基于交互式3D技术的制造业IETM应用研究

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发表于 2012-1-12 21:13:43 |只看该作者 |倒序浏览

基于交互式3D技术的制造业IETM应用研究

　一、引言
　　随着新产品开发全生命周期的加快，复杂产品的操作、使用和维护等信息越来越多，现有的纸质说明书已经不能满足用户需求。
　　交互式电子技术手册(Interactive Electronic Technical Manual，IETM) 是为了应对新产品在设计、生产、操作、维护和训练过程中产生的大量技术信息数据的挑战而提出的一种提高产品全生命周期技术信息管理能力的关键技术。IETM综合运用多媒体、数据库、网络等技术，将内容复杂的操作、维修和训练等信息，按照有关标准组织管理起来，对新产品操作、维护及训练具有重要的辅助作用。目前IETM在国外军事及民用领域都已有广泛的应用，已经成为工业信息化技术研究和应用热点之一。从设计心理学的角度分析，IETM客观上要求以一种便于用户理解的形式将技术
　　信息呈现出来，以增强用户体验，提高学习效率。将交互式3D技术引入IETM 中，以形象化的界面与使用者进行交互，可以大大提升IETM的使用效率。
　　二、交互式3D技术
　　1.S1000D标准
　　S1000D是由欧洲航空航天和国防工业协会(ASD)和美国航空工业协会(ATA)共同制订的国际标准。S1000D在美国及北约的军事及民用领域有着广泛的应用，是目前发展最快的IETM 国际标准。
　　S1000D提出了2个核心概念：数据模块(Data Module, DM)和通用资源数据库(Common Source Data Base，CSDB)，用来保证IETM间的信息共享与交换。S1000D将IETM中的信息划分为描述性信息、维修步骤信息、故障隔离信息、维修计划信息、机组成员信息、零部件信息、战场损伤评估和修复信息、布线信息、过程控制信息、馈电路信息和数据处理信息等多类信息。这些技术信息以DM的形式存储在CSDB中，并以XML作为文档交换格式。
　　2.交互式3D技术
　　在S1000D中，3D模型与音频、视频、动画一起作为多媒体对象，可以像插图、表格一样插入数据模块，存储在公共源数据库(CSDB)中。3D模型是指使用3D动画、CAD和VR技术，实现系统部件的装配、拆卸和功能演示的可视化。3D模型可以是产品的整体视图，也可以是零部件的交互式动画或脚本动画。
　　目前交互式3D技术在IETM中应用不是很广泛。现有的IETM产品人机界面较差，仅仅停留在满足功能性的层次。而制约3D技术广泛应用的障碍主要是缺乏被工业界认可的用于3D可视化的公共文件格式。
　　U3D格式是一种被广泛采用的3D格式，支持众多国际标准，如ECMA标准，ISO标准，S1000D标准等。PDF是U3D应用的重要市场之一。PDF是Adobe 公司开发的一种文件格式，在全世界有超过10亿的庞大用户群。PDF文件的优势十分明显，如成本较低，便于浏览，与平台无关，可移植性好等。因此开发以PDF为终端显示格式的IETM，具有十分重要的实践意义。
　　3.基于交互式3D的PDF发布
　　PDF可以作为基于XML的IETM标准的一种终端显示形式，如图1所示。顶层为显示层，采用PDF的表现形式，依据标准精确地设计内容及布局; 中间层主要是遵循的商业规则，确保内容的有效性;底层为XML数据层，基于相关的标准。

