基于逆向工程的戰場搶修方法研究

余子騰 劉震磊 王阿杜 朱翰文 李博遠

（1．沈陽航空航天大學航空航天信息技術協會，遼寧 沈陽 110136；2．沈陽航空航天大學航空宇航學院，遼寧 沈陽 110136）

基于逆向工程的戰場搶修方法是通過對物品損傷部位的三維掃描，使用逆向建模技術對其進行損傷評價和有效修復等一系列活動，使其能在短時間再次投入戰場使用的技術。在現代戰爭空間立體化的大前提下，裝備的快速搶修在戰爭中的作用越來越突出，如何利用有限的資源對作戰裝備進行維修，保證戰場補給，對現代戰爭的勝利具有主導作用。

1 基于逆向技術的戰場搶修

1.1 戰場搶修目的

戰場搶修的根本目的是使軍隊獲得持續的作戰能力并取得戰爭的勝利，21 世紀的戰場已經發展為海陸空三位一體的立體化戰爭，戰時的敵我雙方會產生巨大的裝備損耗。如何高效地對裝備進行搶修，使其能夠在短時間內重新投入戰場，來恢復與保障軍隊的戰斗力，將成為取得最終戰斗勝利的關鍵因素。1973 年的第四次中東戰爭中，以色列及時地對損傷坦克進行戰場搶修，憑借這一點最后使得其坦克數量與阿拉伯聯軍持平，此舉在國際上引起了極大的反響。自此，戰場搶修在各國引起高度重視。

1.2 逆向技術

隨著科技的快速發展，出現了大量結構復雜的機械零件。這些機械設備經過一段時間使用或受外界因素的影響，會產生大量廢舊的零件，其中的大多數零件損壞是由局部破壞造成的，如果對破損部位進行修復，依然可以重新使用，直接丟棄會造成較大損失[1]。

逆向工程的特性使其在航空維修領域受到了很大的重視。二代三代機修理過程中經常會出現無數模、圖件缺失，或是需要更換一些按模線樣板制造的零件[2]。逆向工程受到重視的原因有3 個方面。1）獲得破損部位的數據。2）在缺少圖紙的情況下制造出與損壞零件的功能相同的零件。3）相比于傳統的針對損壞零件的掃描與修復，逆向技術能夠有效改善零件精度與質量。

2 逆向工程戰場搶修技術分析

逆向技術是在數據缺乏的情況下通過現有的設備以及重建CAD 模型來對零件進行復制。

要想修復零件，首先要建立精確的修復模型，模型重建可以分為以下3 部分。1）數據的獲取。2）點云數據的預處理。3）數據分割和曲面重建。最后是CAD 模型的構建。逆向模型重建對測量、圖形學、計算幾何等領域都有涉及，常用的逆向軟件有 Imageware、Geomagic、RE-soft等[3]。

現如今，破損面點云數據采集的方式主要分為接觸式和非接觸式兩大類，如圖1 所示。常見的接觸式數據采集方法主要是使用三坐標測量機（Coordinate Measuring Machine， CMM）；非接觸式數據采集的發展更為多元化，例如采用光、聲和電磁等來獲取掃描點的坐標數據。

圖1 點云數據采集方法分類

數據采集技術分析：

現如今，有許多的分析系統可以被用來對物體表面的數據進行采集，由于區別于接觸式數據采集的特性，非接觸式采集更加地適用于戰場維修。為了突出逆向工程與非接觸式采集的便捷性，選擇了如下系統進行分析。

2.1 掃描系統分析

三維激光掃描技術又稱實景復制技術，現有的三維激光掃描儀種類多，根據戰場的適用性來選擇不同的工具。在使用設備對物體表面掃描時，通過發射某種形式的光現到被測物體的表面，測量照明位置，獲得物體表面的空間坐標。它的重要意義在于，能夠將獲得的立體圖像信息轉換為二維的數字型號，便于計算機處理，為數值化提供了便捷，圖2 為激光測量系統原理。

圖2 激光測量系統原理

三維激光掃描系統又可以分為機載、車載、地面和手持幾類。為了適應不同的環境，現在的很多交通工具都可搭載三維掃描系統來滿足人們的需求，這在很大程度上符合戰場的需要。

2.2 快速成型（BP）系統分析

恢復軍隊作戰能力是戰爭的必要因素，在戰場補給不能準時到達以及大量軍事裝備破損的情況下，加快搶修尤為重要。

圖3 快速原型開發步驟

快速成型系統（BP）是從計算機數據庫掃描得到的二維數值信號，應用CAD、CAM、CIMS 等技術，快速生成設計的三維建模，在沒有任何工具、模具的條件下對應用材料進行疊加，快速制造出任意的原件。

BP 系統制造的工藝手段如圖3 所示，是將物體CAD模型分層，每層都有它特定的大小和厚度，再一層層地導入打印機器中，按導入順序將實物打印出來。

3 逆向工程戰場搶修流程設計

在研究逆向工程的過程中，我們用到了許多高精度的儀器設備，在考慮戰場復雜的搶修環境的情況下，兼顧物品搶修的質量。在這些前提條件下開發一款戰場搶修工具箱是關鍵，要求能夠快速地獲得破損零件的表面數據，運用逆向技術對破損部位進行搶修。

