基于逆向工程的战场抢修方法研究

余子腾 刘震磊 王阿杜 朱翰文 李博远

（1．沈阳航空航天大学航空航天信息技术协会，辽宁 沈阳 110136；2．沈阳航空航天大学航空宇航学院，辽宁 沈阳 110136）

基于逆向工程的战场抢修方法是通过对物品损伤部位的三维扫描，使用逆向建模技术对其进行损伤评价和有效修复等一系列活动，使其能在短时间再次投入战场使用的技术。在现代战争空间立体化的大前提下，装备的快速抢修在战争中的作用越来越突出，如何利用有限的资源对作战装备进行维修，保证战场补给，对现代战争的胜利具有主导作用。

1 基于逆向技术的战场抢修

1.1 战场抢修目的

战场抢修的根本目的是使军队获得持续的作战能力并取得战争的胜利，21 世纪的战场已经发展为海陆空三位一体的立体化战争，战时的敌我双方会产生巨大的装备损耗。如何高效地对装备进行抢修，使其能够在短时间内重新投入战场，来恢复与保障军队的战斗力，将成为取得最终战斗胜利的关键因素。1973 年的第四次中东战争中，以色列及时地对损伤坦克进行战场抢修，凭借这一点最后使得其坦克数量与阿拉伯联军持平，此举在国际上引起了极大的反响。自此，战场抢修在各国引起高度重视。

1.2 逆向技术

随着科技的快速发展，出现了大量结构复杂的机械零件。这些机械设备经过一段时间使用或受外界因素的影响，会产生大量废旧的零件，其中的大多数零件损坏是由局部破坏造成的，如果对破损部位进行修复，依然可以重新使用，直接丢弃会造成较大损失[1]。

逆向工程的特性使其在航空维修领域受到了很大的重视。二代三代机修理过程中经常会出现无数模、图件缺失，或是需要更换一些按模线样板制造的零件[2]。逆向工程受到重视的原因有3 个方面。1）获得破损部位的数据。2）在缺少图纸的情况下制造出与损坏零件的功能相同的零件。3）相比于传统的针对损坏零件的扫描与修复，逆向技术能够有效改善零件精度与质量。

2 逆向工程战场抢修技术分析

逆向技术是在数据缺乏的情况下通过现有的设备以及重建CAD 模型来对零件进行复制。

要想修复零件，首先要建立精确的修复模型，模型重建可以分为以下3 部分。1）数据的获取。2）点云数据的预处理。3）数据分割和曲面重建。最后是CAD 模型的构建。逆向模型重建对测量、图形学、计算几何等领域都有涉及，常用的逆向软件有 Imageware、Geomagic、RE-soft等[3]。

现如今，破损面点云数据采集的方式主要分为接触式和非接触式两大类，如图1 所示。常见的接触式数据采集方法主要是使用三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine， CMM）；非接触式数据采集的发展更为多元化，例如采用光、声和电磁等来获取扫描点的坐标数据。

图1 点云数据采集方法分类

数据采集技术分析：

现如今，有许多的分析系统可以被用来对物体表面的数据进行采集，由于区别于接触式数据采集的特性，非接触式采集更加地适用于战场维修。为了突出逆向工程与非接触式采集的便捷性，选择了如下系统进行分析。

2.1 扫描系统分析

三维激光扫描技术又称实景复制技术，现有的三维激光扫描仪种类多，根据战场的适用性来选择不同的工具。在使用设备对物体表面扫描时，通过发射某种形式的光现到被测物体的表面，测量照明位置，获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于，能够将获得的立体图像信息转换为二维的数字型号，便于计算机处理，为数值化提供了便捷，图2 为激光测量系统原理。

图2 激光测量系统原理

三维激光扫描系统又可以分为机载、车载、地面和手持几类。为了适应不同的环境，现在的很多交通工具都可搭载三维扫描系统来满足人们的需求，这在很大程度上符合战场的需要。

2.2 快速成型（BP）系统分析

恢复军队作战能力是战争的必要因素，在战场补给不能准时到达以及大量军事装备破损的情况下，加快抢修尤为重要。

图3 快速原型开发步骤

快速成型系统（BP）是从计算机数据库扫描得到的二维数值信号，应用CAD、CAM、CIMS 等技术，快速生成设计的三维建模，在没有任何工具、模具的条件下对应用材料进行叠加，快速制造出任意的原件。

BP 系统制造的工艺手段如图3 所示，是将物体CAD模型分层，每层都有它特定的大小和厚度，再一层层地导入打印机器中，按导入顺序将实物打印出来。

3 逆向工程战场抢修流程设计

在研究逆向工程的过程中，我们用到了许多高精度的仪器设备，在考虑战场复杂的抢修环境的情况下，兼顾物品抢修的质量。在这些前提条件下开发一款战场抢修工具箱是关键，要求能够快速地获得破损零件的表面数据，运用逆向技术对破损部位进行抢修。

