简化到1/100后的模型效果Fig.6 Effect of simplification to 1/100

其中SUD为UDS的大小.S受网络条件影响，T根据网络应用的不同而要求不同.在一般的网络应用中用户所能容忍的加载等待时间通常为几秒钟至十几秒，较大的联机应用的响应时间指标，上限可以放宽到1 min以上[12].考虑到技术支持所需资料的访问频率，假设可接受的文件加载等待时间在15s以内，即T=15s.参照目前的3G网络平均下载速度大约200KB/s，假设S为0.2MB/s，则在这种条件下单元数据量为3 MB.

全机CATIA数字样机模型往往由几十万甚至上百万零部件组成，由多个层级的装配体及零件组成，数据量能够达到几十GB.针对全机或子系统级规模的模型，为使显示加载的文件大小在UDS(例如3MB)以下，需要将模型数据量减小到数千分之一甚至万分之一，仅通过格式转换无法达到要求，通过模型简化方法进一步减小文件大小则会造成失真，影响模型的使用.但针对文件大小几十MB甚至更小的部件或零件级模型，由于格式转换能够将模型文件大小降为1/50左右，仅通过格式转换便可达到小于UDS的要求，不影响显示精度.

由于在模型显示的需求上，越高级别的模型对细节的显示要求越低，可将高低级别的轻量化模型结合使用，采用逐步细化的方式对全机进行显示，有细节失真的高级别模型用于概览显示，无失真的低级别模型用于对细节的补充显示，通过对模型进行逐级轻量化处理与显示，既可降低网络访问全机模型的文件大小，又保留了模型的细节特征，使全机三维模型在互联网中的快速访问得以实现.

1.2 基于单元数据量的数字样机逐级轻量化流程

逐级轻量化思想是将数字样机模型按照各级装配体分为多个模型层级，针对不同层级的模型进行不同程度的模型简化，由于模型简化的压缩比可控，可使各层级的模型文件大小控制在UDS以下.由于零部件数量巨大，单个零部件模型文件均较小(一般小于50 MB)，无需进行模型简化即可满足网络传输要求，因此可保障细节模型的精细度不损失.由多个零部件构成的装配体乃至最终的全机模型则需要进行模型简化，虽导致模型失真，但在查看大模型时由于关注点在于模型整体结构，可忽略模型细节失真带来的影响，需要查看细节时加载下一层级模型直至零部件级即可获得细节特征.

逐级轻量化过程如图7所示，根据CATIA模型结构树由一级节点向末级节点逐层级的迭代，进行轻量化处理:

1)针对一级节点进行装配体模型的整体输出与格式转换，转换后判断SMG格式的文件大小是否超过UDS，若不超过UDS则完成本层级的轻量化过程并进行模型的输出保存，否则进行模型简化的处理.根据转换后SMG格式模型文件的大小进行简化率(Rsimplify)的计算，Rsimplify代表了该层级模型的简化等级.

图7 数字样机轻量化处理流程图Fig.7 Flow chart of simplifing digital prototype

其中，SUD为UDS的大小;SSMG为经格式转换后的SMG文件大小.然后将3DVIA Composer软件模型简化工具中的百分比参数设定为Rsimplify，则文件大小被简化到UDS以下.原模型文件越大则简化率的值越小，简化率的值越小则模型的失真程度越高，经过简化后模型文件大小将直接降低到UDS以下并输出到轻量化模型结构树对应节点上.

2)由于一级节点的模型文件有失真则必须继续处理并保存下一级结构的模型，以获得没有失真的细节，即取CATIA模型结构树中二级节点装配体进入轻量化流程中处理.

3)如二级节点仍需要进行模型简化才能将数据量降低到UDS以下，则需要继续处理下一级模型，直至处理到不经模型简化便可降低到UDS以下的层级，最终将所有的轻量化模型保存在轻量化模型管理结构树中.

如果取UDS为3 MB，一般原文件大小小于150 MB的模型，仅通过格式转换即可完成轻量化处理;大于150 MB的模型则需要格式转换后再进行模型简化处理，其简化率与原模型文件大小(SD)成反比.

如原文件为大于150 MB且小于300 MB的模型，简化率在50% ～100%之间;原文件为大于300 MB且小于1.5 GB的模型，简化率在10% ～50%之间;原文件大于1.5 GB且小于15 GB的模型，简化率在1% ～10%之间;原文件大于15 GB的模型，简化率在1%以下.

