集成虛擬現實環境在工程設計分析中的應用

 收稿日期：2007-11-12；

修回日期：2008-03-07

基金項目：上海市重大技術裝備首臺業績突破工程資助項目(0708021)

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作者簡介：張小可(1970-)，女，高級工程師，博士，主要研究方向為能源與環保、計算機技術在能源與環保領域的應用(xiaokechina@yahoo.com)；張祚明(1981-)，男，碩士，主要研究方向為固體廢棄物焚燒過程數值模擬；蘇傳軍(1958-)，男，原香港科技大學助理教授，博士，主要研究方向為虛擬現實、基于互聯網的應用開發.

（1.上海電氣環保集團技術中心 上海 201108； 2.臺灣元智大學 工業工程與管理學院 臺灣）

摘要：虛擬現實技術在工程設計與分析上有很大的應用潛力。可是，虛擬環境的創建時間長、成本高，極大地限制了虛擬現實技術在工程上的應用。為此，提出了虛擬現實腳本生成器的概念，將虛擬現實技術與過程的設計、分析集成化，創造性地提出了一種自上而下的設計方法——VR-IEDA，以便高效、快速地創建虛擬原型，提高計算機虛擬復雜系統工程的性價比。在VR-IEDA中復雜系統的結構和行為被計算機捕捉并自動生成可執行的VR仿真代碼，從而減少了創建虛擬環境的時間，便利了基于仿真的過程分析和設計。最后，以武器系統的維修過程為例，示范了VR-IEDA的應用。

關鍵詞：虛擬現實； 虛擬環境； 集成化； 工程設計

中圖分類號：TP31

文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)10-3184-04

VR-IEDA: integrated virtual reality environment

for engineering design and analysis

ZHANG Xiao-ke ZHANG Zuo-ming SU Chuan-jun2

(1.Technique Center of Shanghai Electric Environmental Protection Group Shanghai 201108 China; 2. Department of Industrial Engineering Management Yuanze University Taiwan China)

Abstract:Virtual reality has great potential in engineering design and analysis especially for addressing the inherently intractable technical and pragmatic barriers to the engineering of complex systems. However VR application in engineering was greatly limited by long lead-time and high cost for creating a virtual environment(VE). To address the problem of difficulties in creating a VE this paper presented the concept of VR script generator for virtual reality enhanced integrated process design and analysis. VR-IEDA as a top-down approach was presented by using the process modeling tool and VR tool together for engineering design and analysis.This paper capturedthe structure and behavior of complex systems and generated executable VR-based simulation code was automatically to facilitate simulation based process analysis and design. At last，introduced an application example-concept of operation of the VR-IEDA.

Key words：virtual reality; virtual environment; integration; engineering design

經過近三十年的發展，虛擬現實技術在許多領域有著廣闊的應用前景，如工程應用(尤其是復雜系統工程)領域[1~4]。眾所周知，在較低層次的應用中，虛擬現實的支持技術已經足夠成熟，可以為虛擬現實技術創造出非常接近現實的虛擬環境。迅速發展的三維交互式計算機圖形技術，使復雜模型的繪制成為可能[5~7]，也使快速碰撞檢測算法得以應用[8~12]。應用于產品設計的虛擬原型技術(VP)、基于仿真設計(SBD)等已經不再是新鮮名詞[13，14]。盡管學者們早已意識到將VP和SBD技術應用到系統工程中有廣闊的發展前景[14]，可是在實現這兩個領域技術的交叉結合方面所做的工作卻很少，虛擬現實技術在工程上的應用仍然非常有限。其中原因之一是虛擬環境的創建非常繁瑣和困難，致使VR技術使用成本和時間消耗巨大，被人們認為是一項華而不實的昂貴技術。要改變這種情況，促進VR技術的應用推廣，有許多研究工作要做。本文和后面的一系列工作將朝以下兩個方向努力。首先，提出一種系統架構——VR-IEDA，使VR技術的編程工作量最小化，使虛擬環境可以用一種簡單方法創建；其次，將一些物理模型作為架構組成部分嵌入到架構中。

