魚雷使用與維修IETM的開發與實現

徐 蕾, 劉惠琴

?

魚雷使用與維修IETM的開發與實現

徐 蕾, 劉惠琴

(中國船舶重工集團公司 第 705 研究所, 陜西 西安, 710075)

為了克服紙質技術手冊在魚雷使用、保管及更新上帶來的種種困難, 對采用交互式電子技術手冊(IETM)進行魚雷使用與維修進行了探索。首先對當前IETM的開發現狀及關鍵技術進行了分析, 然后針對魚雷裝備的特點, 開展了魚雷使用與維修IETM的開發研究, 包括: 總體開發框架的搭建、通用開發平臺的選擇以及技術實現。在技術實現上, 重點從魚雷IETM的開發標準、內容數據模型的定義、虛擬仿真功能的實現、交互功能的實現以及IETM的系統集成這5個關鍵方面進行了闡述, 最后展示了魚雷IETM的實例開發效果。

魚雷使用與維修; 交互式電子技術手冊; 虛擬維修仿真

0 引言

魚雷交付用戶時, 除交付產品本身之外, 與之同期配備的還有產品使用說明書、產品使用與維修規程、設備使用說明等技術資料。這些技術資料大都為紙質文檔, 隨著紙質文本數量和復雜性的急劇增加, 紙質技術文檔在魚雷設計、生產、培訓、使用和維修保養過程中存在的問題也逐漸暴露出來, 其中較為突出的有: 紙質資料的編制周期長, 更新和修訂較為困難; 資料的體積大, 不便于保管和攜帶; 資料的檢索、查詢費時、費力, 使用效率低等。因此, 開發交互性強、易使用、易維護的交互式電子技術手冊(interactive electronic technical manual, IETM), 對形成魚雷的裝備能力, 提高艦船裝備的后勤保障水平, 具有重要的現實意義。

當前, 由于IETM在魚雷行業中的應用還處于起步階段, 因此本文開展了面向魚雷使用和維修IETM的研發, 以探索魚雷IETM的實現途徑。

1 IETM開發的關鍵技術

1.1 標準化技術

IETM的核心問題是信息共享、產品數據的互操作, 而標準則是實現信息共享的前提和基本保證。因此IETM的所有創作與實施都必須在相關標準的嚴格指導下才能進行。目前IETM的標準有以下幾類。

1) 國際標準

主要有兩大體系: 一是美軍標MIL-PRF- 87268A《交互式電子技術手冊通用內容、風格、格式和用戶交互要求》[1]和MIL-PRF-87269A《交互式電子技術手冊可修改數據庫》[2], 另一個是歐洲標準S1000D《基于公共源數據庫的技術出版物》[3]。

從標準建立的基礎來看, 由于美軍標基本數據元素劃分的更細, 所以其數據共享和相互引用更方便, 不只是基本元素之間可以相互鏈接共用, 特定內容層各類信息也可以實現共享; 而S1000D標準對更低層次元素的共享卻有一定的局限性。

從專注的領域和理念來看, 美軍標主要面向軍事裝備領域, 對軍事領域的特殊性有更多的考慮, 因而容易形成成熟的IETM產品; 而S1000D標準則致力于將所有軍民品裝備納入其中, 通過版本的迅速更新使IETM的概念和內涵不斷擴大, 有利于不斷整合相關資源和系統, 但缺點是把一個技術手冊問題復雜化, 不便于形成高效成熟的IETM產品。另外開發基于S1000D的手冊還必須首先確定是采用哪個版本, 因為不同版本間很可能存在不兼容問題。

2) 國內標準

包括2個系列: 國標GB-T24463系列[4]和國軍標GJB 6600系列[5]。其中, GB-T24463系列近似于S1000D, 主要規定了IETM互操作性體系的結構、用戶界面與功能要求、公共源數據庫要求; 而GJB6600系列則更接近美軍標, 主要規定了我軍裝備IETM的功能、內容、樣式、數據格式及管理信息要求、數據模塊和信息控制代碼的編碼要求、數據模塊通用層和信息層的元素、格式及關系等要求。

當前國內各行業IETM標準的應用狀況是: IETM的行業技術規范尚未統一制定, 各研制單位IETM的體系結構和信息格式仍不一致, 技術資料也未做到真正的共享。因此選擇上述哪類標準來有效指導各自行業IETM的開發, 仍需IETM開發者把握和取舍。

