虛擬仿真技術在載人航天器總裝工藝設計中的應用

黃 壘，劉孟周，邢 帥，衛月娥

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

載人航天器的總裝工作是載人航天器研制流程中的重要工作內容，關系航天器的功能、性能指標能否實現。在缺乏行之有效的現代化設計手段時，載人航天器的總裝工藝設計一般只能依靠工藝人員的個人經驗，在二維圖紙與設計文件的基礎上進行工藝技術流程設計和工藝規程編制，效率較低且易出現錯誤，優化程度不高。

虛擬仿真技術是計算機仿真技術與虛擬現實技術相結合的產物，以構建全系統統一完整的虛擬環境為典型特征，并通過虛擬環境集成和控制為數眾多的實體。實體在虛擬環境中相互作用，或與虛擬環境作用，表現出客觀世界的真實特征[1]。

本文以“天宮一號”目標飛行器的總裝工藝設計為背景，闡述了虛擬仿真技術在載人航天器總裝工藝設計中的應用。

1 載人航天器總裝工藝虛擬仿真原理與應用體系

利用虛擬仿真技術，在載人航天器的總裝工藝設計過程中，構造逼真的廠房級虛擬總裝環境，在虛擬總裝車間中通過數字化總裝工裝模型、總裝工具模型和物流體系模型，對載人航天器的數字樣機進行裝配過程的模擬，交互式地規劃航天器零部件的裝配順序和裝配路徑。載人航天器的總裝工藝虛擬仿真應用體系結構如圖1所示。該體系通過碰撞檢測、干涉檢查、RULA（Rapid Upper Limb Assessment，快速上肢姿態分析）等分析工具對工藝方案的錯誤以及裝配過程中的關鍵點、風險點和操作難點進行預先識別，并對總裝過程進行優化，最終得到合理可行的裝配工藝方案。同時，通過在總裝現場應用三維虛擬總裝操作仿真視頻進行示教指導，可有效幫助操作人員正確理解裝配工藝，降低由于工藝理解不到位造成裝配質量事故發生的概率。

2 載人航天器虛擬總裝環境建立

虛擬總裝環境的建立是進行載人航天器虛擬總裝工藝仿真與分析的基礎，是載人航天器虛擬總裝執行的主要載體[2]。載人航天器虛擬總裝場景的建立流程如圖2所示。

圖2 載人航天器虛擬總裝場景建立流程Fig.2 The buildup process of the manned spacecraft virtual assembly scene

2.1 總裝基礎建模

載人航天器虛擬總裝環境的基礎建模工作包括總裝廠房建模、總裝資源建模和物流體系建模[3]。

2.1.1 總裝廠房建模

建立總裝廠房及其配套設施的三維數字模型。對于“天宮一號”，需要 1：1的總裝廠房環境，包括廠房建筑、天車、工位布局、充放氣口等設施的基礎建模。

2.1.2 總裝資源建模

建立總裝現場操作所需的各種地面支持設備、工裝工具、輔助材料等的三維模型。該模型的建立是保證載人航天器總裝操作環境逼真、有效的前提。對于“天宮一號”而言，包括各種停放架車、吊具、鉗工工具包、管路工具、測力工具、檢驗工具等。

2.1.3 物流體系建模

建立載人航天器總裝車間的物料流轉體系和產品轉運體系。通過兩個步驟完成：

1）建立物流體系中的硬件的三維模型，主要是各種工程車輛、轉運車輛的模型；

2）按照總裝實際情況，規劃和指定各種工程車輛、轉運車輛及物料等流轉路線、行駛路線及載貨限制，從而構建出完整的車間內物流體系模型。

2.2 模型輕量化與格式轉換

基礎模型建立之后，需要進行輕量化和格式轉化，目的是在滿足總裝虛擬仿真需求的前提下，盡可能減少模型的數據量，以保證模型在虛擬環境中被操縱時的響應速度；二是保證總裝三維模型能夠導入到總裝虛擬仿真軟件中以建立逼真的總裝操作環境。