1VR技術應用推廣的困難及VR-IEDA的特點

1.1VR技術應用推廣的主要困難

將VR技術廣泛推廣應用的主要困難在于：

a)虛擬環境創建困難。VR技術在工程上應用時，需要花費幾個月甚至幾年的時間來創建虛擬環境。一般來說，對于一個具體的應用，必須編寫低級程序代碼以創建虛擬環境，可是熟練的VR程序員往往并不是該應用領域的專家，這就導致語義障礙和溝通效率低下等許多問題。將虛擬現實(VR)技術應用于復雜系統工程(ECS)的一個中心問題是在VR-ECS的生命周期過程中不同角色之間的語義差距——領域專家/終端用戶提出需求和要求；系統工程師/專業工程師重新定義要求，并進行概念化/詳細的設計及設計開發；軟/硬件工程師和程序員具體實施設計，并將虛擬原型和程序代碼詳細化。可是由于不同角色背景知識的差異而產生的語義差距，導致信息交流不暢而引起效率低下等問題。這就要求不同角色之間加強信息交流，而集成化技術是解決這個問題的一個關鍵方法。

b)虛擬環境的重復利用率低。由于缺乏跨平臺系統的數據/知識再利用的機制（如在CASE文件中創建的數據模塊不能被VR模型工具讀取）、不同應用程序互相作用的機制（如一個HLA仿真工具不能與一個車間管理仿真器交換數據），一致性維持機制（在虛擬環境中功能模塊的變化反映出對系統變化的要求，這種變化卻不能被自動地傳遞給產品設計模塊），導致即使虛擬環境已經成功創建，它的重復利用率還是很低下。方法、工具和技術的多樣化（尤其是應用領域中新工具的不斷出現）進一步加劇了VE的重復利用率低下的問題。

c)修改編輯問題沒有很好地解決。由于缺乏結構化的標準方法，在虛擬環境中要改變其設計或部分情景，需要修改整個系統的低級程序代碼，這是一件用戶友好性很差的工作。

1.2VR-IEDA獨特之處

由于上述這些問題，將VR技術應用于復雜的系統中，需要花費大量的時間和精力。為此，本文通過將過程模型與VR模型結合在一起進行工程設計與分析，提出了一種自上而下的設計方法——VR-IEDA。該方法的主要特點如下：

a)從系統的行為模型中產生VR腳本文件。本文首次嘗試將系統的行為模型與VR腳本仿真模型集成化，即VR-IEDA。早期曾有人嘗試將系統的行為模型與離散事件仿真模型集成化[15，16]。VR-IEDA提出VR腳本生成器的概念，可以自動生成程序代碼，方便虛擬環境的設計修改編輯，且用戶友好，是對系統工程研究領域的一項貢獻。

b)定性、定量和沉浸式過程分析的集成化。VR-IEDA是一種結合定性、定量和沉浸式過程分析技術協同作用的新方法，是一種技術創新。

c)基于模板的方法對虛擬原型進行過程設計。雖然共享模板庫和設計庫的方法已經在產品設計、過程管理等領域得到了廣泛應用[17，18]，但是在VE創建方面的應用卻很少。本文VR-IEDA利用過程模板庫對過程數據/知識進行組織、檢索和再利用（跨過了系統生命周期和應用領域的限制），增強了不同模型/系統之間的知識和數據的交流和再利用，提高了虛擬環境的重復利用率，這是對虛擬原型和基于仿真設計（SBD）技術的貢獻。

d)聯合VR/VP工具和SE工具的操作概念（CONOPs）。VR-IEDA操作概念描述了一種在復雜系統工程中將不同的系統工程和虛擬模型工具聯合協同作用的系統化方法。

VR-IEDA結構是應用虛擬現實技術提高過程設計和分析的一種創新。這種結構在海軍上的應用表明了該技術創新的可行性，同時也表明該技術在其他領域也可能有很好的應用前景。

2VR-IEDA的概念

VR-IEDA的基本概念和系統的基本結構如圖1所示。

VR-IEDA最大的特點是將基于文本的過程模型與基于VR仿真的三維圖形結合起來。VR-IEDA將IDEF3的系統流程和對象的描述方法提升到一個更高的層次——定性過程描述法。過程設計的第一階段VR并不參與，在將IDEF3的過程描述轉換成VR行為腳本之前，定性過程分析器先在過程描述中檢查系統的一致性和完整性錯誤，并提出重新設計的替代策略。總之，VR模型是通過集成靜態產品模型和在過程模型中產生的VR行為腳本而產生的，因此在虛擬環境中模擬動態行為的工作量大大減小了。

