Chinese Journal of Ship Research
0引言
可视性或视觉可达性通常是指对象是否处于以及如何处于人眼视域和视距范围内的一种分析 GJB/Z 91-97［1］中对可达性的解释来看，指标。从装备的维修可达性可分为空间可达性、可视性（视3觉可达性）和可触及性 项，且可视性与可触及性、姿态舒适性等有重要联系。对于舰船等大型
装备而言，其内部结构复杂，零部件之间的遮挡普遍存在，在开展这类产品的维修仿真时，如何快速分析和评估维修部位的可视性，并均衡该指标与可达性其他指标要素（可触及性、操作空间）之间的关系，是维修可达性验证工作的关键。2曾毅等［2］给出了 种维修可视性的评价方法，一种是基于人的生理视野区域特性的可视锥分析方法，另一种是基于维修观测部位的截平面方等［3］研法。王占海 究了基于虚拟人的飞机维修性虚拟分析与验证流程，说明了可视性与可达性、姿Jack态舒适性等的逻辑关系。谭正文等［4］针对 软件在民机驾驶舱可视性评估中的功能不足，提出了一种计算飞行员视角度数的算法。张源涛等［5］ CATIA将 软件的视野分析功能应用于加油车的维修可视性分析中。吴溪等［6］研究了维修部位可视域与可视锥相结合的可视性验证方法。李倩等［7］研究了基于人眼生理特性的可视域分区的可视性Jack分析方法，并结合 软件开发了动态视域评估等［8］研功能。徐平 究了列车卧铺爬梯的人机工效Jack学设计，应用了 软件可视性分析功能开展扶Jack梯的人因设计。马智等［9］给出了基于 软件的驾驶舱人机工效分析流程，包含可视性分析。李CATIA DELMIA元斌等［10］研究了基于 和 的救生舱装配与维修可达性、可视性、碰撞与干涉等的仿真方法。徐达等［11］根据维修可达性设计要求，提出3了接触可达性、可视性和操作空间 项指标，并研3究了该 个指标的单项及综合评价方法。2-3，6本文将在文献［ ］的基础上，针对基于人眼的可视性分析方法在解决维修可达性仿真中存在的不足，提出基于维修部位导向的可视性分析流程，综合考虑可触及性、操作空间等人Jack机工效要素，并结合 仿真软件开发相应的功能模块。
1 基于人眼的可视性分析方法与流程
基于人眼的可视性分析方法是以虚拟人的人眼为导向，考虑人的视觉生理特性，将人眼的视野3个范围分为最佳视域、较好视域以及最大视域区域，并结合人的视距大小综合分析对象的可视性指标好坏。在进行维修对象可视性分析时，需2要并行考虑其可触及性与操作空间 大因素。通常，若维修对象的可视性好、可触及且维修操作空间满足要求，则认为维修对象的可达性指标较3个好。从装备维修性设计与验证的角度而言，指标紧密相连，缺一不可。基于人眼的可视性分1析方法基本流程如图 所示。 1由图 可知，在完成维修对象可视性分析的基础上，需要进一步验证对象的可触及性和操作空间。若不满足要求，此时又需要重新考虑对象的可视性，采用这种方法开展仿真时，需要进行3层嵌套式的反复迭代，直至仿真结果满足条件，仿真计算效率低。通过分析，该流程主要存在以下不足： 1）维修部位的可视性、可触及性以及姿态舒适性的好坏与虚拟人的位置直接相关。在进行仿真分析时，需要反复调整虚拟人的位置与姿态，每3一次调整均对可达性 个指标要素产生影响，已确定的指标又需要重新分析。2）若要判断是否存在更加合理的位置、视野范围和虚拟人姿态等，以便进行维修部位的可视1 3性分析与评价，则图 中的流程需要从步骤 开始重复执行，周期长。3造成上述问题的主要原因在于步骤“调整4虚拟人位置”和步骤“调整虚拟人姿态”是为了使得虚拟人能看到维修部位，而这种调整缺乏目标性和准确性。考虑到光学可逆性，当人眼可以看到维修部位时，维修部位必然也可以“看到”人眼。基于该原理，可考虑从维修部位发出可视锥，使虚拟人眼位于该可视锥中，即可达到提高虚拟人站位与姿态调整的目的性和准确性。
2 维修部位导向的可视性分析方法 2.1 维修部位导向的可视性分析流程
