徐 蕾, 劉惠琴

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魚雷使用與維修IETM的開發(fā)與實現(xiàn)

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(zhì)技術(shù)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(shù)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(fā)現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)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(fā)研究, 包括: 總體開發(fā)框架的搭建、通用開發(fā)平臺的選擇以及技術(shù)實現(xiàn)。在技術(shù)實現(xiàn)上, 重點從魚雷IETM的開發(fā)標準、內(nèi)容數(shù)據(jù)模型的定義、虛擬仿真功能的實現(xiàn)、交互功能的實現(xiàn)以及IETM的系統(tǒng)集成這5個關(guān)鍵方面進行了闡述, 最后展示了魚雷IETM的實例開發(fā)效果。

魚雷使用與維修; 交互式電子技術(shù)手冊; 虛擬維修仿真

0 引言

魚雷交付用戶時, 除交付產(chǎn)品本身之外, 與之同期配備的還有產(chǎn)品使用說明書、產(chǎn)品使用與維修規(guī)程、設(shè)備使用說明等技術(shù)資料。這些技術(shù)資料大都為紙質(zhì)文檔, 隨著紙質(zhì)文本數(shù)量和復(fù)雜性的急劇增加, 紙質(zhì)技術(shù)文檔在魚雷設(shè)計、生產(chǎn)、培訓(xùn)、使用和維修保養(yǎng)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(zhì)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(fā)交互性強、易使用、易維護的交互式電子技術(shù)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(xiàn)實意義。

當前, 由于IETM在魚雷行業(yè)中的應(yīng)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(fā), 以探索魚雷IETM的實現(xiàn)途徑。

1 IETM開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 標準化技術(shù)

IETM的核心問題是信息共享、產(chǎn)品數(shù)據(jù)的互操作, 而標準則是實現(xiàn)信息共享的前提和基本保證。因此IETM的所有創(chuàng)作與實施都必須在相關(guān)標準的嚴格指導(dǎo)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(shù)手冊通用內(nèi)容、風(fēng)格、格式和用戶交互要求》[1]和MIL-PRF-87269A《交互式電子技術(shù)手冊可修改數(shù)據(jù)庫》[2], 另一個是歐洲標準S1000D《基于公共源數(shù)據(jù)庫的技術(shù)出版物》[3]。

從標準建立的基礎(chǔ)來看, 由于美軍標基本數(shù)據(jù)元素劃分的更細, 所以其數(shù)據(jù)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(nèi)容層各類信息也可以實現(xiàn)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(lǐng)域和理念來看, 美軍標主要面向軍事裝備領(lǐng)域, 對軍事領(lǐng)域的特殊性有更多的考慮, 因而容易形成成熟的IETM產(chǎn)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(nèi)涵不斷擴大, 有利于不斷整合相關(guān)資源和系統(tǒng), 但缺點是把一個技術(shù)手冊問題復(fù)雜化, 不便于形成高效成熟的IETM產(chǎn)品。另外開發(fā)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(nèi)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(guī)定了IETM互操作性體系的結(jié)構(gòu)、用戶界面與功能要求、公共源數(shù)據(jù)庫要求; 而GJB6600系列則更接近美軍標, 主要規(guī)定了我軍裝備IETM的功能、內(nèi)容、樣式、數(shù)據(jù)格式及管理信息要求、數(shù)據(jù)模塊和信息控制代碼的編碼要求、數(shù)據(jù)模塊通用層和信息層的元素、格式及關(guān)系等要求。

當前國內(nèi)各行業(yè)IETM標準的應(yīng)用狀況是: IETM的行業(yè)技術(shù)規(guī)范尚未統(tǒng)一制定, 各研制單位IETM的體系結(jié)構(gòu)和信息格式仍不一致, 技術(shù)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(dǎo)各自行業(yè)IETM的開發(fā), 仍需IETM開發(fā)者把握和取舍。

1.2 交互式虛擬仿真技術(shù)

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(yǎng)、故障診斷方面給予更便捷的技術(shù)服務(wù), IETM在開發(fā)中通常采用交互式虛擬仿真技術(shù)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(tǒng)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(guān)聯(lián)到具體的維修裝備或維修人。因此在對實際維修作業(yè)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(fù)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(fā)者必須解決的問題。

1.3 IETM的開發(fā)平臺

目前, IETM的開發(fā)平臺主要分為專用開發(fā)平臺和通用開發(fā)平臺。專用開發(fā)平臺主要是國外軍用或商用的IETM開發(fā)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(shù)規(guī)范為依據(jù)制作的, 其后臺制作系統(tǒng)和前臺顯示系統(tǒng)相互依賴, 缺乏平臺間協(xié)同工作的能力。

