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)

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。

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

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。

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。

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2 舱室环境三维建模

3 舰船装备虚拟拆装

舰船装备虚拟拆装过程如图3所示。

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。