CN106650027A - 一种发射场数字合练试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种发射场数字合练试验方法，该方法的实现步骤包括：1、构建发射场合练的模型子系统；2、根据设定的发射场合练试验流程，划分相应的子任务流程；3、针对每个子任务流程，在模型子系统中选取相应的三维几何模型，搭建子任务模型；并按照执行时序，驱动子任务模型进行动态演练；4、在子任务模型动态演练过程中，进行演练监测和结果分析，并根据分析结果进行相应调整和评估。该方法可以在不具备实物产品的条件下，基于三维数字仿真开展火箭技术区和发射区操作流程仿真和分析，在计算机模拟环境下实现发射场合练，便于对发射全流程进行摸底和评估，确保实际合练过程顺利进行。

Description

一种发射场数字合练试验方法

技术领域

本发明涉及航天系统仿真技术领域，特别涉及一种发射场数字合练试验方法。

背景技术

发射场合练是新型号首飞前必须完成的大型地面试验项目，为飞行试验成功奠定重要的基础。合练工作的开展，通常按照既定时间、既定程序、既定项目进行火箭测试发射流程演练。流程一旦启动，伴随着不可逆的风险，如发射台与火箭对接、发射塔与火箭对接，若发生问题，在实物上进行协调解决，约束条件很多，包括：试验管理、质量管理、系统协调、更改后产品性能等多方面因素，甚至对研制进度产生不利影响。故需要在合练前开展合练项目的预先协调和验证，保证火箭发射场合练的顺利开展。

传统方式下，在实物合练前开展发射场设备布局、合练流程和机械接口的协调和验证，主要是通过两种途径：1、基于二维图纸或依靠设计人员的经验提前协调；2、通过设计实物试验来验证。这两种方式，第一种存在协调内容不直观，且对协调人员的经验要求极高的问题，这种手段在一个全新火箭研制的过程中存在判断错误或考虑不周的风险。第二种方式是协调和验证的有效方式，但其存在大幅增加成本和影响研制进度的问题。试验件的生产耗费大量人力物力，且跨系统间协调困难，且试验件的生产、试验过程以及反复等将大幅拖慢产品的研制进度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供了一种发射场数字合练试验方法，该方法可以在不具备实物产品的条件下，基于三维数字仿真开展火箭技术区和发射区操作流程仿真和分析，在计算机模拟环境下实现发射场合练，便于对发射全流程进行摸底和评估，确保实际合练过程顺利进行。

本发明的上述目的通过以下方案实现：

一种发射场数字合练试验方法，包括以下步骤：

(1)、构建发射场合练的模型子系统；所述模型子系统包括火箭模型、发射场厂房模型、地面设备模型和资源模型，其中：火箭模型为根据火箭结构建立的三维几何模型；发射场厂房模型包括厂房空间结构、工作平台和固定设备的三维几何模型；地面设备模型包括合练过程中涉及到的地面转运设备、吊装设备、测量与控制设备、连接电缆与管路、加注设备和供气设备的三维几何模型；资源模型包括数字人体模型、工具与工装三维几何模型，其中在所述数字人体模型中设定了人体尺寸和人体机能限制条件；

(2)、根据设定的发射场合练试验流程，划分相应的子任务流程；所述的子任务流程包括待执行的工序集合，以及所述工序集合对应的执行时序；

(3)、针对步骤(2)划分的每个子任务流程，在模型子系统中选取所述工序集合中各工序涉及到的三维几何模型，搭建子任务模型；并按照工序集合对应的执行时序，驱动子任务模型进行动态演练；

(4)、在子任务模型动态演练过程中，进行干涉监测、接口匹配监测、资源分配监测、人机工程监测，记录监测结果；

(5)、对步骤(4)记录的监测结果进行分析，如果分析结果不满足设定的要求，则对子任务模型进行调整后重新进行动态演练；如果分析结果满足设定要求，则重复步骤(3)～(5)，完成所有子任务流程的动态演练和结果分析。