VR腳本自動生成器和過程模板是該架構的核心，該架構不再需要VR初級程序代碼，用戶可以方便地通過改變過程描述來改變設計，這只是文本工作，無須圖形學方面的專業知識。

3VR-IEDA結構

VR-IEDA結構的主要部分描述如下：

a)過程模板庫（PTL）。儲存與過程相關的信息和知識，以便快速地創建過程描述，并且能夠在很廣的設計范圍內共享這些知識。

b)過程模板選擇助手（PTSA）。PTSA幫助系統工程師在過程設計時選擇一個合適的開始模板。PSTA在初級階段可以通過基于主要的過程特征如過程類型、過程目標、輸出和資源等關鍵字進行搜索。

c)過程創建工作臺（PCW）。PCW是一個提供對IDEF3過程描述捕捉方法的過程仿真手段。

d)VR行為腳本自動生成器。VR行為腳本從基于IDEF3的過程描述中自動生成。關于活動和參加活動的目標（代理物、資源、人造物等）之間的一些動作、事件、暫時的和邏輯的約束關系被從基于IDEF3的模型中提取出來，轉換成VR行為腳本。VR行為腳本隨后被商業應用的VR系統軟件如ENVISION/EGRO（Denb Robotics公司的）等編譯解釋。

e)沉浸式過程細化器（IPD）。IPD允許用戶沉浸在虛擬環境中進行一些IDEF3過程模型中定義的活動。用戶的身體運動將被跟蹤，并且相關的記錄數據被用來產生目前流行的商業人體模型工具如JACK、ERGO等所需的詳細的運動控制數據。

f)沉浸式過程分析器（IPA）。IPA使用戶沉浸在虛擬原型中以檢查過程設計的要求、性能目標（如可見性、通過性、工具掃描、安全性等）和過程模型中規定的過程設計期望。通過沉浸式分析發現的問題被進一步用來改進過程設計。

g)定量過程分析器（QNPA）。QNPA解釋VR仿真執行的輸出（來自IGRIP/ERGO），計算出不同的性能度量，并且以一種特定的方式將結果傳給決策者（系統工程師/領域專家）。在QNPA的性能度量包括過程時間、閑置時間和碰撞統計數據。有限元計算器被嵌在QNPA中用來處理基于物理過程的分析（如汽車碰撞）。

VR-IEDA提供一個集成化的過程模擬環境，在這個環境中系統級定性過程描述與詳細的定量過程描述集成在一起。簡單地說，定性過程描述被IDEF3過程模擬工具捕捉用來指導沉浸式過程細化器（IPD）。IPD運用VR技術使用戶沉浸在虛擬環境中制定過程規范。VR-IEDA的重要優勢就是它提供了一個有效而強大的過程設計和評估環境。在VR-IEDA中，系統性能被分別在定性、定量和沉浸式的水平上分析。在一個過程設計中當詳細的定量過程信息不可用時，就用基于知識的定性過程分析器（QPA）分析簡單的過程模型（如IDEF3模型）以尋找問題的所在。QPA用于為IPD創建的詳細過程規范確定一系列候選過程模型。更詳細的系統性能通過運行三維動畫/仿真模型（如IGRIP/EGRO模型）完成，并且由沉浸式過程分析器（IPA）和定量過程分析器完成對仿真結果的分析（QNPA）。VR-IEDA結構如圖2所示。

4VR-IEDA操作概念的應用示范

VR-IEDA的主要應用包括：a）仿真設計和虛擬原型;b）增強現實作業和維修;c）VR強化訓練;d）各個項目的自動生成。

這一章將會描述VR-IEDA操作概念在維修過程中應用的一個例子。操作概念的整體流程如圖3所示。考慮下面的應用情景，假想某系統設計師計劃設計一個武器系統維修過程的虛擬原型，圖4表示了武器系統虛擬原型的靜態模型。系統設計師計劃用這個虛擬原型演示兩種情景，即正常維修情景和消防情景。

下面描述了系統設計師執行的一個可能的步驟順序和結果，用戶任務由VR-IEDA執行相應的函數完成。

a）過程模板的選擇。VR-IEDA提供了一個可重復利用的過程模板庫以加快整個過程規范的完成。為了創建一個武器系統的維修過程，用戶可以選擇一個已經存在的武器系統的維修過程模板作為起點，同樣，用戶也可以從模板庫中選擇一個消防過程模板來完成一個消防過程的設計。

b）過程的創建。系統設計師可以利用過程模板，到過程創建工作臺（PCW）進行修改，并創建一個新的維修過程。利用PCW用戶可以融合消防過程和正常的維修過程來創造一個在維修過程中消防的連貫情景。

