基于Vega的某裝備虛擬維修系統技術研究＊

劉桂峰 伍 潔

（海軍工程大學船舶與動力學院1） 武漢 430033）（海軍工程大學管理工程系2） 武漢 430033）

1 引言

利用現代科學技術成果，采取先進訓練方法，是推進軍事訓練轉變的重要內容，也是提高信息化條件下作戰能力的有效途徑。虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）已發展成為涉及眾多學科的高新實用技術之一，并在軍事、醫學、設計和娛樂等領域得到了廣泛的應用[1]。虛擬維修是虛擬現實技術近年來的一個重要研究方向，也是海軍當前裝備維修訓練的重要方法。結合部隊實際裝備積極開展模擬訓練，對于提高訓練質量、縮短試驗、研制和訓練周期、降低訓練風險、減少訓練消耗具有重要意義，并在各級指揮訓練、武器裝備操作訓練和部隊實兵對抗演練中得到廣泛應用[2～4]。

2 系統總體框架設計

2.1 系統需求分析

系統的設計從海軍裝備的信息化建設出發，以適應信息化條件下裝備維修發展趨勢為目標，具體應考慮以下幾方面的需求：1）信息化條件下裝備維修保障需求；2）現代武器裝備對人員維修能力與效率的需求；3）資源與信息共享的需求；4）裝備維修決策的需求；5）實際過程中維修流程仿真與優化的需求。

2.2 開發平臺選擇

某艦某裝置虛擬維修系統，以Vega Prime交互式、實時可視化仿真應用軟件為仿真開發平臺，以VC＋＋為開發語言，以Creator為三維實體建模軟件，后臺數據庫采用SQL＿SERVER，設計為基于組播方式數據傳輸的分布式系統，系統既可以獨立單機使用，又能作為網絡版進行批量培訓和遠程維修支援使用[5]。

Vegaprime是MPI公司開發的用于開發交互式、可視化仿真應用的軟件平臺和工具集，它最基本的功能是驅動、控制、管理虛擬場景并能夠方便地實現大量特殊視覺和聲音效果，它還提供了多種方便實用的可視化編輯設置工具。具有易用性、高效性、集成性、可擴展性、跨平臺性等特點。由于Vega Prime大幅度減少了源代碼的編寫，使軟件的維護和實時性能的優化變得更容易，大大提高了開發效率[6]。

MultiGen Creator是 Multigen－Paradigm公司專門針對可視化仿真行業應用特點推出的一個功能強大、交互的實時可視化三維建模軟件系統[7]，可以在它所提供的“所見即所得”建模環境中建立我們所期望的、優化的三維模型。Creator是目前模型建立和控制效果較好的軟件，Creator是精確產品建模，可以直接用于模具生產，能夠滿足艦船裝備建模尺寸精確的要求。

2.3 系統總體框架

在滿足系統需求分析的基礎上，針對該裝置的特點和部隊使用需求，在綜合分析系統的設計需求和工程需要的基礎上，設計出某裝置虛擬維修系統的總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框架

受訓人員通過人機交互環境與虛擬環境交互，數據庫中的信息在由硬件平臺、系統平臺、軟件平臺構成的支持平臺導入虛擬環境，或直接由Vega軟件編程導入虛擬環境。受訓人員的受訓記錄和信息也可通過虛擬環境或者支持平臺完善補充到數據庫，從而實現受訓人員共享數據庫中的數據信息。

3 系統實時仿真應用程序設計

圖2 減搖鰭裝置虛擬維修系統實時仿真應用程序的設計

減搖鰭裝置虛擬維修系統的實時仿真應用程序的設計思想是在收集減搖鰭裝置故障信息、維修信息等應用環境數據[8]的基礎上，通過驅動設備（計算機技術），以Creator和Lynx軟件為支持工具，將編輯的數據、ADF 文 件 和FLT文件導入Vega應用程序，最后生成減搖鰭裝置虛擬維修實時應用程序，如圖2所示。

4 關鍵技術

4.1 實體建模

在開發虛擬系統之前，首先要創建裝置的實體模型，由于裝置的實體模型由諸多零件組成，為了方便后期編輯程序能夠精確快捷的操控所要拆卸的元件，采用整體創建，分步導入的方式進行。

充分利用Creator的OpenFlight數據層級結構優勢，在創建時裝置模型即以“jyq”命名的組節點，并作為父節點創建代表各個元件的組節點（組節點為CREATOR默認的最高級的節點形式，其下可創建同級的組節點或是較低級的節點模式如體節點、面節點、點節點等）。在創建模型時，以相應零件的組節點為父節點，并在二維平面視圖上參照設計圖紙尺寸要求畫出模型的側向剖視圖（Creator提供高精度的三維坐標平面，可精確把握實體尺寸），然后繞其軸車削出多個閉合的片面來構成其圓柱體結構的表面。按此方法一次創建構成減揺鰭的元件模型。