模型的輕量化和格式轉換一般通過兩種方式來實現：

1）通過現有的中間數據格式進行；

2）通過開發專用的數據接口進行轉換。

前者技術上較為成熟、轉換穩定、不易出錯。因此，在“天宮一號”的總裝虛擬仿真實踐中，均采用了 3dxml格式作為模型輕量化和格式轉換的中間格式。3dxml格式通過去除特征數據等在虛擬仿真中不需要的信息，并進行數據重構，可將載人航天器原始三維模型數據包大小壓縮為原來的1/50以下；且這種格式可為Delmia等多數虛擬仿真軟件識別，很好地滿足了虛擬仿真的需求。

2.3 構造虛擬總裝仿真場景

虛擬總裝仿真場景的構造主要通過 5個基本步驟完成：

1）導入總裝廠房模型，并建立基礎參照坐標系；2）導入總裝資源模型，并對每種資源模型的實際總裝配置和存放位置進行詳細布置；

3）導入物流體系的車輛三維模型，并以靜止存放狀態將其存放于指定位置；

4）導入載人航天器的產品模型，并根據需要對模型進行適當的調整（如對視域、羽流等進行消隱）；

5）根據仿真需求，對虛擬總裝環境依據總裝實際狀態要求進行適當的配置。

3 基于仿真的總裝工藝規劃

總裝工藝規劃是指在總裝設計要求和設計圖紙的基礎上，分析載人航天器的艙段結構及總裝特點，制定其總裝操作的基本順序和路徑，并最終形成產品的總裝工藝技術流程和總裝工藝分冊。工藝人員可以在虛擬總裝環境中交互式、可視化地規劃載人航天器的總裝操作順序和路徑。

基于仿真的總裝工藝規劃主要包括裝配順序規劃和裝配路徑規劃兩項內容。

3.1 裝配順序規劃

裝配順序規劃是指對載人航天器的總裝操作順序進行規劃，確定總裝操作的基本流程，是一個相對宏觀的過程（見圖 3）。利用虛擬總裝環境，采用模擬仿真手段，可以有效避免錯裝、漏裝和裝配干涉等問題的發生。

圖3 基于仿真的載人航天器裝配順序規劃的基本流程Fig.3 The basic flow blocks of the manned spacecraft assembly sequence planning

1）在虛擬仿真軟件中建立虛擬總裝場景。

2）將所需進行裝配順序規劃的載人航天器模型導入并建立總裝基線。

3）利用PERT圖工具交互式地建立該載人航天器的初步裝配順序。可以采用顆粒度由粗至細逐步細化深入的過程：第一步為艙段級，需要進行艙段級的裝配順序規劃設計；第二步為區域級，以每一艙段為單位，進行艙段內部區域級的裝配順序規劃設計，確定不同區域之間的裝配順序；第三步為象限級，以每一區域為單位，進行區域內部象限層次的裝配順序規劃，確定不同象限之間的裝配操作順序；第四步為設備級，進行每一象限的設備之間的裝配操作順序規劃設計。

4）依據 PERT圖，以虛擬總裝環境中的載人航天器數字模型為對象，交互式地進行裝配順序的模擬仿真：首先在產品結構樹上設定載人航天器待總裝零部件全部隱藏，然后根據總裝順序，逐步將總裝設備依次顯示。裝配順序模擬仿真過程采用由底向上的順序，先進行設備級的裝配順序仿真，再進行象限級的裝配順序仿真，然后再依次進行區域級和艙段級的裝配順序仿真。仿真過程中，可以實時看到航天器三維數字樣機的裝配進程情況，檢查其實際裝配結果是否符合設計預想。仿真完成之后，可通過模型對象的“反向顯隱”功能查看是否有漏裝的情況。