上述的发射场数字合练试验方法，在步骤(4)中，干涉监测的监测内容包括：在演练过程中，三维几何模型之间的间隙是否在设定的间隙范围内，以及三维几何模型间是否发生碰撞；接口匹配监测的监测内容包括：在演练过程中，三维几何模型间的连接接口是否匹配；资源分配监测的检测内容包括：在演练过程中，子任务模型中选取的资源模型是否能够完成设定的工序；人机工程监测的监测内容包括：在设定的人体机能限定条件下，数字人体模型是否能够完成设定的工序任务。

上述的发射场数字合练试验方法，在步骤(1)中，如果外部系统已经搭建完成了火箭设计模型，则对所述火箭设计模型进行简化处理，即在所述火箭设计模型中保留火箭几何外形、骨架和电缆，得到模型子系统中的火箭模型。

上述的发射场数字合练试验方法，在步骤(1)中，模型子系统中的三维几何模型采用DELMIA格式。

上述的发射场数字合练试验方法，在步骤(1)中，如果外部系统已经构建了3DMAX可视化格式的三维几何模型，则通过如下步骤将所述三维几何模型转化为DELMIA格式：

(1a)、利用3DMAX软件打开所述3DMAX可视化格式的三维几何模型，并另存为STL格式；

(1b)、在Pro/E软件中打开STL格式的三维几何模型，并进行如下操作：

复核所述三维几何模型的尺寸数据，若存在由于不同软件间单位制不同导致的模型尺寸不一致问题，则通过Pro/E软件的三维模型缩放功能将所述三维几何模型缩放到设定尺寸；在所述三维几何模型中，重建与运动相关的几何特征；然后将所述三维几何模型转换为stp或igs格式；

(1c)、将步骤(1b)得到的stp或igs格式三维几何模型转换为DELMIA格式，在转换过程中保留所述模型的几何外形、骨架以及电缆模型数据。

上述的发射场数字合练试验方法，在步骤(3)中，从模型子系统中选取工序集合中各工序涉及到的三维几何模型，搭建子任务模型；在所述子任务模型搭建过程中，对选取的三维几何模型进行轻量化处理，具体实现过程如下：对选取的三维几何模型进行背面剔除处理、抗锯齿处理；并根据设定的显示需求，进行显示精度调整，即：在设定的精确显示部位，设置显示精度小于或等于1mm；在设定的轮廓显示部位，设置显示精度大于或等于10mm。

上述的发射场数字合练试验方法，在步骤(3)中，从模型子系统中选取工序集合中各工序涉及到的三维几何模型，搭建子任务模型；在所述子任务模型搭建过程中，对选取的三维几何模型进行冗余清理，即将模型中与仿真结果无关的细节数据进行隐藏或删除，仅保留设定的关键部分的模型数据。

上述的发射场数字合练试验方法，在步骤(3)中，从模型子系统中选取工序集合中各工序涉及到的三维几何模型，搭建子任务模型；在所述子任务模型搭建过程中，设置选取的三维几何模型之间的相对摆放位置，如果选取的三维几何模型中包括地面设备模型，且所述地面设备模型中涉及电缆或管路，则对所述电缆或管路的铺设方式进行设定。

上述的发射场数字合练试验方法，在步骤(3)中，针对步骤(2)划分的每个子任务流程，在模型子系统中选取所述工序集合中各工序涉及到的三维几何模型，搭建子任务模型；其中：如果所述子任务流程涉及极限工况分析，则根据设定的极限工况条件，对相应的三维几何模型进行极限工况设定。

上述的发射场数字合练试验方法，在步骤(1)中，在模型子系统中，根据设定的模型精确度等级，设定每个三维几何模型的尺寸精确度。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

(1)、本发明基于数字仿真模型模拟发射场合练的全过程，动态分析了火箭在不同子任务流程，可以识别流程中的关键控制环节，验证子任务流程的合理性，以便于制定具体的发射场合练方案；

