維修部位導向的可視性分析方法

方雄兵，李濤濤

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

維修部位導向的可視性分析方法

方雄兵，李濤濤

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

［目的］針對維修仿真中以人眼為導向的分析方法所存在的不足，［方法］從可視性與可觸及性、操作空間等的耦合關系出發，提出一種以維修部位為導向的可視性分析方法。首先，分析傳統的以人眼為導向的可視性分析方法的一般流程；然后，在此基礎上提出一種以維修部位為頂點生成可視錐的方式來輔助開展可視性分析工作的流程，并對其主要的功能要素進行深入剖析。在Jack仿真軟件的基礎上，采用Tcl/Tk及Jackscript語言，設計并實現基于維修部位導向的可視性分析功能模塊。［結果］應用案例表明，所提出的方法有助于在檢查、驗證維修部位的可視性時，快速確定虛擬人合適的站位與身體姿態。［結論］該方法對于提升復雜環境下的可視性指標分析驗證效率具有較大幫助。

維修部位；虛擬人；可視性分析；可視錐；Jack軟件

0 引 言

可視性或視覺可達性通常是指對象是否處于以及如何處于人眼視域和視距范圍內的一種分析指標。從GJB/Z 91-97［1］中對可達性的解釋來看，裝備的維修可達性可分為空間可達性、可視性（視覺可達性）和可觸及性3項，且可視性與可觸及性、姿態舒適性等有重要聯系。對于艦船等大型裝備而言，其內部結構復雜，零部件之間的遮擋普遍存在，在開展這類產品的維修仿真時，如何快速分析和評估維修部位的可視性，并均衡該指標與可達性其他指標要素（可觸及性、操作空間）之間的關系，是維修可達性驗證工作的關鍵。

曾毅等［2］給出了2種維修可視性的評價方法，一種是基于人的生理視野區域特性的可視錐分析方法，另一種是基于維修觀測部位的截平面方法。王占海等［3］研究了基于虛擬人的飛機維修性虛擬分析與驗證流程，說明了可視性與可達性、姿態舒適性等的邏輯關系。譚正文等［4］針對Jack軟件在民機駕駛艙可視性評估中的功能不足，提出了一種計算飛行員視角度數的算法。張源濤等［5］將CATIA軟件的視野分析功能應用于加油車的維修可視性分析中。吳溪等［6］研究了維修部位可視域與可視錐相結合的可視性驗證方法。李倩等［7］研究了基于人眼生理特性的可視域分區的可視性分析方法，并結合Jack軟件開發了動態視域評估功能。徐平等［8］研究了列車臥鋪爬梯的人機工效學設計，應用了Jack軟件可視性分析功能開展扶梯的人因設計。馬智等［9］給出了基于Jack軟件的駕駛艙人機工效分析流程，包含可視性分析。李元斌等［10］研究了基于CATIA和DELMIA的救生艙裝配與維修可達性、可視性、碰撞與干涉等的仿真方法。徐達等［11］根據維修可達性設計要求，提出了接觸可達性、可視性和操作空間3項指標，并研究了該3個指標的單項及綜合評價方法。

本文將在文獻［2-3，6］的基礎上，針對基于人眼的可視性分析方法在解決維修可達性仿真中存在的不足，提出基于維修部位導向的可視性分析流程，綜合考慮可觸及性、操作空間等人機工效要素，并結合Jack仿真軟件開發相應的功能模塊。

1 基于人眼的可視性分析方法與流程

基于人眼的可視性分析方法是以虛擬人的人眼為導向，考慮人的視覺生理特性，將人眼的視野范圍分為最佳視域、較好視域以及最大視域3個區域，并結合人的視距大小綜合分析對象的可視性指標好壞。在進行維修對象可視性分析時，需要并行考慮其可觸及性與操作空間2大因素。通常，若維修對象的可視性好、可觸及且維修操作空間滿足要求，則認為維修對象的可達性指標較好。從裝備維修性設計與驗證的角度而言，3個指標緊密相連，缺一不可。基于人眼的可視性分析方法基本流程如圖1所示。

由圖1可知，在完成維修對象可視性分析的基礎上，需要進一步驗證對象的可觸及性和操作空間。若不滿足要求，此時又需要重新考慮對象的可視性，采用這種方法開展仿真時，需要進行3層嵌套式的反復迭代，直至仿真結果滿足條件，仿真計算效率低。通過分析，該流程主要存在以下不足：

1）維修部位的可視性、可觸及性以及姿態舒適性的好壞與虛擬人的位置直接相關。在進行仿真分析時，需要反復調整虛擬人的位置與姿態，每一次調整均對可達性3個指標要素產生影響，已確定的指標又需要重新分析。

2）若要判斷是否存在更加合理的位置、視野范圍和虛擬人姿態等，以便進行維修部位的可視性分析與評價，則圖1中的流程需要從步驟3開始重復執行，周期長。

造成上述問題的主要原因在于步驟3“調整虛擬人位置”和步驟4“調整虛擬人姿態”是為了使得虛擬人能看到維修部位，而這種調整缺乏目標性和準確性。考慮到光學可逆性，當人眼可以看到維修部位時，維修部位必然也可以“看到”人眼。基于該原理，可考慮從維修部位發出可視錐，使虛擬人眼位于該可視錐中，即可達到提高虛擬人站位與姿態調整的目的性和準確性。