5）根據仿真結果再回到 PERT圖中對裝配順序進行調整和優化。

3.2 裝配路徑規劃

裝配路徑規劃是指對載人航天器的裝配操作的具體實施路徑進行規劃，確定某一總裝操作的基本方法，是一個相對微觀的過程。基于仿真的載人航天器裝配路徑規劃的基本流程如圖4所示。

圖4 基于仿真的載人航天器裝配路徑規劃的基本流程Fig.4 The basic flow blocks of the manned spacecraft assembly path planning based on simulation

載人航天器裝配路徑規劃的實施是以裝配順序規劃為基礎。具體步驟為：在完成裝配順序的規劃設計之后，制定出零部件的初步裝配方案，然后在虛擬總裝環境中建立該零部件裝配的初始環境（裝配基線），并通過交互式地操縱待裝配零部件向裝配目標位置運動，全過程模擬和確認零部件由貨架工位至航天器艙段上目標位置的運動路線，及時發現初步裝配方案中存在的各種不足，并進行優化和改進，最終確定該零部件合理可行的裝配方案。

交互式的裝配路徑規劃是以在虛擬仿真環境中布置路徑關鍵點的形式進行。在路徑規劃過程中，工藝人員須根據零部件初步裝配方案確定若干處“具有決定意義”的路徑關鍵點，同時確定這些關鍵點處零部件的具體姿態，然后利用虛擬仿真軟件通過貝塞爾曲線等方式對路徑關鍵點進行擬合，形成初步的裝配路徑。依據該路徑對零部件的裝配運動進行仿真，發現不足后再通過增刪、拖拽等方式對路徑關鍵點進行調整，重新進行裝配運動仿真，迭代式地得到最終的裝配路徑和裝配方案。

裝配路徑規劃實際上是通過虛擬仿真技術對零部件裝配方案的可視化、交互式設計，不是航天器上每一個零部件都需要進行。對于“天宮一號”而言，一般是針對關鍵工序、大型設備等的裝配操作，在制定初步裝配方案后再進行裝配路徑規劃，以可視化方式對裝配方案進行檢驗、評判和改進。

4 總裝工藝方案仿真分析

總裝工藝方案仿真分析是指采用虛擬仿真分析軟件對初步制定的總裝工藝方案進行全過程或者針對某一重點操作進行模擬仿真，利用相應的分析工具進行定性或者定量的分析，從而預先檢驗總裝工藝方案的合理性和可行性，及時發現其中存在的各種操作風險和干涉環節，并交互式地改進和優化原工藝方案，最終獲得合理、可行、優化的總裝工藝方案。

4.1 實施可行性分析

總裝工藝方案實施可行性分析的目的在于對初步制定的總裝實施方案在虛擬仿真環境中進行過程模擬，依靠各種分析工具對裝配操作的實施可行性進行檢查和評判，并根據分析結果進行改進。

由于載人航天器總裝操作環境復雜，零部件裝配質量要求高，操作過程中經常出現以下3種情形：

1）零部件裝配干涉或者裝配空間不足，使得零部件裝配無法完成，裝配工藝不能實施；

2）由于進度要求等原因，預定的裝配技術流程需要進行變更，必須調整零部件的裝配順序；

3）在故障排除環節，需要拆卸某臺設備進行技術檢查或維修。這些情況下都需要進行非正常狀態的裝配工藝方案設計，也給工藝人員的工作帶來了很大的挑戰。預先在虛擬仿真軟件中進行載人航天器裝配工藝方案的實施可行性分析，可幫助工藝人員提前發現方案中的問題，提高工藝方案的可實施性。

載人航天器工藝方案實施可行性分析主要通過在工藝方案虛擬仿真過程中應用各種虛擬仿真分析工具來實現。常用的虛擬仿真分析工具包括：

1）空間長度和距離測量；

2）碰撞干涉檢測，包括靜態碰撞干涉檢測和動態碰撞干涉檢測；

3）剖切面透視檢查。

空間長度和距離測量是最為常用的虛擬仿真分析手段，利用其可以對某一零部件與周圍環境中其他零部件的最小距離進行檢查，也可以對指定的若干個零部件之間的距離進行測算，從而分析該裝配方案是否滿足零部件的裝配要求。