c）VR行為腳本自動生成器。一旦完整性和一致性錯誤被消除，過程模型在語法結構和語義上將是正確的。VR行為腳本將在定性過程描述中自動產生。圖5表示了在轉換過程中的一個畫面。VR-IEDA將會為商業VR系統軟件（如Deneb Robotics公司的ENVISION/EGRO等）產生圖形仿真語言腳本（GSL）。ENVISION/EGRO軟件仿真如圖6所示。

d）產品—過程模型集成化。在這一步用戶將會把上一步產生的VR行為腳本與（靜態）產品模型集成，從而產生（虛擬）系統模型。VR行為腳本描述了系統的動態行為，產品模型描述了系統的靜態特性。

e）沉浸式過程細化器。為了詳細設定活動過程中身體的運動，用戶將會沉浸在虛擬原型中并且實際參與活動，用戶的身體運動數據被記錄在一個日志文件中，在調整測量失真后，日志文件中記錄的數據被用來為人體模型產生詳細的運動控制數據。VR-IEDA中的人體模型也就是ERGO軟件中的工人。

f）運行三維仿真。在上述三步中完成的VR仿真模型現在可以運行了。

g）沉浸式過程分析。在整個過程仿真中，用戶可以將自己沉浸在虛擬環境中以檢查過程設計的要求、操作目的（如可視性、通過性、掃描工具、安全性等）和過程模型中定義的期望。在沉浸式分析中發現的問題將會用來改進過程模型。

h）定量過程分析。仿真的結果被用定量的方法編輯和分析，分析的結果被用來進一步細化系統的設計。圖7是某例子中定量過程分析產生的畫面。對于大量的數據，在仿真結果與圖形顯示之間設置一個接口是必要的。

至此，如果系統設計師對設計的結果滿意，那么過程設計就完成了。否則系統設計師可以返回過程創建工作臺重新進行設計。當對一個具體過程如汽車碰撞或新車設計的空氣動力學等進行詳細分析時，嵌入在架構中的有限元計算器就會被激活。VR-IEDA允許用戶沉浸式查看有限元分析的結果，并與分析結果互動。

5VR-IEDA近期及中長期意義

VR-IEDA作為一種通用的系統架構提供了一種將技術、系統工具與虛擬原型結合起來的方法。集成化VR技術以提高工程設計和分析能力的思想將在下面三個領域產生深遠的影響：a）系統綜合設計；b）系統評估；c）流程再造和系統再利用。

5.1有利于系統工程/過程設計

首先，VR-IEDA將SE工具與VP/VR工具集成化，因而可以降低系統設計的時間和成本（如VR-IEDA的過程模板庫可以顯著地減少過程設計的時間和精力）；其次，由于系統行為模型與VR仿真模型的緊密結合，VR-IEDA可以進行大量備選設計方案的探索，并且通過系統過程模型和模板庫快速生成可執行的仿真，可以開發出更多的操作情景。沉浸式過程分析與過程模型信息集成化將有助于提高沉浸式虛擬設計開發的效率。

5.2有利于提交高質量的系統設計

首先，VR-IEDA能提交高質量的初次設計，這將明顯減少整個生命周期的系統成本和風險，增加系統的執行力。系統設計具有更好的維護性和更少的運行問題，因為在設計階段時，維護和運行過程（包括失敗的模型和被排除的模型）就已經被很好地調試了。其次，將集成化VR模型用于運行和維修人員，系統將會更加有效地運行（如把維修過程的VR模型用于增強現實的診斷和修理）。

5.3有利于改善用戶使用性能

VR-IEDA便于普通用戶理解，系統為用戶提供可視化支持，并且針對不同用戶提供溝通支持。系統的三維環境有助于決策，尤其是那些對深度、高度和圖形數據有依賴性的決策。

IDEF3是強大的過程模擬工具，VR是強大的人機交互界面，將兩者結合起來是解決復雜系統工程技術問題的一種很有潛力的方法。本文的架構具有應用于從復雜系統工程到機械工程的通用性。VR-IEDA的用戶可以是系統工程師、商務經理、產品設計師、產品用戶以及虛擬培訓系統的培訓生。不同的用戶可以從不同的層次上使用：從企業（過程）管理者的角度來看，系統允許作決策時充分考慮事物的發展變化；從制造工程師的角度來看，系統使用戶能夠評估設計變更和所有可能情況對產品的影響；從客戶（制造領域）的角度來看，這個系統能輕松地為某一特定產品配置他們的需要；從最終用戶（VE的培訓用戶）的角度來看，這個系統提供了一個真實、方便（或安全）的環境作為導航工具。

