基于虚拟人的武器装备保障技术

吴亚楠　刘晓峰　谭立龙　柴渭莉

（兵器工业卫生研究所/中国兵器工业集团公司人-机-环境重点实验室，西安710065）



基于虚拟人的武器装备保障技术

吴亚楠刘晓峰谭立龙柴渭莉

（兵器工业卫生研究所/中国兵器工业集团公司人-机-环境重点实验室，西安710065）

摘要：本文从武器装备保障的需求出发，在紧密联系虚拟人、虚拟设计、虚拟制造、虚拟装配等技术的基础上，从人-机-环境系统工程出发，建立基于虚拟人的武器装备保障新技术理论，并系统分析了相关技术与组成。分析了基于虚拟人的武器装备保障新技术在装备寿命周期费用、加速试验,以及增加武器装备、人和武器装备配合可靠性方面的应用，以数字化的方法建立虚拟保障系统，实现装备优生，提高装备保障系统效费比。

关键词：装备保障虚拟人人机工程

引言

现代武器装备功能强大、结构组成复杂、自动化和智能化程度高，信息技术在现代装备中的广泛应用，使得战争力量构成、战争形态等发生了巨大的变化，武器装备保障体系［1］面临新的挑战。现代化武器装备的保障功能复杂、保障结构庞大、保障资源要素繁多，传统的保障理论和技术已经不能适应现代包含陆、海、空、天的一体化战场环境，如何进行保障系统的设计、分析和评价已成为各国迫切需要解决的问题。

在过去的研究中，通常采用实验和部件仿真的方法来研究保障系统的特性，研究保障系统的真实参数及性能，为保障系统的设计提供了依据［2-5］，但依然缺少了解决装备和保障系统之间的匹配性和适用性这样的问题，可视化效果和集成效果不佳。虚拟现实方法、计算机等数字化技术的发展，使得装备设计、制造和维修领域相应地出现了虚拟设计、虚拟制造和虚拟维修技术，大大缩短了装备的开发周期，减少了制造成本，但在武器装备保障领域，这一技术的应用还是空白。以这样的需求为牵引，结合我所在人-机-环境系统工程建模仿真方面的技术积累，本文提出了基于虚拟人的武器装备保障新技术（简称虚拟人武器装备保障技术）的概念，分析了虚拟人保障技术的内涵，给出虚拟人保障技术的技术框架，讨论虚拟人保障技术的运行和评价方法，为武器装备保障系统的设计、分析和评价提供技术手段。

1 虚拟人武器装备保障技术的概念和内涵

1.1 武器装备保障的概念

武器装备保障，涵盖了装备科研、生产、采购、部署、储备、训练、使用、维修、退役及报废的全寿命周期［6］。所谓“装备保障”，是指通过筹划和运用人力、物力、财力，从物资和技术方面保障装备质量良好、配套齐全地工作，目的是保障部队训练与作战的需要。

对各种武器装备的保障可以使得装备发挥出最大的战技效能，并持续其最佳状态。新型武器装备交付部队后，通过战士训练、维修等保障活动，使单件装备、武器系统、装备体系都达到既定的战技指标要求，并能持续完成战士训练和作战任务,但除此之外,还必须将人-机因素共同考虑,才能使武器装备形成应有的战斗力，实现人-机关系和谐、安全高效的目标。注重装备列装部队后的技术保障问题（如全寿命保障、装备优生、供应水平及维修效率等），采用虚拟人武器装备保障技术，从而实现装备的“优生”。

1.2 基于虚拟人的武器装备保障技术概念

虚拟人武器装备保障技术，是利用建模与仿真、数字化样机、虚拟现实等技术将人体形态学、物理学和生物力学等信息，通过计算机处理而实现数字化人体，代替自然人进行武器装备人-机-环境适配性研究［7-11］，特别是在武器装备新型号设计和型号改型定型阶段，改变传统的在样机中实测的方法，深入武器装备顶层设计中，在设计阶段依据人机工程学原理进行部件空间布局、操作、维护等合理性的评价，提出改进措施并落实到样车的研制中，并能对实测法提出的改进措施进行虚拟验证（如图1所示）。

图1 虚拟人武器装备保障在型号研制中的作用

虚拟人武器装备保障技术是将实际中装备保障在计算机中映射出来的保障系统，集建模、仿真、评价于一体的装备保障系统设计环境，具有以下特点：

（1）由事后评价转变为设计阶段评价。在特种设备设计初期，利用虚拟人进行模拟试验，尽早暴露出设计中存在的问题，提出解决措施并验证优化方案，预防到实车试验阶段才发现人机界面存在适配性的重大问题。