(2)、本发明在子任务流程动态演练过程中，进行了干涉监测、接口匹配监测、资源分配监测、人机工程监测，并能根据监测结果进行子任务流程或模型调整，为制定发射场合练方案提供了必要的分析数据。

附图说明

图1为本发明的发射场数字合练试验方法的处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明作进一步详细的描述：

本发明突破了传统地面试验方法，在不具备实物产品的条件下，基于数字仿真开展火箭发射场合练试验，对发射场合练的操作流程进行仿真与分析，实现对发射全过程的摸底和评估，成功实现在计算机模拟环境下的火箭、地面系统、发射场系统三方的“提前见面”，达到提前预示、验证的效果，为制定完善的发射场合练方案提供参考必要依据。

如图1所示的处理流程图，本发明的实现过程包括构建模型子系统、划分子任务流程、构建子任务模型、子任务模型动态演练、演练结果评估等步骤，以下将对各步骤实现过程进行详细说明。

(一)、构建模型子系统

在本发明中，需要对发射场合练的全过程进行数字模拟，因此需要针对合练涉及到设施、工作人员、工具等建立仿真模型。在模型子系统中，本发明构建了相应的火箭模型、发射场厂房模型、地面设备模型和资源模型，其中：火箭模型为根据火箭结构建立的三维几何模型；发射场厂房模型包括厂房空间结构、工作平台和固定设备的三维几何模型；地面设备模型包括合练过程中涉及到的地面转运设备、吊装设备、测量与控制设备、连接电缆与管路、加注设备和供气设备的三维几何模型；资源模型包括数字人体模型、工具与工装三维几何模型，其中在所述数字人体模型中设定了人体尺寸和人体机能限制条件。

在本发明具体实现过程中，采用了DELMIA格式三维几何模型，因为DELMIA软件具备人机工程监测功能，而且适用于空间狭小、仪器安装繁多、人员操作困难的关键舱段和关键产品的动态仿真分析。如果外部系统已经构建了其他格式的三维几何模型，才可以通过以下两种途径实现模型格式的转换，从而得到本发明所述的DELMIA格式的三维几何模型，具体为：

途径一：针对标准CAD格式(如Pro/E、UG格式)的三维几何模型，可以stp或igs作为中间格式，即先将CAD格式的模型转换为stp或igs，然后再转换得到DELMIA格式的三维几何模型，在转换过程中保留模型的几何外形、骨架信息以及柔性电缆信息。例如，如果外部系统已经搭建完成了火箭设计模型，该模型采用CAD格式，则采用途径一的方法将该火箭设计模型进行简化处理，即在该火箭设计模型中保留火箭几何外形、骨架和电缆，并转换得到DELMIA格式的火箭模型，这样可以有效利用火箭设计模型，避免重新建模，而且实现了火箭模型的数据轻量化处理，降低系统模型的仿真数据量，便于模型的动态演练。

途径二：针对外部系统已经构建的3DMAX可视化格式的三维几何模型，则通过如下步骤将所述三维几何模型转化为DELMIA格式：

(1)、利用3DMAX软件打开所述3DMAX可视化格式的三维几何模型，并另存为STL格式；

(2)、在Pro/E软件中打开STL格式的三维几何模型，并进行如下操作：

(2a)、复核所述三维几何模型的尺寸数据，若存在由于不同软件间单位制不同导致的模型尺寸不一致问题，则通过Pro/E软件的三维模型缩放功能将所述三维几何模型缩放到设定尺寸，例如：3DMAX格式的发射场厂房模型转换为Pro/E格式后由于描述单位由米变为毫米，模型尺寸会比实际值小1000倍，需要将厂房模型按1000倍放大；

(2b)、在所述三维几何模型中，重建与运动相关的几何特征，例如：将3DMAX厂房三维模型转换为Pro/E文件后，针对厂房活动平台的升降、收缩和旋转运动，建立参照特征，方便在仿真过程中作为运动参照使用；