碰撞干涉檢測是虛擬仿真中的重要分析手段，靜態碰撞干涉檢測可以檢查載人航天器三維數字樣機所有零部件之間是否存在“重疊”現象，即彼此之間是否存在干涉，并能計算出干涉的具體尺寸數值，如圖5所示。

圖5 載人航天器零部件間靜態干涉檢測Fig.5 The interference check among the parts and components in the manned spacecraft

而動態碰撞干涉檢測能夠檢查出在零部件裝配運動仿真過程中與其運動路徑上的其他零部件之間是否存在干涉以及干涉的具體部位和數值。該項工具可以輔助工藝人員檢查航天器部組件內部的具體配合情況。

4.2 人機工效學分析

總裝工藝方案人機工效學分析的目的在于對初步制定的總裝工藝方案在虛擬總裝環境中利用數字人體模型對操作過程進行模擬，通過多種分析方法及時判斷和發現總裝工藝方案存在的人機工效學問題，并加以改進和優化。

載人航天器的總裝操作絕大部分需要在密封艙內進行。由于密封艙內狹小、操作環境復雜，操作人員往往很難按照工藝要求實現某一裝配操作，從而造成了工藝設計的反復。利用虛擬仿真軟件進行工藝方案的人機工效學分析可及時發現工藝方案中存在的操作空間不足、空間可達性不夠、操作可視性不佳導致“盲操作”、操作姿勢不舒適等問題，從而進行及時的改進，獲得可操作性較佳的總裝工藝方案。

載人航天器總裝工藝方案的人機工效學分析一般在總裝工藝過程模擬仿真環節實施，具體的分析內容包括：

1）裝配操作可達性及操作空間分析

裝配操作可達性及操作空間分析是指對操作人員在操作過程中能否完成預定動作進行空間上的分析，通過數字人體模型的各關節動作設置，模擬實際總裝操作過程中操作人員的具體動作和姿態，然后利用上肢活動空間域計算、手部活動域計算等方法判斷有關操作能否覆蓋目標空間，從而對裝配操作空間可行性進行判斷。

2）裝配操作可視性分析

裝配操作可視性分析是指利用生物工程及人體模型數據庫，對操作人員在相應操作姿態下的視域進行分析和顯示，以此判斷操作人員在實際操作過程中會否存在操作盲區。

3）裝配操作人體舒適性分析[4]

裝配操作人體舒適性分析則是指對操作人員完成某一操作所采用姿勢的舒適性進行分析，判斷舒適度以及這一姿勢所能維持的最長時間，從而對總裝工藝方案進行合理的規定。

5 面向現場的裝配仿真示教

總裝工藝文件是總裝操作現場的主要依據文件。傳統的總裝工藝文件為文本式的總裝工藝規程和總裝過程執行記錄表格，但是這種工藝文件文字的描述往往容易使總裝操作人員理解錯誤或不到位，從而產生各種質量問題[5]。

利用虛擬仿真軟件生成裝配仿真指導視頻文件配合裝配操作[6]，同時在總裝現場建立基于Web和數據庫的虛擬裝配仿真示教系統，將裝配仿真指導視頻文件通過該系統在總裝操作現場進行演示，并與二維的文本式總裝工藝規程進行關聯。可以極大地提高操作人員對于工藝文件的理解程度。降低因對工藝文件理解不到位而出現質量問題的概率。