6結束語

VR-IEDA可通用于多種工程應用。實施這樣一個架構，對于虛擬現實技術應用、復雜系統工程都具有無窮的意義。發展和實施該架構，將極大地拓寬VR技術應用的范圍。細化并擴展過程模板庫、發展完善VR-IEDA的組成部分是未來工作的重點，而增強定量過程分析器的功能是其中最具有挑戰性的部分。這涉及到對產品的設計和功能仿真，靜態和動態模型集成化，基于物理真實的圖形仿真，數值和幾何信息的通信。因為IDEF3是主要針對企業過程管理的，所以根據IDEF3過程描述而自動生成的VR腳本可能并未包含那些對產品設計師來說非常重要的技術信息。例如，對于汽車碰撞模型，無論是IDEF3還是用來顯示畫面的靜態圖形顯示模型，都不能描述汽車的變形。數值模擬是非常必要的，就像用有限元法（FEA）分析汽車碰撞遠比在維修一例中計算性能度量要準確逼真。為了使VR能夠正確地反映實際過程，以便準確地預測，還要做大量的基礎工作（基于物理真實的模擬），以便使模型能適用于不同的用戶和不同的應用領域。

參考文獻：

[1]宋洋 鐘登華 段文泉. 基于VR的水電站調度三維圖形仿真研究[J].系統仿真學報，2007，19(3):649-653.

[2]周東祥 仲輝 鄧睿，等. 復雜系統仿真的可組合問題研究綜述[J]. 系統仿真學報，2007，19(8):1819-1840.

[3]蔣科藝 郝建平. 沉浸式虛擬維修仿真及其應用[J]. 計算機工程與應用，2005，21:208-211.

[4]李世停 朱波 陳力生，等. 基于Script交互控制的船用核動力裝置虛擬維修研究[J]. 船海工程 2006（1）:43-45.

[5]鮑勁松 許長春，楊艷春，等. VR環境下的矢量場可視化交互感知技術研究與應用[J].系統仿真學報 2006，18(1):125-127.

[6]DIEFENBACH P，BADLER N. Multi-pass pipeline rendering:realism for dynamic environments[C]//Proc of Symposium on Interactive 3D Graphics. 1997:59-70.

[7]CONNER B HOLDEN L. Providing a low latency experience in a high latency application[C]//Proc of Symposium on Interactive 3D Graphics. 1997:45-48.

[8]劉智斌 李占利 曹寶香. 虛擬環境中織物的碰撞檢測及響應[J]. 系統仿真學報，2007，19(7):1497-1499.

[9]周云波 閆清東 李宏才. 虛擬環境中碰撞檢測算法分析[J].系統仿真學報，2006，18(增刊1):103-107.

[10]BAREQUEST G CHAZELLE B GUIBAS L，et al. BOXTREE: a hierarchical representation for surfaces in 3D[C]//ROSSIGNAC J，SILLION F. Proc of Eurographis Association.[S.l.]: Blackwell Publishers 1996:387-484.

[11]BARBER B DOBKIN D HUHDANPAA H. The quickhull algorithm for convex hull[J]. ACM Trans on Mathematical Software 1996，22(4):469-483.

[12]SU Chuan-jun LIN F H YEN B P. An adaptive bounding object-based algorithm for efficient and precise collision detection of CSG represented virtual objects[C]//Proc of Symposium on Virtual Reality in Manufacturing Research and Education. 1996:187-196.

[13]KARANGELEN N E HOANG N. Simulation based design for large complex computer-based systems[C]//Proc of Systems Engineering of Computer-based Systems Workshop. Los Alamitos: IEEE Computer Society Press 1994:116-123.

[14]JONS O RYAN J JONES G. Using virtual environments in the design of ships[J]. Naval Engineers Journal，1994，106(3):91-106.

[15]ProSimTM user’s manual and reference guide KBSI Technical Report[R].[S.l.]: Knowledge Based Systems Inc 1993.

[16]Knowledge-based assistant for simulation model generation from IDEF3 descriptions NSF Phase Ⅱ Final Report[R].[S.l.]: Knowledge Based Systems Inc 1994.

[17]MALONE T CROWSTON K LEE J，et al. Tools for inventing organizations: toward a handbook of organizational processes Technical Report #141[R]. Cambridge MA:Massachusetts Institute of Technology Center for Coordination Science 1993.

[18]BENJAMIN P MAYER R PAINTER M，et al. Towards a process integration and design toolkit(PIDT)[C]//Proc of International CERA Conference. 1997.