(2c)、然后将所述三维几何模型转换为stp或igs格式；

(2d)、将步骤(2c)得到的stp或igs格式三维几何模型转换为DELMIA格式，在转换过程中保留所述模型的几何外形、骨架以及电缆模型数据。

另外，在模型子系统中，本发明根据设定的模型精确度等级，设定每个三维几何模型的尺寸精确度。其中，模型精确度等级根据仿真协调要求进行确定，不合理的精度设置会缩小与箭体的安全间距，增加干涉风险。例如，火箭加注燃料时使用的地面连接器，其与箭上接口匹配时精确度要求为毫米级，而火箭与发射场厂房平台间的协调精度则为厘米级，建立模型精确度分级策略，控制模型总体规模。

(二)、划分子任务流程并构建子任务模型

(1)、划分子任务流程

在发射场合练中，涉及到的试验项目包括箭地对接、箭塔对接、箭台对接、塔台对接的大系统接口协调以及对自火箭卸车、状态恢复、起竖对接、船/箭联合操作、垂直转运、射前摆杆打开等，为了对上述试验项目进行流程摸底和评估，本发明针对各试验项目的试验流程，划分相应的子任务流程，在该子任务流程设定待执行的工序集合，以及该工序集合对应的执行时序，按照执行时序，依次执行工序集合中的各工序，则可以模拟相应试验项目的试验流程。

(2)、构建子任务模型

针对以上划分的每个子任务流程，本发明在模型子系统中选取工序集合中各工序涉及到的三维几何模型，搭建子任务模型；并按照工序集合对应的执行时序，驱动子任务模型进行动态演练，从而实现对各试验项目的试验流程的动态模拟。

在上述子任务模型搭建过程中，为了降低仿真模拟过程中仿真数据量，本发明在子任务模型搭建过程中，对选取的三维几何模型进行冗余清理，即将模型中与仿真结果无关的细节数据进行隐藏或删除，仅保留设定的关键部分的模型数据。其中，根据需要将不影响仿真结果的冗余模型隐藏或删除，保留必要的信息，主要包括外形尺寸、外表面开口及凸起物，从而减少模型的内存占用。

另外，本发明还对选取的三维几何模型进行了显示轻量化，进一步降低仿真数据量，具体实现过程如下：对选取的三维几何模型进行背面剔除处理、抗锯齿处理；并根据设定的显示需求，进行显示精度调整，即：在设定的精确显示部位，设置显示精度小于或等于1mm；在设定的轮廓显示部位，设置显示精度大于或等于10mm。

在上述子任务模型搭建过程中，从模型子系统中选取工序集合中各工序涉及到的三维几何模型，搭建子任务模型；在该子任务模型搭建过程中，设置选取的三维几何模型之间的相对摆放位置，如果选取的三维几何模型中包括地面设备模型，且该地面设备模型中涉及电缆或管路，则对这些电缆或管路的铺设方式进行设定。在具体工程实现过程中，可以按照如下的布局约束条件，设定各三维几何模型之间的相对摆放位置：

(A)、根据如下约束条件，设定各系统机柜模型在前置设备间模型中相应摆放位置：机柜尽量靠近墙壁，以尽量扩大房间中部操作空间；保持机柜与墙壁不小于600mm间隙，便于机柜后电缆走线；同系统机柜应尽量相邻；机柜的布局应尽量方便电缆连接，便于统一规划房间内以及出房间电缆走线；模拟机柜进出舱门的方式和顺序，以便布局能够顺利实现；