为解决基于人眼的可视性分析流程存在的不足，从产品维修可达性全指标要素的耦合关系出发，结合光的可逆性原理，提出一种基于维修部位导向的可视性分析方法，其工作流程如图2所示。 2图 维修部位导向的可视性分析流程Fig.2 Maintained part oriented visibility analysis flow 维修部位导向的可视性分析方法的基本思想是：建立基于维修部位的可视锥体，这些可视锥体与周围部件不发生干涉。利用这些锥体，可以引导用户设置虚拟人的站位与姿态，使虚拟人的眼睛落在该锥体内，从而实现维修部位的可视性检查分析。当虚拟人眼睛可落在维修部位生成的可A视锥体 以及延长区域内时，则虚拟人可以看到A维修部位（可视锥体 的顶点）。3该流程中步骤“生成基于维修部位的可视锥”方法如下：首先在维修部位上选择一个合适的点作为可视锥的顶点；其次，确定可视锥的轴向及半顶角，这里要求可视锥不能与其他部位发生干6涉。步骤 “维修部位是否可触及”的判定条件是：虚拟人的人体与维修数字样机等无碰撞且手8“维修空间是否部可触及到维修部位［12-13］。步骤满足要求”的判断可参考单个零件拆卸空间可达性评价方法［14］。
2.2 维修部位导向的可视性分析功能要素
在基于维修部位导向的可视性分析流程中， 3除步骤 外，其他步骤中涉及的功能要素均为相关仿真软件（Jack DELMIA）已有的功能。或3针对步骤 中的功能需求，从软件操作方便性角度考虑，可考虑如下方式实现维修部位导向的可视性分析功能。1）生成并编辑可视锥。2 ）将可视锥移动（平移与旋转）至维修部位处，并判断是否与周围部件发生干涉。3）若干涉，则编辑可视锥的半顶角或旋转其轴向。4）若不干涉，则执行流程图2 4。中的步骤基于上述方式，维修部位导向的可视性分析功能要素应包括：可视锥生成、可视锥选择、可视锥编辑、可视锥定位与定向、可视锥删除等。
3 维修部位导向的可视性分析功能设计与实现
3.1 功能设计
2.2基于 节的功能要素，对维修部位导向的可3视性分析功能进行了设计，主要包含 个部分：可视锥生成、编辑、移动与定位，具体描述如下。1）可视锥生成。本文采用圆锥对维修部位发出的可视区域进行近似。用户输入可视锥的分辨率，软件根据该分辨率自动生成一个初始可视锥。2）可视锥编辑。选择场景中生成的可视锥，对该可视锥进行几何尺寸编辑以及显示模式的选择。可视锥（圆锥）定义的方式有多种，如半径和高度、半顶角和高度。本文采用半顶角（单位：（°）） cm）2及高度（单位： 个参数对可视锥进行定义。用户选择可视锥后，可修改其半顶角或高度，可视锥形状发生相应变化。用户还可以修改可视锥的颜色以及显示模式（透明化、线框以及着色）。3）可视锥的移动与自动定位。用户可对选择的可视锥进行移动。选择“移动”按钮后，可在场景中通过鼠标光标点击维修部位（Figure Segment或 对象）上的点，所选择的可视锥顶点可自动定位至该点上，可视锥的轴向为该Figure Segment或 对象在光标处的正法向。选择Jack “移动”按钮后，程序同时也可启动 软件已有的“Move”功能，可进一步对可视锥在维修部位上
的位置及方向进行微调。
3.2 功能实现
Tcl/Tk JackScript界面及功能主要采用 以及脚本语言实现。可视锥生成、编辑与自动定位功能实现方法及关键代码如下： 1）可视锥生成功能实现。2可视锥采用半顶角和高度 个参数进行定义，用户指定圆锥分辨率，系统根据该分辨率以及默认的半径/高度绘制可视锥，核心代码为： #根据默认高度，计算可视锥半径set radius ［expr $height * tan $angle * （ 0.0174532925199 ）］ #生成相应半径、高度和分辨率的可视锥set result ［jiCAD_GenerateCone $fileName $radius $height $resolution］ 2）可视锥编辑功能实现。可视锥编辑主要包括修改形状、修改显示模式（线框、透明或着色）及颜色设置。其中，形状修改通过调整半径或高度实现，通过对可视锥的形状进行修改，可逼近维修部位所能“看到”的视域范围。形状修改核心代码为： #根据可视锥高度，计算底面半径set radius ［expr $height * tan $angle * （ 0.0174532925199 ）］ #计算放大系数js_float_set $scaleVec 0［expr $radius/ $geom⁃ Radius］ js_float_set $scaleVec 1［expr $height/ $geom⁃ Height］ js_float_set $scaleVec 2［expr $radius/ $geom⁃ Radius］ jsExecute“jcFigure_applyScale $figPick（ptr） $scaleVec 0” set geomRadius $radius #设置新的半径值set geomHeight $height #重置新的高度值3）可视锥自动定位功能实现。