1.2 交互式虛擬仿真技術

為使裝備后勤保障人員能快速、準確地獲取和掌握維修保障信息, 并在維護保養、故障診斷方面給予更便捷的技術服務, IETM在開發中通常采用交互式虛擬仿真技術來模擬裝備實際維修過程中的拆裝、零部件更換、性能檢查以及零部件分解等活動。

當前, 用于IETM交互式仿真的傳統軟件有EON Studio, Virtools等。它們都提供了虛擬零部件動作仿真以及人機交互動作控制的功能[6], 但這些軟件提供的都是抓握、釋放、移動等低層的基本動作模型, 其動作模型并不明確關聯到具體的維修裝備或維修人。因此在對實際維修作業進行虛擬仿真時, 如果直接用低層基本動作模型對具體的維修動作進行仿真, 必將造成模型復用率低、動作仿真量大和運行效率低等問題。因此, 如何有效開展交互式虛擬仿真就成為IETM開發者必須解決的問題。

1.3 IETM的開發平臺

目前, IETM的開發平臺主要分為專用開發平臺和通用開發平臺。專用開發平臺主要是國外軍用或商用的IETM開發軟件, 如: 美國雷神公司的AIMSS系列軟件, 美國波音公司的Qui1121制作平臺等。這些軟件的針對性強, 使用方便, 但價格昂貴, 來源渠道有限, 且大多是以1995年美國國防部頒布的軍用技術規范為依據制作的, 其后臺制作系統和前臺顯示系統相互依賴, 缺乏平臺間協同工作的能力。

通用開發平臺主要指借用各種通用商業現貨 (commercial off the shelf, COTS)軟件來制作和發布IETM, 如: 數據模塊的編寫可使用Altova XML Spy, Arbortext Editor等軟件, 公共源數據庫(common source data base, CSDB)的制作可使用Delphi, Power Designer和Microsoft SQL Server等軟件, 前臺顯示系統可使用Microsoft Visual C++軟件制作[7], 也可以利用操作系統自帶的瀏覽器來進行信息發布。采用這些軟件制作IETM, 成本低, 使用靈活, 但也存在以下問題: 1) 技術文檔創編的自動化程度低; 2) 開發規范不統一; 3) IETM自我更新能力較弱; 4) 系統功能比較單一。

探究造成上述現象的原因, 除了技術層面既有的問題之外, 更主要的還在于各單位將IETM的開發與IETM創編支持工具的開發混同起來, 即認為IETM的開發過程需要從底層支持工具的開發開始, 因此造成要么IETM的信息內容及編排單一, 要么支持工具的能力低下等問題, 交付的IETM產品性能自然也大打折扣。為此, 選擇符合本國IETM開發需求的通用開發平臺, 就成為IETM開發者必須考慮的問題。

2 IETM設計

2.1 需求分析

通過對魚雷使用與維修實際需求的調研及分析, 得出魚雷使用與維修IETM(以下簡稱IETM)應具備以下功能。

1) 可導入魚雷裝備、檢修工具與設備的CAD數據以及使用與維修的任務序列;

2) 通過IETM目錄樹的瀏覽, 使維修人員能夠了解魚雷的組成結構、工作原理、技術性能、安全使用規程、維護與保養等專業知識;

3) 通過在虛擬環境中對魚雷維修操作過程的仿真培訓, 使維修人員能夠盡快掌握魚雷裝備使用與維修的操作規程;

4) 通過在虛擬環境中對魚雷的拆卸仿真培訓, 使維修人員能夠直觀了解魚雷的裝配結構以及組成零部件的屬性;

5) 通過對故障知識的學習, 使維修人員能夠及時獲知故障產生的原因以及故障排除的方法;

6) 通過維修經歷簿的瀏覽, 使維修人員能夠了解魚雷維修與處理的歷史情況;

7) 通過添加改進維修過程或維修產品的反饋意見注釋, 可加強維修人員與開發人員的交流。

圖1為IETM系統的建立及使用流程。

2.2 總體開發框架

基于虛擬仿真的魚雷IETM的開發過程可歸結為: 從底層數據出發, 經過IETM功能模塊對裝備數據的分析、處理得到相應的結果, 將結果通過IETM用戶界面傳達到應用層, 再通過與用戶交互的方式, 最終達到魚雷使用與維修訓練的目的。IETM系統的實現框架可用基本數據層、構件層和應用層3個層次加以描述, 如圖2所示。

