基于参数化动作描述的虚拟维修过程仿真

Simulation 0f Virtual M aintenance Process based onParameterized Action Representati0nW ang Fengchan -， Sun Youchao(1.ColageofCivilAviation，NanjingUniversity ofAeronautics andAstronautics，Nanjing Jiangsu210016，China；2.Department ofMaintenance，Colege ofCAPF Hangzhou Command，Hangzhou Zhejiang 310000，China)Abstract：Parameterized Action Representation(PAR)designed to bridge the gap betweennatural language instructions and the virtual agents who are to CalTy their action for virtualmaintenan ce process.PAR is therefore constructed based iointly on implemented motion capabilitiesof virtual human or agent action for instruction interpretation.Maintenance Task DecompositionMode1 and Actions Database(Action-DB)is presented based on the PAR and Inteligent Virtua1Maintenan ce Training System in Delmia environment in this P叩 er.And a real time executionarchitecture controlling 3D animated virtual human or agent iS proposed based on PAR mode1。

Finally，an example is given to verify the simulation process of models an d method proposed.Andresults show that PAR Action-DB is convenient to simulate the virtual maintenance process。

Key words：virtual maintenan ce；virtual reality；action database；maintenan ce processsimulation；parameterized action representation收稿日期：2012-03-15；定稿日期：2012-08-20基金项目：国家自然科学基金民航联合研究基金资助项目 (60979019，60572171)；中国民用航空局科技基金资助项目 (MHRD200908，MHRD200722)作者简介：王丰产 (1974-)，男，河南周口人，讲师，主要研究方向为虚拟维修及训练技术、航空器安全性和维修性分析工程。

E-mail：ted355###126.eom通讯作者：孙有朝 (1965.)，男，河南南阳人，教授，博士生导师，主要研究方向为飞机虚拟设计与验证技术、航空器适航性设计与验证、安全性可靠性与维修工程。E-mail：sunyc###Ⅱuaa.edu.ca图 学 学 报维修是指为系统、装备或产品保持或恢复到能执行所需功能的状态所进行的全部技术措施和管理活动，通过执行恢复产品性能的操作，使其达到或接近于新产品状态的操作过程[1]，是产品使用寿命周期中重要活动。维修是产品能否长时间、高质量、低成本和低风险使用的重要措施。

为了实现高效和可视化产品维修过程，虚拟现实技术应用到维修仿真中，产生了虚拟维修技术。从20世纪90年代末已经成为研究的热点问题之-Lz J，许多学者提出了各种各样的方法来解决虚拟维修问题，不断地研究虚拟维修技术。为了更好地解决实际应用问题，也为了高效智能的实施维修仿真，研究人员综合-个或多个领域知识来解决产品虚拟维修过程中遇到的各种问题。

产品维修过程包含很多内容，例如：维修流程规划、维修过程仿真和维修操作等。制造企业在不断提高竞争力和缩短市朝时间需求的推动下，越来越多的维修领域专家和工程师需要更逼真、更方便地执行维修动作仿真任务。因此，维修工程仿真必须和虚拟人动作联系起来，并且虚拟人动作必须明确的描述出来。

Badler研究小组对虚拟人动作进行了 参数化动作描述(Parameterized action representation。

PAR)” ，给出了完整的定义和规范。所谓 参数化”是因为执行动作的虚拟人怎样完成动作，这就需要对动作进行规范化参数来描述，PAR解决了这个问题，根据虚拟人体结构规范了虚拟人动作的各种参数，比如：动作路径、定位、完成方式和动作目标等，也包括-些完成某动作的必备条件以及标志动作终止应满足的条件。但是PAR描述的范围比较广泛，没有针对维修动作进行定义，本文在PAR的基础上对维修动作进行归纳，提出维修动作库，便于维修仿真的调用，提高了虚拟维修仿真的方便性。

本文根据虚拟维修仿真的实际需要，结合PAR 规范定义，提出了从自然语言描述的维修指令 向元任务和动作分解的维修任务分解模型rMaintenance Task Decomposition M odel ，MTDM)；根据维修经验，定义并形成了维修动作库规范(Action-DB)，提出了符合维修过程仿真的维修操作模型。最后，以某型飞机起落架维修任务的仿真过程验证虚拟维修仿真任务分解模型、动作库使用及自然语言向参数化动作分解过程。