3.1 战场环境

现代战争的手段越来越复杂，从最初的陆军兵种演变到了如今的陆、海、空、天、电磁等领域。将逆向技术应用于战场，首先需要检验其各种环境的适应能力，在能够尽量接近战场环境的情况下反复测试，不断增强逆向技术对战场的适应能力，为将来能够将逆向工程运用到实际战场环境中提供依据，而且能够为战场逆向技术维修工具箱的开发提供支持。当前需要解决的问题是确认对基于逆向工程的战场维修的模拟的测试评价是可行的。

军队交通运输是作战保障和后勤保障的中心环节，在作战中“首先登场、全程使用、最后谢幕”[4]。环境是影响战场交通的主要因素之一，环境影响主要是军队的兵力以及作战设备的移动方面，及时的战场维修需要降低环境因素带来的负面影响，减小维修设备转移过程中军队因作战设备无法使用导致的损失。

3.2 战地抢修设备

目前国际上主流的抢救装备有2 种：装甲抢救车和维修方舱。

装甲抢救车的底盘是装有履带式或轮式的装甲车辆，机动性能优越，按重量分为轻型、中型和重型。配备起重装置、牵引装置和缓冲装置、并随车携带维修工具，拥有一定的自保能力。但它不能对破损零部件进行及时的抢救，只能将其拖拽出战场后再补救。方舱是具有一定强度和寿命的独立工作间，便于存放保养，占地面积小，方舱主要分为电子类、机械类、电源类和其他类型。具有良好的修复能力，但由于自我防卫能力低，容易成为敌军的打击目标。

3.3 基于逆向工程的抢修设备

该项目提出了一种将逆向技术、战场机动性能、自保能力和修复能力结合的抢修设备。采用六轮双桥驱动的装甲车，配备牵引装置和起吊机械臂，将破损设备牵引和吊起。抢救车内配备方舱，放舱内携带小型扫描仪、可建模的电脑、3D 打印装置、部分易损零部件以及维修所需的一般工具。由于这种设备的机动性能和自保能力的保障，通过抢救车的配置对设备起吊和牵引，再由抢救方舱对破损部位检查定损，将破损部位导入计算机，利用打印机打印可更换零部件。要求对损伤设备进行维修后能够使其恢复以下能力：恢复到一般修复后的水平或是通过降低性能的方式使其恢复部分做战能力，另外拥有一定的自我保护能力，能够撤出作战区域。

4 逆向工程抢修方案设计

战场抢修通过运用战场损伤评估和修复技术，在战场上快速修复损伤装备；战场抢修能够为军队补充战争损耗、保持持续作战能力提供重要的支撑[5]。该文研究的是基于逆向工程的战场抢修的快速和高效，研究基于逆向技术的战场抢修车和方舱在战场抢修的可行性。

通过对国内外逆向技术的研究与调查，我们将战场零部件的抢修分为有无零部件模型图纸2 种，通过是否需要逆向建模来选择合适的抢修方案，针对他们不同的特点进行研究。

4.1 抢修方案1（已有数学模型）

作战装备总是由大量的零部件组成，这其中一部分零部件会由于磨损等因素而导致其易损，还有一部分零件容易成为敌军的攻击目标，例如邮箱、发动机等。我们可以提前将这些零部件的数学模型保存到逆向工程的工具箱中，在需要时就可以直接调出来使用，很大程度上节省了战场抢修的时间，实施流程如图4 所示。

4.2 抢修方案2（无数学模型）

逆向技术的目的是提高战场抢修的高效性，针对那些不易受损的零件，就不需要预先在数据库。作战设备复杂的机械结构导致其中会有大量重复的零件，针对这种零件损伤，可以对其同类零件进行扫描获取数据实施修复。

方案二流程如图5 所示，这套方案还可以针对地方作战设备进行抢修。在缺少敌方军事设备图纸的情况下，可以对敌军破损零件相同的零件扫描，通过逆向技术扫描、重构，生成零件的数学模型，导入数据库，寻找合适的修复方法，运用我方还原技术修复敌军设备的零件为我军所用。

对抢修方案进行研究，将逆向工程运用于战场，合理地选择抢修方案，能够很好地达到战场抢修的目的和要求，使战场抢修更加快速、高效。

图4 方案一流程图

图5 方案二流程图

5 结语

基于逆向工程的战场抢修方法是指在战场上运用逆向技术的快速诊断与有效维修等工程技术，保证战时军用装备的作用能够持续地发挥出来。将逆向工程投入到战场复杂多变的情况下，凭借其高效的数据采集处理功能；对损坏零件进行点云数据采集，获取损伤情况；用逆向工程软件反建模，导出修复CAD 模型；选择合适的抢修方案。由于逆向技术的特殊性，能够很大程度上节约战场破损零部件的修复时间。战场抢修是获得战争胜利的主要因素之一，凭借逆向技术能够持续地为我军提供战斗力的保障。