BOM技术在复杂电路虚拟维修系统中的应用

２００９年８月 第２３卷第４期
装甲兵工程学院学报
Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ａｒｍｏｒｅｄ Ｆｏｒｃｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
文章编号：１６７２—１４９７（２００９）０４－００６７—０５
Ａａｇ． Ｖ０１．２３
２００９ Ｎｏ．４
ＢＯＭ技术在复杂电路虚拟维修系统中的应用
董 博，马立元，韩 东，谢建华
２基于ＢｏＭ的复杂电路虚拟维修交 百槿犁
２．１ ＢＯＭ简介 ＢＯＭ技术是仿真互操作标准组织（Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
Ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｉｌｉｔｙ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ，ＳＩＳＯ）于２００６ 年完成的新一代仿真互操作建模标准。ＳＩＳＯ的 ＢＯＭ模板标准以模型标识（Ｍｏｄｅｌ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）、概 念模型（Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ Ｍｏｄｅｌ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）、对象模型 （Ｏｂｊｅｃｔ Ｍｏｄｅｌ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）和模型映射（Ｍｏｄｅｌ Ｍａｐ— ｐｉｎｇ）来定义交互信息。ＢＯＭ采用ＸＭＬ语言编码， 提高了模型的互操作能力和通用性。
ｉｎｔｅｒｏｐｅｒａｂｌｅ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｆｏｒｍａｌｉｚｅｄ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｏｆ ＢＯＭ（Ｂａｓｅ Ｏｂｊｅｃｔ Ｍｏｄｅｌ）ｃｏｎｃｅｐｔｕＭ
ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ａｓ ｅｎｔｉｔｙ ｔｙｐｅ，ｅｖｅｎｔ ｔｙｐｅ，ａｎｄ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｐｌａｙ ｉｎ ｃｉｒ－ ｃｕｉｔ ＢＯＭ ａｒｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ，ｔｈｅ ｅｎｔｉｔｙ ｔｙｐｅｓ ａｒｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｄｉｓｔｉｎｇｕｉｓｈ ｆｒｏｍ ｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｔｙｐｅ ａｎｄ ｓｉｇｎａｌ ｔｙｐｅ，ａｎｄ ｔｈｅｙ ａｒｅ ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ ｄｅ· ｓｃｒｉｂｅｄ ｂｙ ｉｔｓ ａｔｔｒｉｂｕｔｅｓ ａｎｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｌａｎｇｕａｇｅ ｓｅｐａｒａｔｅｌｙ，ｗｈｉｃｈ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｓ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ．Ｂｙ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｉｒｔｕａｌ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｃｅｒｔａｉｎ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｖａｌｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｉｎｔｅｒｐｌａｙ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＢＯＭ ａｒｅ ｖａｌｉｄａｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＢＯＭ；ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｍｏｄｅｌ；ｉｎｔｅｒｐｌａｙ ｍｏｄｅｌ；ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｉｒｔｕａｌ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ
语，一个复杂电路虚拟维修系统就是一个仿真联邦
（Ｆｅｄｅｒａｔｉｏｎ），而其中的每一个划分的电路模块仿真 分系统是联邦中的一个成员（Ｆｅｄｅｒａｔｅ）∞Ｊ。与机械
系统虚拟维修不同，电路虚拟维修的关键在于电路
的电气特性关系的真实仿真，即能够计算真实的电 信号量。电路仿真是一门独立的ｓｉｍ，ＰＳｐｉｃｅ等。因 此复杂电路虚拟维修系统是一个多学科协同仿真系
虚拟维修技术在装备保障领域具有很大的应用 价值，国内外的许多机构都开展了相关的研究。虚
拟维修在机械部件虚拟装酣拆卸，以及虚拟人体模
型的应用等方面的研究较为成熟。１。Ｊ，但是在电路 维修方面的研究不多。实际上，由于电路设备价格
昂贵，不能在完好的电路上设置故障进行维修训练， 而且电路板不宜多次拔插，它更需要用虚拟的方式
收稿日期：２００９－０５－０９ 基金项目：军队科研计划项目 作者简介：董博（１９８１一）．男．博士研究生
万方数据
装甲兵工程学院学报
第２３卷
１．１ 复杂电路虚拟维修系统的结构
复杂装备的电路一般由多个电路板组成。将多个 电路板建成—个模型，实现起来比较困难，并且对硬件
系统的计算能力要求也很高。一般的解决方法是：按
（军械工程学院导弹工程系，河北石家庄０５０００３）