1.3 基于失真度判据的数字样机轻量化模型层级显示管理

由于在数字样机轻量化过程中针对各个层级均进行了模型的处理，且各层级模型均含有其子层级模型的信息，将造成一定程度的模型冗余，为使轻量化模型在浏览过程中不发生混乱且与原模型结构树保持对应关系，在轻量化文件的管理以及逐级加载模型过程中，必须要对模型进行有效的层级化管理，以保证模型层级的对应以及访问的有序.由于国内外民机制造商在飞机研制过程中均会按照规范的模型分类与命名规则建立模型结构树(例如遵照 ATA2200[13]，S1000D[14]等标准)，这为模型逐级管理奠定了很好的基础.图8左侧为某型号飞机的CATIA模型管理规则，将模型分为系统、子系统、分系统、组件、部件直至零件层级，在每个节点上均保存有模型文件，最低层级为零件模型，其余层级为装配模型.轻量化模型的管理直接复制原CATIA模型的结构树层次与各层级文件名作为模型逐级管理的基础结构树(如图8中的轻量化模型管理结构树)，对应层级的轻量化文件保存在相应的结构树节点，与原结构树不同的是轻量化模型管理结构树上节点保存的内容有3种类型:

图8 轻量化模型管理示意图Fig.8 Schematic diagram of managing lightweight models

1)有失真的模型.当该节点层级较高时，其对应的轻量化模型包含其所有子级的模型信息，且该模型经过了简化，模型有失真，可用于概览.在数字化支援系统中用来显示子系统、零部件的组成结构与空间关系，以及进行资料与模型关联查询时的定位.

2)无损的模型.当该节点对应的轻量化模型仅进行了格式转换而没有进行简化时，该节点包含其所有子级的模型信息，且模型没有失真，可以用于模型细节的查看.在数字化支援系统中作为模型细节特征的显示与基于模型的应用，如零件几何特征查看、维修点标识等.

3)仅模型索引.当该节点层级较低时，其父层级节点已经保存了无损的模型，则该节点仅包含模型的索引信息，访问时通过索引调用其父层级的无损模型.该类节点从用途上与无损的模型相同，只是该节点没有存储对应的轻量化模型.

轻量化模型的结构树具有两个作用:一是存储与加载节点对应层级的轻量化模型;二是根据模型的层级关系与名称进行模型的定位.在数字样机的访问过程中，可根据轻量化模型管理结构树进行逐级加载显示，即查看某节点时，首先在已打开的模型文件中检索，若不包含该节点则加载该节点的轻量化模型，加载后其子节点的模型均能够在当前加载文件中进行定位与突出显示.若当前加载的模型有失真，需要对细节查看时，可对当前文件对应层级的子节点进行逐级的细化加载，直至加载到无损模型层级进行模型细节特征的查看，该层级以下的节点则无需再进行模型的加载，可直接根据模型名称进行定位.当直接查看的节点层级较低时，该节点没有存储对应的轻量化模型，则直接加载包含其信息的最近一级轻量化模型文件，并进行模型的定位.

2 应用实例

取单元数据量UDS为3MB，以某型号飞机的数字样机为例进行了示例验证，通过逐级轻量化与逐级加载方法实现了基于互联网的全机数模访问，图9为全机模型，原模型文件约15GB，经过格式转换与模型简化后轻量化为3 MB.图10为细化加载至飞控系统的模型，原模型文件约800 MB，经过格式转换与模型简化后轻量化为3 MB.图11为最终细化加载至零件的模型，原模型6 MB，仅经过格式转换达到120 KB.所有轻量化模型的单次加载数据量均不超过3 MB，零件级别模型的网络加载文件约为100～300 KB.

图9 全机级别的数字样机模型Fig.9 Digital prototype of whole plane level

图10 子系统级别的数字样机模型Fig.10 Digital prototype of subsystem level

图11 零件级别的数字样机模型Fig.11 Digital prototype of part level

3 结论

1)基于单元数据量的数字样机逐级轻量化方法，能够对总数据量超过10 GB的全机CATIA数字样机模型进行处理，输出为小于单元数据量的若干轻量化模型文件.

2)通过对简化率的控制，既保留了模型细节特征，又使单次网络传输的文件数据量大大降低，满足了网络访问的快速传输要求.

3)基于失真度判据的数字样机轻量化模型层级显示管理方法，将有失真的与无损的多个层级的轻量化模型结合使用，实现了数字样机由全机到零件细节的逐层显示.

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