为快速获得维修部位的可视锥，在具体实现时，提供了自动定位和定向功能，用户利用鼠标光标选择维修部位上的点，所生成的可视锥可自动定位至该点处，且轴向与该点处的法向保持一1致。可视锥自动定位步骤为：（ ）获取新的定位点；（2）计算该点处的法向；（3）根 骤（2）得到据步的法向量，计算可视锥旋转角度及旋转矩阵；（4）将可视锥移至定位点，并进行旋转操作。核心代 码为proc ConeMod：：coneMovCB｛callbackType｝｛ #获得定位点及该点处法向set locWithNormalFromMover $_jsMD （snap ObjectName） #调用自动定位及定向过程函数ConeMod：：placeCone ｝ proc ConeMod：：placeCone｛｝｛ #计算旋转角Set theta ［expr acos $dotVal（/ $haLen* （ $caLen））］ #计算旋转矩阵省略#移动至定位点jcFigure_setLocation $figPick（ptr）$tmpLoc ｝
4 仿真与分析 4.1 应用案例
3 2中本节选用滚轧机作为对象（图 ），采用图2的流程，研究其上方 处螺母的可视性分析方法4 2 （如图 圆圈处所示）。首先依次生成 个初始可35°，高度50 cm），并利用可视锥自动视锥（半顶角定位功能，将其移动到螺母处，初始轴向为螺母外表面法向，通过旋转以及编辑半顶角大小，使得可视锥与滚轧机其他部件不发生干涉（否则视线可5 5 2能有遮挡），如图 所示。图 中 个可视锥分别6 7采用透明化和线框模式显示。图 和图 为由维修部位生成的可视锥引导虚拟人进行站位与姿态调整后的效果，可以看出，上述可视锥与从虚拟人眼睛生成的可视锥在维修部位处发生重叠，则维修部位也位于虚拟人视域中。
对于复杂环境下的可达性指标分析而言，维修部位生成的可视锥可能存在多个，用户可根据可达性和姿态舒适性指标，初步过滤较为合适的2可视锥，并利用图 中的方法快速实现站位与姿态的调整。
4.2 分 析
本文提出的维修部位导向的可视性分析方法，对于复杂环境下的维修可达性验证具有较大帮助。对于简单环境下的维修可达性仿真而言， 1 1采用图 中所示的分析方法即可。图 中的方法同时也适用于人体位置不变，而操作对象位置可变的设计验证中，例如汽车仪表位置与角度设计。2中通过分析可达性验证的整个流程，对图3 4的方法可作进一步的改进，在步骤 与 之间增加一个步骤：以维修部位为中心，生成一定半径的可达球面，该球面半径依据仿真虚拟人的臂长而2定。通过在图 流程中增加维修部位导向的可达域生成功能，可以引导虚拟人眼睛以及肩部分别进入可视锥内和该可达球面内，从而进一步提升维修部位的可触及性检查分析效率。有关这方面的流程优化与功能设计，将在后续工作中开展。本文采用圆锥来近似从维修部位发出的可视域，而通常情况下，该可视域在不同方向上的角度范围可能不一致，后期可考虑在可视锥的表达与生成方面，采用其他方法实现。另外，将进一步提升可触及性以及使用与维修的空间可达性分析验证3 CAD效率，例如：将可达性 个指标的验证与产品三维设计过程相结合，实现总体三维布置与维修性验证同步开展，这方面的工作也值得深入研究。
5结语
维修部位可视作为可达性分析验证的首要条件，在复杂环境下对象的可达性分析中占据重要地位。本文在分析了人眼导向的可达性分析流程的基础上，提出了维修部位导向的可视性分析流Jack程；结合 仿真软件，设计并开发了相应的分析2功能；最后，给出了滚轧机 处螺母的可视性分析案例，验证了所提出方法的合理性。该方法对于提升复杂环境下的可视性指标分析验证效率具有较大帮助。
参考文献：
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