通用開發(fā)平臺主要指借用各種通用商業(yè)現(xiàn)貨 (commercial off the shelf, COTS)軟件來制作和發(fā)布IETM, 如: 數(shù)據(jù)模塊的編寫可使用Altova XML Spy, Arbortext Editor等軟件, 公共源數(shù)據(jù)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(tǒng)可使用Microsoft Visual C++軟件制作[7], 也可以利用操作系統(tǒng)自帶的瀏覽器來進行信息發(fā)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(shù)文檔創(chuàng)編的自動化程度低; 2) 開發(fā)規(guī)范不統(tǒng)一; 3) IETM自我更新能力較弱; 4) 系統(tǒng)功能比較單一。

探究造成上述現(xiàn)象的原因, 除了技術(shù)層面既有的問題之外, 更主要的還在于各單位將IETM的開發(fā)與IETM創(chuàng)編支持工具的開發(fā)混同起來, 即認為IETM的開發(fā)過程需要從底層支持工具的開發(fā)開始, 因此造成要么IETM的信息內(nèi)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(chǎn)品性能自然也大打折扣。為此, 選擇符合本國IETM開發(fā)需求的通用開發(fā)平臺, 就成為IETM開發(fā)者必須考慮的問題。

2 IETM設(shè)計

2.1 需求分析

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

1) 可導(dǎo)入魚雷裝備、檢修工具與設(shè)備的CAD數(shù)據(jù)以及使用與維修的任務(wù)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(jié)構(gòu)、工作原理、技術(shù)性能、安全使用規(guī)程、維護與保養(yǎng)等專業(yè)知識;

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

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

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

6) 通過維修經(jīng)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(chǎn)品的反饋意見注釋, 可加強維修人員與開發(fā)人員的交流。

圖1為IETM系統(tǒng)的建立及使用流程。

2.2 總體開發(fā)框架

基于虛擬仿真的魚雷IETM的開發(fā)過程可歸結(jié)為: 從底層數(shù)據(jù)出發(fā), 經(jīng)過IETM功能模塊對裝備數(shù)據(jù)的分析、處理得到相應(yīng)的結(jié)果, 將結(jié)果通過IETM用戶界面?zhèn)鬟_到應(yīng)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(xùn)練的目的。IETM系統(tǒng)的實現(xiàn)框架可用基本數(shù)據(jù)層、構(gòu)件層和應(yīng)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(fā)平臺

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

1) 所見即所得

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

2) 標準化

采用標準化的數(shù)據(jù)模型組織IETM技術(shù)信息, 可導(dǎo)入和導(dǎo)出XML格式的信息文件, 以利于用戶在不同廠商開發(fā)的IETM之間進行信息交換。

3) 資料復(fù)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(dǎo)入不同格式的技術(shù)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(xiàn)用戶自定義格式信息的展示。

4) 即時調(diào)試

IETM的創(chuàng)編工具與瀏覽器有機集成, 允許用戶在IETM的開發(fā)中, 查看任意信息單元的瀏覽和展示效果, 以方便調(diào)整信息的風(fēng)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(tǒng)開發(fā)。還能夠?qū)霚y試性建模軟件TEAMS生成的故障診斷策略等。

圖2 IETM實現(xiàn)框架

2.4 技術(shù)實現(xiàn)

2.4.1 開發(fā)標準的選擇

為使魚雷IETM的應(yīng)用能遵循統(tǒng)一的標準, 以便創(chuàng)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(fā)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(fā)展需要, 總結(jié)并統(tǒng)一了IETM的頂層需求, 規(guī)定了開發(fā)IETM時的基本要求、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及技術(shù)信息的編碼定義, 因而它對于魚雷武器裝備研制中IETM技術(shù)的推廣和應(yīng)用具有實際指導(dǎo)意義。

2) GJB6600雖接近于美軍標, 采用內(nèi)容數(shù)據(jù)模塊來創(chuàng)建和管理IETM, 并以中性格式來存儲信息, 但GJB6600在具體規(guī)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(guī)定, 因而對于魚雷裝備IETM的開發(fā)更具有可操作性, 并易形成更成熟的IETM產(chǎn)品。

2.4.2 內(nèi)容數(shù)據(jù)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(shù)信息, 為規(guī)范管理這些技術(shù)信息, 必須首先對這些信息進行規(guī)范化分類, 以建立起標準化的IETM內(nèi)容數(shù)據(jù)模型(content data model, CDM)[8]。從魚雷當前使用與維修的實際需要出發(fā), 本文構(gòu)建了基于主題的CDM, 如圖3所示。

圖3 基于主題的IETM內(nèi)容數(shù)據(jù)模型

該模型把魚雷的技術(shù)信息劃分為3個層次, 即應(yīng)用信息層、通用信息層和基本信息層。在應(yīng)用信息層, 按照應(yīng)用主題可以將魚雷技術(shù)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(yīng)用信息從功能角度進一步分解為描述單元、任務(wù)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(yīng)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(shù)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(yīng)用信息。