(B)、根据如下流程，进行地面电缆布局：输入地面电缆的点对点连接要求；通过分支图确定电缆布线。其中，主电缆束和分支的确定是电缆敷设的关键，根据地面电缆特点，在地面电缆布局时建立以下原则：a、根据设备布局情况、房间电缆出口位置、考虑强弱电分开的原则确定主电缆束及其捆扎点的位置；b、以先主束后分支的原则由主到分逐级建立电缆分支图，确定电缆的敷设和捆扎点位置；c、利用DELMIA软件的电缆敷设功能按步骤b中的分支图完成电缆的敷设，计算电缆各分支长度，供生产电缆参考；d、根据敷设结果计算每个捆扎点通过的电缆数量，确定捆扎横截面积。

(3)、极限工况设置

在步骤(2)进行子任务模型构建过程中，如果该子任务模型对应的子任务流程涉及极限工况分析，则需要根据设定的极限工况条件，对相应的三维几何模型进行极限工况设定。例如，如果设定的极限工况为单点故障或失效，则在子任务模型中，设定对应的三维几何模型处于故障状态或失效状态，然后在这种单点故障或失效条件下，进行子任务模型的动态演练，分析这种极限工况下出现的问题，以便于针对这种问题制定相应的应对策略，确保实际的合练过程可以顺利进行。

(三)、动态演练过程监测和分析评估

在子任务模型动态演练过程中，本发明对子任务模型进行了干涉监测、接口匹配监测、资源分配监测、人机工程监测，并记录相应的监测结果。

其中，干涉监测的监测内容包括：在演练过程中，三维几何模型之间的间隙是否在设定的间隙范围内，以及三维几何模型间是否发生碰撞；接口匹配监测的监测内容包括：在演练过程中，三维几何模型间的连接接口是否匹配；资源分配监测的检测内容包括：在演练过程中，子任务模型中选取的资源模型是否能够完成设定的工序，具体包括人员分配是否够用，工具和工装是否满足工序需求等；人机工程监测的监测内容包括：在设定的人体机能限定条件下，数字人体模型是否能够完成设定的工序任务。

然后对记录的监测结果进行分析，如果分析结果不满足设定的要求，则对子任务模型进行调整后重新进行动态演练，其中，如果经分析是子任务流程中的工序划分和时序配置存在问题，则对相应工序和配置进行调整，然后重新进行动态演练，如果经分析是子任务模型中的三维几何模型存在问题，则对相应的模型进行调整，然后重新进行动态演练；如果分析结果满足设定要求，则按照上述操作流程，完成所有子任务流程的动态演练和结果分析。

以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种发射场数字合练试验方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)、构建发射场合练的模型子系统；所述模型子系统包括火箭模型、发射场厂房模型、地面设备模型和资源模型，其中：火箭模型为根据火箭结构建立的三维几何模型；发射场厂房模型包括厂房空间结构、工作平台和固定设备的三维几何模型；地面设备模型包括合练过程中涉及到的地面转运设备、吊装设备、测量与控制设备、连接电缆与管路、加注设备和供气设备的三维几何模型；资源模型包括数字人体模型、工具与工装三维几何模型，其中在所述数字人体模型中设定了人体尺寸和人体机能限制条件；

(2)、根据设定的发射场合练试验流程，划分相应的子任务流程；所述的子任务流程包括待执行的工序集合，以及所述工序集合对应的执行时序；

(3)、针对步骤(2)划分的每个子任务流程，在模型子系统中选取所述工序集合中各工序涉及到的三维几何模型，搭建子任务模型；并按照工序集合对应的执行时序，驱动子任务模型进行动态演练；

(4)、在子任务模型动态演练过程中，进行干涉监测、接口匹配监测、资源分配监测、人机工程监测，记录监测结果；

(5)、对步骤(4)记录的监测结果进行分析，如果分析结果不满足设定的要求，则对子任务模型进行调整后重新进行动态演练；如果分析结果满足设定要求，则重复步骤(3)～(5)，完成所有子任务流程的动态演练和结果分析。