（2）由数据描述转变为可视的仿真过程。实现基于任务的人机交互过程仿真，利用计算机图形仿真手段可以实现交互过程的可视化，使虚拟试验更加直观。

（3）优化设计方案。限定在现有特种装备设计条件下，协调部件及各部件之间的设计约束条件，寻求最佳的整体布置方案。

（4）能够缩短型号的研制周期、节省研制经费。

红外焦平面阵列由红外探测器和读出电路两部分组成[3],红外探测器将红外辐射转换成电信号,读出电路对探测器输出的电信号积分采样,采样结果通过缓冲器串行读出,属于典型的数模混合集成电路。本文设计了一种128×128像素的大面阵红外焦平面阵列智能化读出电路,通过性能指标测试和实验表明,所设计的电路各项技术指标均达到了预期目标。

2 虚拟人武器装备保障技术框架

2.1 虚拟人武器装备保障技术框架

虚拟人装备保障技术框架如图2所示，主要由虚拟人体模型、保障对象建模、系统任务建模、综合评价模型和可视化仿真5个模块组成。借鉴成熟的虚拟人体建模，开发武器装备人-机-环境适配性虚拟分析与评价软件系统，能达到事半功倍的效果。建立人机适配性保障系统仿真模型，生成符合要求的虚拟人体模型；将虚拟人体模型定位于工作位置，建立人机交互模型，进行系统任务建模；元件库中选取作业任务，通过虚拟人完成作业任务，完成保障对象建模，利用人机适配性仿真模型计算得出适配性评价结果，开发虚拟人武器装备保障综合系统。

图2 虚拟人武器装备保障技术框架

2.2 系统模块

人体模型是虚拟人武器装备保障技术的核心组成部分，目前国内外对虚拟人的研究主要集中在真实性动作的形成、人物表情系统、人工智能、人群仿真、医学人体仿真等领域。虚拟人的几何模型通常采用棒模型、表面模型和体模型3种，但都具有一定的局限性。为了克服单一模型的缺陷，目前形成了一种虚拟人层次表示方法。通常层次模型（图3）由骨骼层、肌肉层和皮肤层组成，只要对骨骼层操作就可以实现逼真的人体运动，其中人手模型常区别于人体其它部分而被单独研究；而虚拟人的运动生成及控制主要研究虚拟人在计算机生成空间中的动态特性，它应符合人体运动的基本规律，并能提供简单直观的控制方式。然而，同时满足人体运动的逼真性和控制的有效性是相当困难的，研究人员通过骨骼结构的表达、运动学方法、动力学方法、运动捕捉方法、目标驱动方法等实现二者的折中。

目前，通常运用DI-GUY、Jack等进行一些工程实践，如运用Jack虚拟人实现虚拟维修方案，采用将动作库分为动作元素和动作单元两层，实现对动作的重用和组合；采用DI-GUY进行工程实践，使用该软件动作库中动作，或由DI-GUY虚拟人完成行走和跑步的动作，当虚拟人运动到指定位置时再用自建的虚拟人模型代替DI-GUY虚拟人，然后控制改造后模型的DOF节点完成自定义的动作。

图3 分层模型

系统任务建模建立在装备的基本任务模型、计划任务模型以及作战单元上。基本任务模型是指武器装备所执行的空空格斗训练、巡航、高原习服训练等基本任务类型，包含基本任务的任务持续时间、需要装备的数量及执行的模式等，进而建立基于人机交互或机的基本任务模型。图4为在某型飞机虚拟地勤维护训练系统项目中利用本文技术实现的一个拧螺栓动作的效果截图。

图4 拧螺栓动作效果截图

装备是保障系统的保障对象,从装备全寿命周期层次上对装备保障的全过程提供支持,因此无论是在装备的研制阶段,还是在装备的使用阶段,虚拟保障系统都可以为装备保障系统的设计、分析和评价提供技术手段，且装备中与使用保障相关的设计特性会影响到保障系统的设计。保障对象建模建立装备层次关系模型、任务可靠性模型、预防性维修模型。装备层次关系模型表示的是装备的系统分解结构,即装备由系统、分系统、操作单元等原件库组成。任务可靠型模型表示的是装备的故障逻辑关系,单元之间的逻辑关系,如串联、并联、旁联等。

可视化仿真是虚拟人武器装备保障技术的又一个重要组成部分，负责进行保障任务情景设计，并在保障任务逻辑关系的驱动下通过可视化仿真引擎在三维空间中实现保障任务执行过程中的三维显示。不同虚拟保障对应不同保障场景，包含静态物体和动态物体（如运动的虚拟人、汽车）及环境（如灯光），虚拟保障场景中可以短时高效获取不同视角、不同行为的执行过程（表1及图5）。