圖1 IETM建立和使用流程

2.3 通用開發平臺

本文采用SuperManual這一面向國內IETM實際開發需求的通用開發平臺來進行IETM素材的分類定義、集成及發布。SuperManual的功能特色主要體現在以下幾方面。

1) 所見即所得

提供所見即所得的開發環境, 使用者只需要具有基本文檔組織經驗, 不需具備編程知識就可直接開發, 極大地提高了用戶開發IETM的效率。

2) 標準化

采用標準化的數據模型組織IETM技術信息, 可導入和導出XML格式的信息文件, 以利于用戶在不同廠商開發的IETM之間進行信息交換。

3) 資料復用

最大程度地兼容裝備已有信息資料, 除常見的文本、表格、圖像、視頻、動畫等信息形式外, 允許用戶通過安裝插件的方式導入不同格式的技術資料到IETM中, 包括AutoCAD, Pro/E等。此外, 通過COM組件擴展接口, 還可實現用戶自定義格式信息的展示。

4) 即時調試

IETM的創編工具與瀏覽器有機集成, 允許用戶在IETM的開發中, 查看任意信息單元的瀏覽和展示效果, 以方便調整信息的風格和樣式。

5) 故障診斷

支持基于故障診斷樹模式的專家系統開發。還能夠導入測試性建模軟件TEAMS生成的故障診斷策略等。

圖2 IETM實現框架

2.4 技術實現

2.4.1 開發標準的選擇

為使魚雷IETM的應用能遵循統一的標準, 以便創作出具有良好的移植性、交互性、互操作性的IETM, 本文選擇了GJB6600系列作為開發標準, 這主要基于以下兩點考慮:

1) GJB6600立足于我軍裝備的保障情況和發展需要, 總結并統一了IETM的頂層需求, 規定了開發IETM時的基本要求、數據結構以及技術信息的編碼定義, 因而它對于魚雷武器裝備研制中IETM技術的推廣和應用具有實際指導意義。

2) GJB6600雖接近于美軍標, 采用內容數據模塊來創建和管理IETM, 并以中性格式來存儲信息, 但GJB6600在具體規定上更加詳實, 如對故障維修和零部件分解等方面就作了進一步的規定, 因而對于魚雷裝備IETM的開發更具有可操作性, 并易形成更成熟的IETM產品。

2.4.2 內容數據模型的定義

由于IETM涵蓋了大量裝備使用和維修過程中所需的技術信息, 為規范管理這些技術信息, 必須首先對這些信息進行規范化分類, 以建立起標準化的IETM內容數據模型(content data model, CDM)[8]。從魚雷當前使用與維修的實際需要出發, 本文構建了基于主題的CDM, 如圖3所示。

圖3 基于主題的IETM內容數據模型

該模型把魚雷的技術信息劃分為3個層次, 即應用信息層、通用信息層和基本信息層。在應用信息層, 按照應用主題可以將魚雷技術信息分為4類, 分別為通用說明信息、操作信息、故障診斷與維修信息, 以及保障器材信息; 在通用信息層, 將應用信息從功能角度進一步分解為描述單元、任務單元、故障診斷單元和零部件單元這4類通用信息單元, 由多個通用單元即可組合成各種應用信息; 基本信息層則由文本、表格、圖形、音頻/視頻、外部程序及對話框等單元組成。技術信息在計算機中最終是以基本信息的形式進行存儲, 然后對其進行組合, 以使之生成所需的各類應用信息。

2.4.3 虛擬仿真功能的實現

本文選用Cortona3D這一功能較強的虛擬培訓軟件予以實現。該軟件能夠為魚雷裝備的技術支持、維護及運行快速創建交互式3D動畫仿真, 并將其開發結果作為獨立項并入IETM中。在具體實現上, 利用該軟件虛擬培訓編輯器(virtual training editor, VTE)中提供的3D視窗以及簡明的命令語言界面來創建可視化的裝備維修、分解全過程仿真, 以達到人員培訓和技術訓練的目的。

2.4.3.1 虛擬維修操作的仿真實現

維修分解是虛擬維修仿真的前提。在維修工程中, 產品的維修可分解成4個層次: 維修、維修任務、維修作業和基本維修作業[9]。如圖4所示。

圖4 某泵的維修分解描述

為此, 在基本保持現有維修分解層次的基礎上, 對其進行了進一步的分解, 即在“基本維修作業”之下又新增加一個“基于對象的維修動作層”, 如圖4虛線框所示。在此層上建立起基于對象的關聯動作模型, 通過這些基于具體動作對象的動作模型, 就可直接承載Cortona3D軟件提供的各種基本動作指令。將這些基本動作指令再組合, 即可仿真更高層次的維修動作。由此大大提高維修仿真的效率。