2.根据权利要求1所述的一种发射场数字合练试验方法，其特征在于：在步骤(4)中，干涉监测的监测内容包括：在演练过程中，三维几何模型之间的间隙是否在设定的间隙范围内，以及三维几何模型间是否发生碰撞；接口匹配监测的监测内容包括：在演练过程中，三维几何模型间的连接接口是否匹配；资源分配监测的检测内容包括：在演练过程中，子任务模型中选取的资源模型是否能够完成设定的工序；人机工程监测的监测内容包括：在设定的人体机能限定条件下，数字人体模型是否能够完成设定的工序任务。

3.根据权利要求1所述的一种发射场数字合练试验方法，其特征在于：在步骤(1)中，如果外部系统已经搭建完成了火箭设计模型，则对所述火箭设计模型进行简化处理，即在所述火箭设计模型中保留火箭几何外形、骨架和电缆，得到模型子系统中的火箭模型。

4.根据权利要求1至3之一所述的一种发射场数字合练试验方法，其特征在于：在步骤(1)中，模型子系统中的三维几何模型采用DELMIA格式。

5.根据权利要求1至3之一所述的一种发射场数字合练试验方法，其特征在于：在步骤(1)中，如果外部系统已经构建了3DMAX可视化格式的三维几何模型，则通过如下步骤将所述三维几何模型转化为DELMIA格式：

(1a)、利用3DMAX软件打开所述3DMAX可视化格式的三维几何模型，并另存为STL格式；

(1b)、在Pro/E软件中打开STL格式的三维几何模型，并进行如下操作：

复核所述三维几何模型的尺寸数据，若存在由于不同软件间单位制不同导致的模型尺寸不一致问题，则通过Pro/E软件的三维模型缩放功能将所述三维几何模型缩放到设定尺寸；在所述三维几何模型中，重建与运动相关的几何特征；然后将所述三维几何模型转换为stp或igs格式；

(1c)、将步骤(1b)得到的stp或igs格式三维几何模型转换为DELMIA格式，在转换过程中保留所述模型的几何外形、骨架以及电缆模型数据。

6.根据权利要求1至3之一所述的一种发射场数字合练试验方法，其特征在于：在步骤(3)中，从模型子系统中选取工序集合中各工序涉及到的三维几何模型，搭建子任务模型；在所述子任务模型搭建过程中，对选取的三维几何模型进行轻量化处理，具体实现过程如下：对选取的三维几何模型进行背面剔除处理、抗锯齿处理；并根据设定的显示需求，进行显示精度调整，即：在设定的精确显示部位，设置显示精度小于或等于1mm；在设定的轮廓显示部位，设置显示精度大于或等于10mm。

7.根据权利要求1至3之一所述的一种发射场数字合练试验方法，其特征在于：在步骤(3)中，从模型子系统中选取工序集合中各工序涉及到的三维几何模型，搭建子任务模型；在所述子任务模型搭建过程中，对选取的三维几何模型进行冗余清理，即将模型中与仿真结果无关的细节数据进行隐藏或删除，仅保留设定的关键部分的模型数据。

8.根据权利要求1至3之一所述的一种发射场数字合练试验方法，其特征在于：在步骤(3)中，从模型子系统中选取工序集合中各工序涉及到的三维几何模型，搭建子任务模型；在所述子任务模型搭建过程中，设置选取的三维几何模型之间的相对摆放位置，如果选取的三维几何模型中包括地面设备模型，且所述地面设备模型中涉及电缆或管路，则对所述电缆或管路的铺设方式进行设定。

9.根据权利要求1至3之一所述的一种发射场数字合练试验方法，其特征在于：在步骤(3)中，针对步骤(2)划分的每个子任务流程，在模型子系统中选取所述工序集合中各工序涉及到的三维几何模型，搭建子任务模型；其中：如果所述子任务流程涉及极限工况分析，则根据设定的极限工况条件，对相应的三维几何模型进行极限工况设定。

10.根据权利要求1至3之一所述的一种发射场数字合练试验方法，其特征在于：在步骤(1)中，在模型子系统中，根据设定的模型精确度等级，设定每个三维几何模型的尺寸精确度。