在国外基于PDF的IETM已有很多实际应用，如波音公司的Boeing787虚拟维护技术手册，欧洲空客的EDS公司也开发了基于 PDF的军用坦克交互式电子技术手册( 如图2所示)。
　　三、基于交互式3D的制造业IETM开发
　　1.IETM关键技术
　　IETM具有四项关键技术，即标准化技术，数据库技术，数据描述技术，交互功能与界面技术。标准化就是解决信息在实现共享、产品数据实现互操作性的过程中使用共同语言问题;数据库为IETM信息提供存储空间;数据描述技术是指选择一种中性格式来减少不同部门之间数据的冗余度，实现对数据资料的共享;交互功能与界面设计是指依据行业标准，对IETM的通用内容、交互功能、格式要求、风格统一等进行设计。
　　2.PDF与XML
　　PDF是Adobe公司开发的一种文档阅读格式，它可以嵌入文字、图形图像、动画、视频、音频、交互式3D、超链接等信息，应用十分广泛。但是，PDF的检索能力较差，没有描述文档内容的数据结构，这成为制约基于PDF的IETM信息检索的瓶颈。
　　XML(Extensible Markup Language)是由W3C设计并推荐的标记语言，它面向内容，适合于描述文件结构和内容。为了更有效地利用文档进行下一步的工作，比如内容提取，数据挖掘，信息过滤等等，有必要将PDF文档转换为XML文档。
　　与XML文档相比，基于PDF的IETM的界面更加美观，符合人机工程学和设计心理学。PDF文档具有接近于XML文档的技术特性，而且其技术实现的难度和成本优势明显。
　　3.完整的制造业IETM开发
　　按照S1000D标准的要求，完整的制造业IETM开发流程(如图3所示)是：制作单页形式的PDF文档，嵌入交互式3D信息及其它的相关技术资料，将这些非结构化的PDF文档转换为结构化的XML文档，存入公共源数据库(CSDB) 中，至此完成创作过程。接下来为IETM的发布过程：按照用户的特点及各种应用环境的不同进行设置各种交互及界面设计，最后分别用PDF形式显示在各种使用终端上，如PMA等。
　　XML示例代码：
　　为多媒体元素，multimediaType为多媒体类型，包括"3D" 、"audio" 、"video"、"other" 等。"0"代表否定， "show"代表显示，Height、Width分别代表多媒体窗口的高和宽。多媒体元素能够像插图一样插入数据模块中，示例代码如下：
　　showPluginControls="show"
　　fullScreen="0"
　　multimediaObjectHeight="300" multimediaObjectWidth="200">
　　创作者查阅内置于多媒体对象的目标必须使用交叉引用元素<internalRef>。为了能够实现交叉引用，测试值"multimedia " ,"multimediaObject"和 "parameter"作为附属的类型被添加到元素中。示例代码如下："parameter" internalRefId="prm-0001">

　四、应用实例研究
　　笔者依据S1000D的要求开发了某产品部件(齿轮减速器)的IETM。IETM主功能系统(如图4所示)主要用来概括介绍产品的基本情况，其表现的内容较多，界面设计需要既充实又美观。

同时进行功能划分，主要功能分区有零件列表、模型区、视图区、显示区、渲染模式、产品说明、零部件说明等;在醒目的位置设有超链接，便于跳转至下一级页面。
　　IETM零部件演示系统(如图5所示)主要用于产品子部件装配展示，主题突出，整体风格简洁。功能分区主要包括标题、背景音乐、LOGO、零件列表、模型区、装配说明、装配步骤、动画演示、逃生舱模式、控制区等。为了便于学习，在装配说明中对一些文字进行设置，链接至相应的视图;逃生舱模式是为了方便用户误操作时跳出当前页面，通过点击可以跳转至主页面。
　　IETM多媒体演示系统(如图6所示)主要是用于展示产品的装配演示动画;内容较单一，只需要一个主功能区用于放置装配动画，其他功能分区有标题、背景音乐等;在文字后面的括号中设置返回主界面链接。
　　五、结束语
　　交互式电子技术手册可以提高产品的保障、维修以及训练的质量，使用户更快、更准确地接受产品的技术信息并且减少培训时间和培训费用。本文介绍了IETM的基本内涵，阐述了 IETM的设计流程，分析了在IETM中使用交互式3D技术的优势与可行性，结合交互式3D技术对齿轮减速器IETM进行了初步的开发。
　　笔者建议下一步的IETM研究可以采取以下策略：近期开发参考国外的发展经验，具体来说就是数据库模块(CSDB) 参照欧洲的S1000D标准，界面设计参照美军MIL-PRF-87268A标准。从长远来看我们还得研究制定适合我国国情的IETM标准。