圖5為某排水瓶維修動畫設計的截屏圖。

2.4.3.2 交互式零部件目錄的實現

對于魚雷維修保障人員來說, 零部件的數據信息管理是其中不可缺少的工作環節之一: 維修保障人員既需要與準確的零部件數據進行比對, 又需要有行之有效的方法來獲取或展示這些關鍵信息。因此本文通過創建3D交互式零部件目錄(interactive part catalog, IPC)以滿足維修保障人員的需求。一個魚雷3D IPC由若干張或若干頁內容組成, 主要包含:

圖5 某排水瓶虛擬維修動畫的設計

1) 3D圖形: 零部件的3D表現形式;

2) 詳細零部件列表(detailed part list, DPL): 零部件數據的一種構成列表, DPL的每一行都通過相應的3D圖像列出插圖。

通過采用Cortona3D的虛擬零部件目錄編輯器(virtual part editor, VPE)可建立起魚雷系統的IPC, 為用戶提供零部件拆卸演練、屬性查詢以及與傳統2D圖像及文字信息類似的導航系統頁。圖6為某泵的零部件拆卸及屬性查詢交互式仿真截圖。

圖6 某泵交互式零部件目錄的設計

2.4.4 交互功能的實現

魚雷IETM通過采用對話框、選擇框等交互方式來引導用戶完成故障診斷和維修維護。在具體實現上, 以魚雷使用與維修手冊為基礎, 采用了SuperManual的故障單元創建工具, 建立起適用于魚雷裝備的各類故障模式, 并以用戶熟悉的故障樹形式來組織每一個具體故障的診斷和排除過程。其交互式故障診斷及排除的方法如下。

用戶首先將檢測結果或觀察到的故障現象輸入IETM系統, IETM瀏覽器再將獲取的檢測數據與相應故障模式進行匹配, 最終確定出裝備發生故障的原因, 并由此輸出故障排除的建議方案。采用此方法, 可使維修人員能盡快掌握故障產生的原因以及故障修復的方法, 從而提高魚雷故障維修的效率。圖7為某艙的故障診斷與排除示例。

圖7 交互式故障診斷與排除示例

2.4.5 系統集成的實現

采用SuperManual實現魚雷IETM系統集成的方法是:

1) 采取我軍標準的文檔定義類型來定義IETM的數據類型;

2) 采用符合我軍標準的數據模塊來編排IETM的技術信息;

3) 通過靈活多樣的鏈接和導航方式以實現各類信息的跳轉和快速查詢;

4) 按照XML的格式導入和導出信息文件, 便于魚雷IETM集成到其他保障系統中。

圖8為魚雷IETM的集成開發效果。

圖8 IETM集成開發的效果

Fig. 8 Effect of integrated IETM development

3 IETM開發效果

下面以某泵的拆卸操作仿真為例來說明IETM的開發效果, 如圖9所示。

圖9所示的拆卸仿真系統具有以下特點:

1) 可直觀顯示3D組件/部件/零件的拆裝、清洗及檢查等全過程操作;

圖9 某泵拆卸操作的交互式仿真

2) 操作步驟(高亮顯示)與相關動畫視頻同步顯示, 操作演示時還配備音頻解說;

3) 具備交互式控制功能。用戶可根據自己的需要暫停、停止、快進、后退正在觀看的操作視頻。此外還有單步及全程播放功能;

4) 通過按動鼠標左、中、右鍵, 用戶可平移、旋轉、縮放處于操作狀態的3D零部件, 以加強維修操作的可視性。

通過上述仿真系統的開發, 該泵的拆卸操作得以準確、清晰地再現。

4 IETM的應用特點

與傳統紙質技術手冊相比, 本文研發的魚雷IETM具有以下應用特點:

1) 體積小, 便于攜帶, 非常適合外場級、艦員級等一線維修作業場合;

2) 由于其數字化特性, 技術手冊一經建立即可重復共享使用, 并保持及時更新升級, 因而在降低維修費用和提高維修準確性方面具有更大的優勢;

3) 基于IETM提供的交互能力, 它可以生動展現維修人員所需要的特定技術信息(如文字、聲音、影像、圖片等), 從而加速維修活動的實施, 提高裝備的維修效能和訓練水平。