摘要：给出了电路虚拟维修的定义，在复杂电路虚拟维修系统结构的基础上提出了建模需求，并给出－ｒ计算模型
和交互模型的定义。以形式化的方法定义了ＢＯＭ（Ｂａｓｅ Ｏｂｊｅｃｔ Ｍｏｄｅｌ）概念模型，通过分析电路仿真的特点，确定了
电路ＢＯＭ概念模型中的实体类型、事件类型和交互模式；特别是采用了“将实体类型区分电子元件类型和电信号
ＢＯＭ概念模型是一个４元组Ｍ＝（ＳＥｎ’ｓＥｖ＇５ＰＩ，
万方数据
第４期
董博，等：ＢＯＭ技术在复杂电路虚拟维修系统中的应用
５。Ｍ），其中：｜ｓＥ。为实体集；ＳＥｖ为事件集；Ｓ，。为交互模 式；ｓ。。为状态机。而且它们满足下列条件。
１）Ｊｓ‰ｎＳＥｖ＝咖。 ２）ＳＥｎ ＵＳＥ，≠咖。 ３）ＳＰＩ是一个３元组序列：（ｓｉ，ｒｉ，口ｉ）。其中：ｓｉ， ｒｆ∈ＳＥ。，且ｓ。≠■；ｌ，ｉ∈Ｓｎ，０≤ｉ≤１５Ｅ，ｌ。 ４）ＳｓＭ是一个３元组序列：（Ｓ，｜ｓ：，，∞。其中：Ｓ 是一个有穷集合，称为状态集；ｓ：，∈Ｓ。，；６：Ｓ×．ｓ：，＿＋ Ｓ是状态转移函数。 上述定义精确地描述了ＢＯＭ概念模型，ＢＯＭ 建模的过程就是确定这些要素内容的过程，下面按 照ＢＯＭ标准对电路维修进行建模分析，确定要素内 容，建立ＢＯＭ概念模型。 ２．２．Ｉ 实体类型 电路虚拟维修ＢＯＭ的实体类型包括维修者和 维修对象：维修者实体类型是维修操作人员在系统 中的代理，可以记录操作人员的姓名、单位等相关属 性，用于生成维修报告；维修对象实体类型即电路模 块，具体来说就是元件类和信号类。 元件类是电路板上所有元器件的集合，可以分 为电阻、电容、电感、二极管和电源等类别，每个实体 类型有元件名称和相应个数的节点的属性，元件名 和节点号与电路图上的名称相一致。元件在电路模 型中的信息包括节点号和元件值，在ＢＯＭ模型中元 件参数值不参与模型的交互，因此在元件类型中只 需包含元件标志（ＩＤ）和节点号即可。 信号类主要用来描述每一个电路模块的输出作 为另外一个模块的输入，或者操作人员测量的信号 信息。电信号类型较多，从功能角度可以分为控制 信号、数据信号，而控制信号又包括高电平、低电平、 方波、脉冲和正弦波等。各类信号的参数又不尽相
替代实际的训练，这对于提高维修人员的电路维修 水平和装备保障能力具有重大意义。电路虚拟维修 需要研究的内容很多，本文仅以虚拟维修交互建模
为研究内容，在电路虚拟维修的工程化应用方面开 展一些有益的探索。
１ 复杂电路虚拟维修系统中的模型
借鉴文献［４］中虚拟维修的定义，笔者给出了 电路虚拟维修的定义：以虚拟现实技术为依托，以电 路故障为主要维修对象，在由计算机生成的、包含了 产品数字样机的虚拟场景中，通过驱动人体模型或 采用人在回路的方式来完成整个维修过程仿真的综 合性应用技术。
ＤＯＮＧ Ｂｏ，ＭＡ Ｌｉ—ｙｕａｎ，ＨＡＮ Ｄｏｎｇ，ＸＩＥ Ｊｉａｎ—ｈｕａ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｉ％ｉｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｏｒｄｎａｎｃｅ Ｅｒｅｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ ０５０００３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｉｓｕａｌ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｉｓ ｄｅｆｉｎｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｉｒｔｕａｌ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｐｔｓ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ
同，详细地罗列电路中所有信号类型及其属性信息 十分困难，因此需要结合电路仿真模型对它们进行 描述。笔者采用了Ｓｐｉｃｅ语句描述，具体方法是：无 论何种类型的信号，只有两个属性，一个是表示输出 端Ｉ：３（节点）的属性，另一个是“ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ”属性，属 性内容为仿真结果产生的该信号的Ｓｐｉｃｅ语句。这 种方法既避免了将复杂信号进行分类，又能准确地 描述信号特性。该方法的前提条件是分布式仿真环 境下各个成员均使用Ｓｐｉｃｅ仿真引擎，以保证对语 句的正确解码。
电路结构及其功能关系，把复杂电路划分为不同的模 块，对不同的电路模块分别进行建模，并在分布式环境
下进行仿真，通过各模块之间的交互完成对整个电路
的仿真。这种方法的好处在于不但降低了对复杂电路 的建模难度，而且提高了仿真的运行效率。
目前，分布式交互仿真的行业标准是高层体系
结构（Ｈｉ．ｇｈ Ｌｅｖｅｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＨＬＡ）。按照ＨＬＡ术
统，是电子技术和虚拟现实技术的协同，对于每一个 联邦成员，都有底层的电路仿真功能和虚拟现实的
视景显示以及人机交互功能。基于ＨＬＡ的复杂电
路虚拟维修系统的结构如图１所示。
联邦成员１
联邦成员Ⅳ
图１ 复杂电路虚拟维修系统结构
１．２计算模型和交互模型 根据上节提出的基于ＨＬＡ的复杂电路虚拟维
修系统结构可知，在系统中有两种模型最为重要：一 种是电路仿真模型，这里称为计算模型，它是电路结 构和电气特性的数学描述，由元件模型和元件结构 关系组成；另一种是构建ＨＬＡ联邦的交互模型，它 是分布式电路虚拟维修环境中的各电路或电路模块 间的仿真互操作信息的描述。由于计算模型一般在 商用电路仿真软件中建立，有规范而成熟的技术，本 文不做详细的讨论。
ＢＯＭ概念模型是ＯＭＴ中没有的信息，它对事 物之间的相互作用进行概念层次上的定义，它描述 交互模式（Ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｐｌａｙ）是如何发生的，交互 发生过程中的状态变迁——状态机（Ｓｔａｔｅ Ｍａ． ｃｈｉｎｅ），以及代表客观世界事物抽象概念的两个基 本要素——实体类型（Ｅｎｔｉｔｙ Ｔｙｐｅｓ）和事件类型（Ｅ－ ｖｅｎｔ Ｔｙｐｅｓ）‘６—７Ｊ。
类型，分别以客观属性和仿真语言描述的方法进行定义”的原则，既满足了仿真效果，又简化了建模复杂性。通过