2 維修部位導向的可視性分析方法

2.1 維修部位導向的可視性分析流程

為解決基于人眼的可視性分析流程存在的不足，從產品維修可達性全指標要素的耦合關系出發，結合光的可逆性原理，提出一種基于維修部位導向的可視性分析方法，其工作流程如圖2所示。

維修部位導向的可視性分析方法的基本思想是：建立基于維修部位的可視錐體，這些可視錐體與周圍部件不發生干涉。利用這些錐體，可以引導用戶設置虛擬人的站位與姿態，使虛擬人的眼睛落在該錐體內，從而實現維修部位的可視性檢查分析。當虛擬人眼睛可落在維修部位生成的可視錐體A以及延長區域內時，則虛擬人可以看到維修部位（可視錐體A的頂點）。

該流程中步驟3“生成基于維修部位的可視錐”方法如下：首先在維修部位上選擇一個合適的點作為可視錐的頂點；其次，確定可視錐的軸向及半頂角，這里要求可視錐不能與其他部位發生干涉。步驟6“維修部位是否可觸及”的判定條件是：虛擬人的人體與維修數字樣機等無碰撞且手部可觸及到維修部位［12-13］。步驟8“維修空間是否滿足要求”的判斷可參考單個零件拆卸空間可達性評價方法［14］。

2.2 維修部位導向的可視性分析功能要素

在基于維修部位導向的可視性分析流程中，除步驟3外，其他步驟中涉及的功能要素均為相關仿真軟件（Jack或DELMIA）已有的功能。

針對步驟3中的功能需求，從軟件操作方便性角度考慮，可考慮如下方式實現維修部位導向的可視性分析功能。

1）生成并編輯可視錐。

2）將可視錐移動（平移與旋轉）至維修部位處，并判斷是否與周圍部件發生干涉。

3）若干涉，則編輯可視錐的半頂角或旋轉其軸向。

4）若不干涉，則執行流程圖2中的步驟4。

基于上述方式，維修部位導向的可視性分析功能要素應包括：可視錐生成、可視錐選擇、可視錐編輯、可視錐定位與定向、可視錐刪除等。

3 維修部位導向的可視性分析功能設計與實現

3.1 功能設計

基于2.2節的功能要素，對維修部位導向的可視性分析功能進行了設計，主要包含3個部分：可視錐生成、編輯、移動與定位，具體描述如下。

1）可視錐生成。

本文采用圓錐對維修部位發出的可視區域進行近似。用戶輸入可視錐的分辨率，軟件根據該分辨率自動生成一個初始可視錐。

2）可視錐編輯。

選擇場景中生成的可視錐，對該可視錐進行幾何尺寸編輯以及顯示模式的選擇。

可視錐（圓錐）定義的方式有多種，如半徑和高度、半頂角和高度。本文采用半頂角（單位：（°））及高度（單位：cm）2個參數對可視錐進行定義。用戶選擇可視錐后，可修改其半頂角或高度，可視錐形狀發生相應變化。用戶還可以修改可視錐的顏色以及顯示模式（透明化、線框以及著色）。

3）可視錐的移動與自動定位。

用戶可對選擇的可視錐進行移動。選擇“移動”按鈕后，可在場景中通過鼠標光標點擊維修部位（Figure或Segment對象）上的點，所選擇的可視錐頂點可自動定位至該點上，可視錐的軸向為該Figure或Segment對象在光標處的正法向。選擇“移動”按鈕后，程序同時也可啟動Jack軟件已有的“Move”功能，可進一步對可視錐在維修部位上的位置及方向進行微調。

3.2 功能實現

界面及功能主要采用Tcl/Tk以及JackScript腳本語言實現。

可視錐生成、編輯與自動定位功能實現方法及關鍵代碼如下：

1）可視錐生成功能實現。

可視錐采用半頂角和高度2個參數進行定義，用戶指定圓錐分辨率，系統根據該分辨率以及默認的半徑/高度繪制可視錐，核心代碼為：

#根據默認高度，計算可視錐半徑

#生成相應半徑、高度和分辨率的可視錐

2）可視錐編輯功能實現。

可視錐編輯主要包括修改形狀、修改顯示模式（線框、透明或著色）及顏色設置。其中，形狀修改通過調整半徑或高度實現，通過對可視錐的形狀進行修改，可逼近維修部位所能“看到”的視域范圍。形狀修改核心代碼為：

#根據可視錐高度，計算底面半徑

#計算放大系數

3）可視錐自動定位功能實現。

為快速獲得維修部位的可視錐，在具體實現時，提供了自動定位和定向功能，用戶利用鼠標光標選擇維修部位上的點，所生成的可視錐可自動定位至該點處，且軸向與該點處的法向保持一致。可視錐自動定位步驟為：（1）獲取新的定位點；（2）計算該點處的法向；（3）根據步驟（2）得到的法向量，計算可視錐旋轉角度及旋轉矩陣；（4）將可視錐移至定位點，并進行旋轉操作。核心代碼為