6 總裝地面工裝的優化設計應用

總裝地面工裝設備的設計和研制是載人航天器總裝工藝工作的重要內容，其研制質量的好壞對于載人航天器總裝工藝整體質量的優劣起著非常關鍵的作用。

載人航天器總裝地面工裝具有數量繁多、可靠性要求高、結構復雜等特點，尤其是需要在密封艙內使用的工裝設備，還需要滿足尺寸小、操作輕便靈活、便于裝拆、不產生多余物等許多嚴格的要求，同時，使用過程中還絕對不容許對艙內設備和結構等造成干涉、磕碰、污染等危害。因此，載人航天器總裝地面工裝的研制一直是載人航天器總裝工藝設計的一個難點。

虛擬仿真技術可為載人航天器總裝地面工裝提供一個虛擬應用環境[7]。在該環境中，工藝人員不僅可以對工裝的各組成零部件進行預裝配，發現設計環節存在的各種干涉等缺陷，還可以預先對總裝工裝的各種使用細節進行仿真和模擬，并采用各種仿真分析工具，及時發現工裝在應用中的各種薄弱環節，從而改進和優化工裝設計方案，提升總裝工裝的可應用性。

7 結束語

虛擬仿真技術在載人航天器總裝工藝設計中的應用可以輔助工藝人員進行基于仿真的總裝工藝規劃和總裝工藝操作過程分析，降低工藝設計過程中對于工藝人員個人經驗的依賴，有助于獲得合理、優化的總裝工藝方案。同時，面向現場的虛擬仿真示教系統的應用降低了工藝文件的理解難度，減少了由于工藝理解不到位而導致的質量問題。總裝地面工裝的設計中采用虛擬仿真技術，有效提高了總裝工裝設計的效率和工裝研制的質量。

（References）

[1]徐庚保, 曾蓮芝, 張永智.數字仿真[J].計算機仿真,2009, 26(9)： 1-4

Xu Gengbao, Zeng Lianzhi, Zhang Yongzhi.Digital simulation[J].Computer Simulation, 2009, 26(9)： 1-4

[2]周軍, 劉戰強, 鄧建新, 等.生產線虛擬仿真設計研究[J].現代制造工程, 2004 (12)： 81-83

Zhou Jun, Liu Zhanqiang, Deng Jianxin, et al.Virtual simulation & design of production line[J].Modern Manufacturing Engineering, 2004(12)： 81-83

[3]熊濤, 孫剛, 孟慶義.航天器總裝中的數字化工廠技術[J].航空制造技術, 2010(23)： 97-100

Xiong Tao, Sun Gang, Meng Qingyi.Digital factory technology of spacecraft final assembly[J].Aeronautical Manufacturing Technology, 2010(23)： 97-100

[4]馬智, 薛紅軍, 蘇潤娥.基于JACK的人體建模與人機工效分析[J].航空計算技術, 2008, 38(1)： 97-100

Ma Zhi, Xue Hongjun, Su Run'e.Human-modeling and analysis of ergonomics based on JACK[J].Aeronautical Computing Technique, 2008, 38(1)： 97-100

[5]沈學利, 張紀鎖.虛擬仿真在煤礦安全培訓教育中的應用[J].計算機系統應用, 2010, 19(11)： 176-179

Shen Xueli, Zhang Jisuo.Visualized simulation technique in coalmine safety training[J].Computer Systems & Applications, 2010, 19(11)： 176-179

[6]孫剛, 熊濤, 夏繼霞, 等.在航天器總裝過程中應用虛擬裝配技術的設想[J].航天器環境工程, 2006, 23(3)：158-160

Sun Gang, Xiong Tao, Xia Jixia, et al.A vision of using virtual assembly technology in spacecraft assembly[J].Spacecraft Environment Engineering, 2006, 23(3)：158-160

[7]劉莉, 劉建新, 劉笑.航天器總裝工藝工作信息化的探索與實踐[J].航天制造技術, 2010(5)： 52-55

Liu Li, Liu Jianxin, Liu Xiao.Research and practice for spacecraft assembly and integration process based on information technology[J].Aerospace Manufacturing Technology, 2010(5)： 52-55