3.1 戰場環境

現代戰爭的手段越來越復雜，從最初的陸軍兵種演變到了如今的陸、海、空、天、電磁等領域。將逆向技術應用于戰場，首先需要檢驗其各種環境的適應能力，在能夠盡量接近戰場環境的情況下反復測試，不斷增強逆向技術對戰場的適應能力，為將來能夠將逆向工程運用到實際戰場環境中提供依據，而且能夠為戰場逆向技術維修工具箱的開發提供支持。當前需要解決的問題是確認對基于逆向工程的戰場維修的模擬的測試評價是可行的。

軍隊交通運輸是作戰保障和后勤保障的中心環節，在作戰中“首先登場、全程使用、最后謝幕”[4]。環境是影響戰場交通的主要因素之一，環境影響主要是軍隊的兵力以及作戰設備的移動方面，及時的戰場維修需要降低環境因素帶來的負面影響，減小維修設備轉移過程中軍隊因作戰設備無法使用導致的損失。

3.2 戰地搶修設備

目前國際上主流的搶救裝備有2 種：裝甲搶救車和維修方艙。

裝甲搶救車的底盤是裝有履帶式或輪式的裝甲車輛，機動性能優越，按重量分為輕型、中型和重型。配備起重裝置、牽引裝置和緩沖裝置、并隨車攜帶維修工具，擁有一定的自保能力。但它不能對破損零部件進行及時的搶救，只能將其拖拽出戰場后再補救。方艙是具有一定強度和壽命的獨立工作間，便于存放保養，占地面積小，方艙主要分為電子類、機械類、電源類和其他類型。具有良好的修復能力，但由于自我防衛能力低，容易成為敵軍的打擊目標。

3.3 基于逆向工程的搶修設備

該項目提出了一種將逆向技術、戰場機動性能、自保能力和修復能力結合的搶修設備。采用六輪雙橋驅動的裝甲車，配備牽引裝置和起吊機械臂，將破損設備牽引和吊起。搶救車內配備方艙，放艙內攜帶小型掃描儀、可建模的電腦、3D 打印裝置、部分易損零部件以及維修所需的一般工具。由于這種設備的機動性能和自保能力的保障，通過搶救車的配置對設備起吊和牽引，再由搶救方艙對破損部位檢查定損，將破損部位導入計算機，利用打印機打印可更換零部件。要求對損傷設備進行維修后能夠使其恢復以下能力：恢復到一般修復后的水平或是通過降低性能的方式使其恢復部分做戰能力，另外擁有一定的自我保護能力，能夠撤出作戰區域。

4 逆向工程搶修方案設計

戰場搶修通過運用戰場損傷評估和修復技術，在戰場上快速修復損傷裝備；戰場搶修能夠為軍隊補充戰爭損耗、保持持續作戰能力提供重要的支撐[5]。該文研究的是基于逆向工程的戰場搶修的快速和高效，研究基于逆向技術的戰場搶修車和方艙在戰場搶修的可行性。

通過對國內外逆向技術的研究與調查，我們將戰場零部件的搶修分為有無零部件模型圖紙2 種，通過是否需要逆向建模來選擇合適的搶修方案，針對他們不同的特點進行研究。

4.1 搶修方案1（已有數學模型）

作戰裝備總是由大量的零部件組成，這其中一部分零部件會由于磨損等因素而導致其易損，還有一部分零件容易成為敵軍的攻擊目標，例如郵箱、發動機等。我們可以提前將這些零部件的數學模型保存到逆向工程的工具箱中，在需要時就可以直接調出來使用，很大程度上節省了戰場搶修的時間，實施流程如圖4 所示。

4.2 搶修方案2（無數學模型）

逆向技術的目的是提高戰場搶修的高效性，針對那些不易受損的零件，就不需要預先在數據庫。作戰設備復雜的機械結構導致其中會有大量重復的零件，針對這種零件損傷，可以對其同類零件進行掃描獲取數據實施修復。

方案二流程如圖5 所示，這套方案還可以針對地方作戰設備進行搶修。在缺少敵方軍事設備圖紙的情況下，可以對敵軍破損零件相同的零件掃描，通過逆向技術掃描、重構，生成零件的數學模型，導入數據庫，尋找合適的修復方法，運用我方還原技術修復敵軍設備的零件為我軍所用。

對搶修方案進行研究，將逆向工程運用于戰場，合理地選擇搶修方案，能夠很好地達到戰場搶修的目的和要求，使戰場搶修更加快速、高效。

圖4 方案一流程圖

圖5 方案二流程圖

5 結語

基于逆向工程的戰場搶修方法是指在戰場上運用逆向技術的快速診斷與有效維修等工程技術，保證戰時軍用裝備的作用能夠持續地發揮出來。將逆向工程投入到戰場復雜多變的情況下，憑借其高效的數據采集處理功能；對損壞零件進行點云數據采集，獲取損傷情況；用逆向工程軟件反建模，導出修復CAD 模型；選擇合適的搶修方案。由于逆向技術的特殊性，能夠很大程度上節約戰場破損零部件的修復時間。戰場搶修是獲得戰爭勝利的主要因素之一，憑借逆向技術能夠持續地為我軍提供戰斗力的保障。