2.4.3 虛擬仿真功能的實現(xiàn)

本文選用Cortona3D這一功能較強的虛擬培訓(xùn)軟件予以實現(xiàn)。該軟件能夠為魚雷裝備的技術(shù)支持、維護及運行快速創(chuàng)建交互式3D動畫仿真, 并將其開發(fā)結(jié)果作為獨立項并入IETM中。在具體實現(xiàn)上, 利用該軟件虛擬培訓(xùn)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(chuàng)建可視化的裝備維修、分解全過程仿真, 以達到人員培訓(xùn)和技術(shù)訓(xùn)練的目的。

2.4.3.1 虛擬維修操作的仿真實現(xiàn)

維修分解是虛擬維修仿真的前提。在維修工程中, 產(chǎn)品的維修可分解成4個層次: 維修、維修任務(wù)、維修作業(yè)和基本維修作業(yè)[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(xiàn)有維修分解層次的基礎(chǔ)上, 對其進行了進一步的分解, 即在“基本維修作業(yè)”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(guān)聯(lián)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(shè)計的截屏圖。

2.4.3.2 交互式零部件目錄的實現(xiàn)

對于魚雷維修保障人員來說, 零部件的數(shù)據(jù)信息管理是其中不可缺少的工作環(huán)節(jié)之一: 維修保障人員既需要與準確的零部件數(shù)據(jù)進行比對, 又需要有行之有效的方法來獲取或展示這些關(guān)鍵信息。因此本文通過創(chuàng)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(nèi)容組成, 主要包含:

圖5 某排水瓶虛擬維修動畫的設(shè)計

1) 3D圖形: 零部件的3D表現(xiàn)形式;

2) 詳細零部件列表(detailed part list, DPL): 零部件數(shù)據(jù)的一種構(gòu)成列表, DPL的每一行都通過相應(yīng)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(tǒng)的IPC, 為用戶提供零部件拆卸演練、屬性查詢以及與傳統(tǒng)2D圖像及文字信息類似的導(dǎo)航系統(tǒng)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(shè)計

2.4.4 交互功能的實現(xiàn)

魚雷IETM通過采用對話框、選擇框等交互方式來引導(dǎo)用戶完成故障診斷和維修維護。在具體實現(xiàn)上, 以魚雷使用與維修手冊為基礎(chǔ), 采用了SuperManual的故障單元創(chuàng)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(jié)果或觀察到的故障現(xiàn)象輸入IETM系統(tǒng), IETM瀏覽器再將獲取的檢測數(shù)據(jù)與相應(yīng)故障模式進行匹配, 最終確定出裝備發(fā)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(chǎn)生的原因以及故障修復(fù)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(tǒng)集成的實現(xiàn)

采用SuperManual實現(xiàn)魚雷IETM系統(tǒng)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(shù)據(jù)類型;

2) 采用符合我軍標準的數(shù)據(jù)模塊來編排IETM的技術(shù)信息;

3) 通過靈活多樣的鏈接和導(dǎo)航方式以實現(xiàn)各類信息的跳轉(zhuǎn)和快速查詢;

4) 按照XML的格式導(dǎo)入和導(dǎo)出信息文件, 便于魚雷IETM集成到其他保障系統(tǒng)中。

圖8為魚雷IETM的集成開發(fā)效果。

圖8 IETM集成開發(fā)的效果

Fig. 8 Effect of integrated IETM development

3 IETM開發(fā)效果

下面以某泵的拆卸操作仿真為例來說明IETM的開發(fā)效果, 如圖9所示。

圖9所示的拆卸仿真系統(tǒng)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(guān)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(jù)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(zhuǎn)、縮放處于操作狀態(tài)的3D零部件, 以加強維修操作的可視性。

通過上述仿真系統(tǒng)的開發(fā), 該泵的拆卸操作得以準確、清晰地再現(xiàn)。

4 IETM的應(yīng)用特點

與傳統(tǒng)紙質(zhì)技術(shù)手冊相比, 本文研發(fā)的魚雷IETM具有以下應(yīng)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(yè)場合;

2) 由于其數(shù)字化特性, 技術(shù)手冊一經(jīng)建立即可重復(fù)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(yōu)勢;

3) 基于IETM提供的交互能力, 它可以生動展現(xiàn)維修人員所需要的特定技術(shù)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(xùn)練水平。

5 結(jié)束語

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

當前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展已非常普遍, 建立基于網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合式IETM將成為魚雷IETM發(fā)展的必然趨勢[10], 即通過聯(lián)網(wǎng)式的IETM以實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)的IETM研究將成為下一步研究的重點。

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(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(shù)研究.