在Creator層級視圖中，不同級別的節點記錄著相應模型的結構信息[10]，如“jyq”組節點下包含構成缸體的各個零件組節點，零件組節點下包含構成該零件的各個三維實體的體節點，對應的體節點下則包含組成立體結構的點、線、面，并均以節點的形式記錄在層級視圖中。

完成各個零件實體的建模后應對實體本身賦予相應的紋理材質信息，以達到仿真的視覺效果。

4.2 配置ADF文件

在完成實體的模型建立后，還要將模型導入到VEGA的Lynx中配置ADF文件，這樣可以大幅減少源代碼的編寫。Lynx配置ADF文件流程如圖3所示。

圖3 配置ADF文件流程圖

首先將各零件的FLT文件導入到Lynx中，并在Object模塊中依次對導入的實體進行命名；隨后在Scenes模塊中加入所有已經命名好的Object實體；然后在Scene（場景）選項框中依次將所創建的實體模型名稱項添加到選項框中，這樣Lynx就會完成虛擬場景的創建；然后開始通過調整vgMotionMode類模塊中的參數來設定一個運動模式；最后為了實現減揺鰭零件實體能夠響應用戶指令在虛擬場景中運動，在vgPlayers模塊中創建相應的運動角色對象并分別綁定相對應的零件實體模型，這樣每個零件實體模型就都被賦予了動態的運動角色對象，導出ADF文件后就完成了虛擬拆卸系統的前期準備工作。

4.3 仿真模型的驅動

Vega API函數庫為用戶提供了一整套方便實用的仿真應用程序接口，用戶可以在C＋＋平臺上編寫相應的控制代碼，通過編譯和鏈接后就可實現對虛擬場景的交互性控制。在完成了Lynx配置底層文件后，系統會生成一個＊adf文件，整個VEGA程序代碼都是圍繞這個ADF文件編寫的。VEGA程序流程如圖4所示。

從流程圖可以看出，VEGA應用程序可分為以下幾個基本步驟：

1）調用vgInitSys（）函數，對系統進行初始化；

2）創建仿真應用所需的各種VEGA類實例，通過調用vgDefineSys（）函數讀取事先定義好的某裝置ADF文件；

圖4 系統運行結構流程圖

3）調用vgConfigSys（）函數完成系統配置；

4）調用vgSynFrame（）函數進行當前幀的應用進程同步處理，即保證應用進程與給定的幀頻率同步；

5）調用vgFrame（）函數完成當前幀的剔除和繪制進程及其相關處理；

vgSyncFrame（）函數和vgFrame（）函數一起決定了VEGA進程能夠與設定的幀頻率保持同步，從而能夠保證渲染出流暢的動態虛擬仿真畫面，再加入相應的交互式控制代碼就可以完成各種復雜的仿真應用。

下面是VEGA編程的總框架：

5 結語

本文在虛擬現實技術的基礎上，采用Creator建立三維模形，以Vega Prime為開發平臺，Visual C＋＋為開發語言，建立了一種可控制的交互式實時虛擬維修系統，并在海軍某型艦艇的減搖鰭裝置的虛擬維修系統開發中應用。結果表明，該系統能夠提供生動、逼真的虛擬維修效果，并在實際訓練中縮短訓練周期，提高訓練質量和效果。

[1]袁利毫.船舶操縱模擬器視景仿真研究[D].哈爾濱工程大學，2007

[2]甘茂治.軍用裝備維修工程學[M].第2版.北京：國防工業出版社，2005

[3]朱文革，李世其，等.復雜裝備虛擬維修系統設計[J].華中科技大學學報（自然科學版），2009，37（1）：1～4

[4]胡小強.虛擬現實技術[M].北京：北京郵電大學出版社，2005

[5]王乘，李利軍，等.Vega實時三維視景仿真技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2005

[6]方琦峰，康鳳舉，張楚鑫，等.OpenGL在Vega Prime開發環境中的應用研究[J].計算機仿真，2008，25（6）：191～192

[7]王乘，周均清，李利軍.Creator可視化仿真建模技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2005：6～8

[8]朱文革，李世其，尹文生.海軍艦船裝備的虛擬維修[J].中國修船，2004（5）：37～40

[9]白向華，陶鳳和，賈長治，等.基于主成分分析的裝備保障能力薄弱環節模型研究[J].計算機與數字工程，2010，38（10）

[10]劉博，徐元銘，史紅偉.基于Creator的列車運行三維建模技術研究[J].科學技術與工程，2010（30）：7545～7549

[11]王志成，賈希勝，孫寶琛，等.集群裝備戰時維修保障業務優化排序模型研究[J].計算機與數字工程，2010，38（6）

[12]李永杰，胡堅，汪厚祥.艦艇裝備維修信息數據倉庫的建立與數據挖掘[J].計算機與數字工程，2010，38（10）

[13]胡長濤，徐淑娟.朱翠蘭.基于Creator／Vega的虛擬校園漫游系統的研究與實現[J].機電產品開發與創新，2011（2）：128～129