表1 仿真手部动作仿真分类

图5 手部动作仿真效果图

参与到武器装备的论证、研制、生产、使用、保障和处理的过程中，即落实全寿命思想，依据装备保障原理进行部件及布局合理性的评价，提出改进措施并落实到正样车研制中。如采用仿真的方法，将虚拟人引入车辆三维模型中，在型号论证和方案设计阶段，通过人机界面适配性虚拟评价、不同工况作业环境下人体舒适性虚拟评价、装备可靠性评价等提出改进措施并落实到初样车研制中，并能对实测法提出的改进措施进行虚拟验证，从而降低寿命周期费用。

通过对虚拟人、系统任务、保障对象模型数字化仿真，在更短的时间内获得比正常条件下更多的信息，突破空间、时间的限制，实现逼真的装备装配、故障维修、装备内部环境控制操作，检验武器装备的性能，增加人、装备及两者间配合的可靠性，实现装备优生。

评价系统改变原来的对实物的实测法，所有数据数字化，通过信息化的手段对整个系统进行管理、供应和使用，从而提高武器装备、操作者的效率和效能，以数字模型为中心，建立交互模型，初步得到评价系统，通过验证，最终形成虚拟装备保障系统。

以现代战争装备保障需求的牵引，在现代高新技术发展的推动下，大量创新性的装备保障理论和技术得以发展，并在局部战争中进行了实战检验［13］。对加紧构建适应信息化战争需要的保障体制以及统领和促进包括表面工程在内的各种先进维修技术都有重要的借鉴意义，因此，虚拟人武器装备保障技术框架中还应包含：

（1）强化全寿命全系统保障思想，提高装备保障效费比；

（2）发展新的可靠性维修性保障性设计理念和技术，实现装备优生；

（3）充分利用信息技术，提高物资管理与供应水平；

（4）发展新一代维修技术和思想，提高装备维修效率和效能。

3 虚拟人武器装备保障技术运行与评价

将武器装备人-机-环境作为研究对象，有别于人员舒适性为原则的传统理论，而是研究以人员功效与武器装备总体结构约束相兼顾的人机适配性，并以人员作业合理性表征武器装备人机适配性。

图6 虚拟人武器装备综合评价模型确定方法

如图6所示，通过系统给的分析典型武器装备人机适配性，重点关注乘员—武器系统的结构特点和作业特点，提炼出人机适配性评价指标体系。运用模糊数学理论，建立人员作业与人机适配性指标之间的数学模型，通过构造隶属度函数实现单向指标的评价。通过主观问卷，确定各适配性指标的权重值；基于重要性及使用频率定量化原则，以层次综合模糊评价为依据，建立虚拟人武器装备保障技术中个人及适配性综合评价模型，通过实验验证评价模型的准确性，可以得到武器装备人机适配性部件级、子系统和系统级定量化评价结果。

在某型号武器装备论证高于设计阶段，利用虚拟人武器装备综合评价系统，对装备人-机-环境工程进行分析评价，图7所示为定位于车长位置操纵车长任务端的肢体可达性分析，可见任务终端的操作按键不在肢体可达范围。

图7 某型号武器装备人体可达性评价

4 结论

在充分理解虚拟人、虚拟仿真方法及保障系统物理概念的基础上,阐述了基于虚拟人的武器装备保障新技术的概念,分析了虚拟保障系统的内涵,给出了虚拟保障系统的技术框架,讨论了虚拟人的武器装备保障新技术系统的运行和评价方法。在装备研制阶段,虚拟人武器装备保障技术对所有的保障任务进行建模和仿真,验证保障流程的合理性,评价保障设备（包括测试、测量与诊断设备、工具及其他保障设备等）与装备的匹配及协调程度,发现装备及保障系统设计中存在的问题并及时纠正。在装备的使用阶段,虚拟保障系统可以针对不同的使用任务,在不动用实际装备和保障资源的情况下进行保障任务的虚拟设计与评价,以节约时间和费用。

参考文献

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Technique of Equipment Support for Weapon Based on Virtual Human

WU Yanan, LIU Xiaofeng, TAN Lilong, CHAI Weili
（Institute for Hygiene of Ordnance Industry, Key Laboratory of Man-machine Environment of CNGC,Xi'an 710065）

Abstract:Based on the man-machine-environment system engineering（MMESE）, we closely associated the virtual human, virtual design, virtual manufacturing and virtual assembly technique to meet the requirement of weapon equipment support, presented the theory of new equipment support technique for weapon based on virtual human, and systematically analyzed the related technologies and components. This paper also displayed the intended usage of this new technique including the guarantee of equipment life cycle, acceleration of equipment test, and increasing the reliability of weapons and man operated or use it, set up a virtual security system in digital method to improve the cost-effectiveness of equipment support system, and finally realized the prepotency of weapons.

Key words:equipment support, virtual human, man-machine engineering

基金项目：总装备部专用课题（40401010104）：XXXX人机环境控制、测试与评价技术。