5 結束語

本文通過采用交互式仿真技術開發魚雷使用與維修IETM, 克服了傳統紙質手冊的弊端, 為維修保障人員盡快掌握魚雷裝備的相關信息, 提高魚雷維修保障及訓練質量起到了推動作用。

當前網絡技術的發展已非常普遍, 建立基于網絡的聯合式IETM將成為魚雷IETM發展的必然趨勢[10], 即通過聯網式的IETM以實現不同地域的維修保障人員對魚雷裝備信息的共享和交互, 以輔助魚雷的使用、維修等工作。因此, 基于網絡的IETM研究將成為下一步研究的重點。

[1] Department of Defense. MIL-STD-87268A General Con- tent Style, Format, and User Interaction Requirements for Interactive Electronic Technical Manuals[S]. US: Depart- ment of Defense, 1995.

[2] Department of Defense. MIL-STD-87269A Revisable Data Base for Support of Interactive Electronic Technical Manuals[S]. US: Department of Defense, 1995.

[3] Aerospace and Defense Industries Association of Europe/ Aerospace Industries Association of America/Air Trans-port Association of America (ASD/AIA/ATA). S1000D International Specification for Technical Publications Utilizing a Common Source Database S1000D[S]. Issue 4.0. ASD/AIA/ATA, 2008.

[4] 徐宗昌, 李文武, 雷育生, 等. GB/T 24463—2009交互式電子技術手冊[S] . 北京: 中國國家標準化管理委員會, 2009.

[5] 劉新建, 李本威, 黃振和, 等. GJB 6600—2009裝備交互式電子技術手冊[S]. 北京: 總裝備部軍標出版發行部, 2009.

[6] 于鵬飛, 時和平, 芮科慧. 基于動作對象的虛擬維修動作仿真方法的研究[J]. 裝備指揮技術學院學報, 2009, 20(5): 128-129.Yu Peng-fei, Shi He-ping, Rui Ke-hui. Research on the Method of Virtual Maintenance Action Simulation Based on Action Object[J]. Journal of the Academy of Equip- ment Command & Technology System Simulation. 2009, 20(5): 128-129.

[7] 趙建波, 郭晨冰. IETM技術在艦載共架武器垂直發射裝置研制中的應用[J]. 水面兵器, 2013, 22(1): 9-14.Zhao Jian-bo, Guo Chen-bing. Application of IETM Shipborne Mutual-project Vertical Launcher Research[J]. Surface Weapons. 2013, 22(1): 9-14.

[8] 常雷, 杜曉明, 邵云峰, 等. 裝備IETM內容數據模型研究[J]. 微計算機信息, 2008, 24(1): 290-292.Chang Lei, Du Xiao-ming, Shao Yun-feng, et al. Study on CDM of IETM Equipment[J]. Microcomputer Information, 2008, 24(1): 290-292.

[9] 徐緒森. 裝備維修決策技術: 維修工程的方法[M]. 北京: 兵器工業出版社, 1991: 8-9.

[10] 楊宇航, 李志忠, 鄭力. 虛擬維修研究綜述[J]. 系統仿真學報, 2005, 17(9): 2191-2195.Yang Yu-hang, Li Zhi-zhong, Zheng Li. Survey of Virtual Maintenance[J]. Journal of System Simulation, 2005, 17(9): 2191-2195.

(責任編輯: 許 妍)

Development and Implementation of Interactive Electronic Technical Manual for Torpedo Usage and Maintenance

XU LeiLIU Hui-qin

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi′an 710075, China)

To overcome the difficulties in application of printed technical manual to torpedo′s usage, storage, and updating, the interactive electronic technical manual(IETM)-based usage and maintenance of a torpedo are explored. First, the current development status and key technology of the IETM are analyzed. Then, the development of the IETM for usage and maintenance of a torpedo is performed in accordance with the characteristics of torpedo equipment, including the establishment of overall developing framework, the selection of general developing platform, and the technical implementation. In the case of technical implementation, five key aspects are discussed in detail in terms of the IETM developing standard for torpedoes, the definition of content data models, the implementation of virtual simulation functions, the implementation of interactive functions, and the IETM system integration. Finally, a developing example of the IETM for a torpedo is given.

torpedo usage and maintenance; interactive electronic technical manual; virtual maintenance simulation

TJ630.7

A

1673-1948(2014)05-0370-07

2014-06-03;

2014-07-16.

徐 蕾(1967-), 女, 碩士, 高級工程師, 研究方向為CAD仿真及信息化技術研究.