#獲得定位點及該點處法向

#調用自動定位及定向過程函數

#計算旋轉角

#計算旋轉矩陣省略

#移動至定位點

4 仿真與分析

4.1 應用案例

本節選用滾軋機作為對象（圖3），采用圖2中的流程，研究其上方2處螺母的可視性分析方法（如圖4圓圈處所示）。首先依次生成2個初始可視錐（半頂角35°，高度50 cm），并利用可視錐自動定位功能，將其移動到螺母處，初始軸向為螺母外表面法向，通過旋轉以及編輯半頂角大小，使得可視錐與滾軋機其他部件不發生干涉（否則視線可能有遮擋），如圖5所示。圖5中2個可視錐分別采用透明化和線框模式顯示。圖6和圖7為由維修部位生成的可視錐引導虛擬人進行站位與姿態調整后的效果，可以看出，上述可視錐與從虛擬人眼睛生成的可視錐在維修部位處發生重疊，則維修部位也位于虛擬人視域中。

對于復雜環境下的可達性指標分析而言，維修部位生成的可視錐可能存在多個，用戶可根據可達性和姿態舒適性指標，初步過濾較為合適的可視錐，并利用圖2中的方法快速實現站位與姿態的調整。

4.2 分 析

本文提出的維修部位導向的可視性分析方法，對于復雜環境下的維修可達性驗證具有較大幫助。對于簡單環境下的維修可達性仿真而言，采用圖1中所示的分析方法即可。圖1中的方法同時也適用于人體位置不變，而操作對象位置可變的設計驗證中，例如汽車儀表位置與角度設計。

通過分析可達性驗證的整個流程，對圖2中的方法可作進一步的改進，在步驟3與4之間增加一個步驟：以維修部位為中心，生成一定半徑的可達球面，該球面半徑依據仿真虛擬人的臂長而定。通過在圖2流程中增加維修部位導向的可達域生成功能，可以引導虛擬人眼睛以及肩部分別進入可視錐內和該可達球面內，從而進一步提升維修部位的可觸及性檢查分析效率。有關這方面的流程優化與功能設計，將在后續工作中開展。

本文采用圓錐來近似從維修部位發出的可視域，而通常情況下，該可視域在不同方向上的角度范圍可能不一致，后期可考慮在可視錐的表達與生成方面，采用其他方法實現。另外，將進一步提升可觸及性以及使用與維修的空間可達性分析驗證效率，例如：將可達性3個指標的驗證與產品CAD三維設計過程相結合，實現總體三維布置與維修性驗證同步開展，這方面的工作也值得深入研究。

5 結 語

維修部位可視作為可達性分析驗證的首要條件，在復雜環境下對象的可達性分析中占據重要地位。本文在分析了人眼導向的可達性分析流程的基礎上，提出了維修部位導向的可視性分析流程；結合Jack仿真軟件，設計并開發了相應的分析功能；最后，給出了滾軋機2處螺母的可視性分析案例，驗證了所提出方法的合理性。該方法對于提升復雜環境下的可視性指標分析驗證效率具有較大幫助。

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A method for maintained part oriented visibility analysis

FANG Xiongbing，LI Taotao
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

To by pass the limitation of the human eyes oriented analysis approach,a maintenance part ori?ented visibility analysis method for maintenance simulation is proposed in this paper by taking the coupling relations among the visibility,accessibility,and operation space into account.Firstly,the general work flow of the traditional human eyes oriented analysis technique is analyzed.Secondly,a new work flow that uses points on the maintained part as vertexes to generate visibility cones to help the visibility analysis is brought forward.The functional elements of the flow are further analyzed in detail.Finally,the function module based on the maintained part oriented visibility analysis is designed and implemented with Tcl/Tk and Jackscript programming languages in the Jack simulation software.Simulation examples indicate that the proposed method helps confirm the appropriate standing positions and body postures efficiently when inspecting and validating the maintained part's visibility.The method is helpful for improving the efficiency of analyzing and validating visibility index under complex environment.

maintained part；virtual human；visibility analysis；view cones；Jack software

U672.7；TP391.9

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.018

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170313.1550.002.html

方雄兵，李濤濤.維修部位導向的可視性分析方法［J］.中國艦船研究，2017，12（2）：137-142.

FANG X B，LI T T.A method for maintained part oriented visibility analysis［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（2）：137-142.

2015-12-10 < class="emphasis_bold"> 網絡出版時間：

時間：2017-3-13 15:50

中國艦船研究設計中心研發基金資助項目；國家部委基金資助項目

方雄兵（通信作者），男，1983年生，博士，工程師。研究方向：計算機圖形學、計算機輔助幾何設計及艦船虛擬仿真。E-mail：fangxb2013@sina.cn

李濤濤，男，1988年生，碩士，助理工程師。研究方向：艦船虛擬仿真。

E-mail：taotaoliwhut@163.com

期刊網址：www.ship-research.com