1 维修任务分解模型每个 自然语言描述的维修任务是有-系列更低层次的元任务(Meta-Tasks，MT)组成，每个元任务又可以逐层向下细分为维修操作、维修动作和基本动素。维修任务分解模型如图1所示。

维修任务层 元任务层 元任务序列( -③-④-⑤-### ⑦-..；平面移动类f l姿态调整类l 手操作 工具操作操作层动作层 平面移J 姿态调l l徒手操 l工具操动动作 整动素I I作动素 l I作动素动素层 匡蚕豳 图 1 任务分解模型元任务是最小的不可再分的任务单位，可以- 个人独立完成的基本任务。元任务可以被更复杂不同等级的组合任务调用并组合成复杂任务。

操作层是元任务的下-层，操作是由-系列动作构成，是连接元任务层和动作层的桥梁。例如：抓-个扳手去拆卸-个紧固件操作，包括去拿扳手和扭动紧固件等动作组成。

动作层是操作层的下-层，是具有维修语义的最小单位，-个动作还可以分解为基本动素，基本动素是身体某部分的运动或移动，没有具体的目的和维修语义。-个动作可以有-系列基本动素组成。比如，拿工具这个动作包括手指张开，大臂小臂前伸，到达目的工具手指抓握等肢体动素。

动素是身体各部分的基本运动形式，定义动素是虚拟人身体和肢体运动仿真的基础，动素可以基于人体骨骼结构运用动力学和运动学模型直接驱动和仿真。例如：手指的弯曲运动，肢体绕关节的转动等基本运动称为动素。

通过维修任务的逐层分解，把-个具体的维修任务通过-系列的维修动作表示出来，建立了维修任务、动作及最底层的动素驱动之间的关系，提高仿真编程操作的方便性。

2 虚拟维修动作库由于动素没有特定的维修语义，只表示身体骨骼的某-部分运动或转动，而且动素无法分类和规范，所以在虚拟维修仿真中，定义动素的上- 层动作为维修仿真基本运动形式♂合维修仿第 2期 王丰产等：基于参数化动作描述的虚拟维修过程仿真真中常用的动作，对这些动作进行分类定义，组成维修动作库。便于在维修仿真中方便调用。维修动作所处的层次如图1所示，可以分为平面移动类、姿态调整类、徒手操作类和工具操作类，共4类35个动作，根据这4类动作，分别定义动作含义，组成动作库，见表l。

表 1 维修动作库描述表图 学 学 报 201 3年- 方面，维修动作库的动作都用PAR[4-5]进行数化定义描述。并可以对其底层虚拟人骨骼结进行动力学和运动学驱动分析。

另-方面，组成的动作库可以在虚拟维修仿系统中直接调用，不用理会动作如何进行驱动现的，大大简化维修仿真动作调试过程。特定维修动作序列就可以组成维修操作，例如，在lmia系统中，定义好的动作库可以方便高效地用于虚拟维修仿真。图2给出了-些动作库的本动作样例。

图2 动作库样例维修操作和动作模型 维修操作模型维修任务分解为元任务MT，MT通过操作Operation，0)转化为具体动作，操作成为了任务和维修动作的桥梁。-个操作可以定义为包括虚拟人、部件、工具、动作和注意五元组表示，操作0定义如下：Operation ： Operation--维修操作；Agen 维修操作虚拟人；Tools--维修工具；Actio玎--维修动作序列；Atentio玎--注意和警告等；例如：用扳手鹏-个紧固件螺栓的操作，可 以表 示 为 ：wrench (Agent，Wrench，Bolt，Atention)，鹏操作将被执行。

任务、元任务、操作、动作之间关系是逐层细化分解的关系，可以用下式表示：∑ ∑ok ∑ (1)l1 kl jl这里 表示系列和的意思，表明-系列的动作可以组成操作，-系列的操作可以组成-个元任务等。通过把顶层任务向底层执行动作分解，便于编程仿真实现具体的维修仿真过程，反之，底层的具体动作逐层有序组合可以形成具体的维修任务。这里PAR起到的关键的桥梁作用。

PAR模型如图3所示。不但便于维修仿真，而