基于SysML与CAD模型集成的虚拟现实环境设计评审工具开发与验证

《ADVANCED ENGINEERING INFORMATICS》：Facilitating virtual design reviews: CAD and SysML model integration in virtual reality environments

　　

由于现代产品中机械、电子和软件功能的集成，虚拟产品开发正变得越来越重要。在此背景下，虚拟原型制作尤其可以从在虚拟现实（VR）仿真中可视化系统的CAD模型受益，因为这可以在开发早期阶段支持诸如人体工学评估和设计评审等活动。此外，遵循基于模型的系统工程（MBSE）方法创建一致的系统模型可以支持对产品日益增长的复杂性进行管理。通过将SysML建模语法创建的系统模型、CAD模型和VR仿真相结合，可以为基于虚拟模型的产品开发产生效益，并改善信息及模型一致性。本文介绍了一种用于在交互式VR环境中集成、同步可视化及自动链接SysML与CAD模型的工具。该工具通过在同一虚拟环境中同时显示CAD对象和系统模型的相关信息，支持设计评审和验证流程。本文中示例性工具应用的重点是通过在VR中检查真实比例的CAD模型来验证SysML模型中定义的系统需求。作为内置功能，验证结果可以在VR仿真中记录并返回至SysML建模工具，以便在后续系统开发中予以考虑。工具验证展示了其在虚拟评审、早期需求验证和双向数据交换方面的潜力。

随着现代产品中机械、电子和软件功能的集成化程度不断提高，虚拟产品开发的重要性日益凸显。虚拟原型制作作为虚拟产品开发的核心环节，通过数字样机（DMU）实现系统的呈现与测试，而将CAD模型集成到交互式虚拟现实（VR）仿真中可以有效支持装配研究、人体工学评估和设计评审等活动。与此同时，基于模型的系统工程（MBSE）方法通过创建一致的系统模型来应对产品复杂性的增长，SysML作为MBSE的重要建模语言，能够对复杂系统的结构、行为、需求和约束进行建模。然而，SysML无法以几何对象的形式对机械组件进行建模，工程师必须在二维抽象SysML表示与三维系统之间建立心智联系。现有研究中，CAD与VR、SysML与CAD、SysML与VR之间的接口或概念仅存在双边关系，尚缺乏将三个领域融合并实现跨领域信息传递的集成方案。为此，研究人员开发了一种在交互式VR环境中集成、同步可视化及自动链接SysML与CAD模型的工具，旨在支持设计评审和验证流程，并通过在VR中检查CAD模型来验证SysML模型中定义的系统需求。该研究发表在《ADVANCED ENGINEERING INFORMATICS》。研究结果表明，该工具能够实现SysML与CAD模型的自动导入与链接，支持在VR环境中进行需求验证并将结果反馈至SysML建模工具，在两个案例研究中满足了大部分预定工具需求，展示了在虚拟评审、早期需求验证和双向数据交换方面的潜力。

在技术方法方面，研究人员采用Unity作为运行时和开发环境，利用C#脚本实现工具的三个核心模块（SysML模块、CAD模块和链接模块）。SysML模型通过Cameo Systems Modeler创建并以XMI格式导出，CAD模型通过Autodesk Fusion创建并以FBX格式导入Unity。链接模块采用Levenshtein算法（一种通过计算编辑距离来评估字符串相似度的方法）实现CAD对象与SysML结构块的自动匹配。验证阶段选取自动驾驶车辆内饰概念和电助力自行车（pedelec）两个技术系统作为案例，由产品开发研究领域的专家团队进行操作评估，并收集模型处理时间和链接准确性的定量数据。

研究结果方面，在模型数据导入与链接部分，研究表明SysML和CAD模型的自动导入在两个案例中均成功完成，但SysML导入时间随模型复杂度呈非线性增长（车辆内饰模型100个SysML元素导入时间80.9±11.8 ms，pedelec模型791个SysML元素导入时间5376.9±277.1 ms），CAD导入时间则较为成比例增长。链接时间相对于SysML导入时间可忽略不计。在VR交互部分，研究表明所有导入的SysML模型元素以交互式模型层级形式呈现，用户可通过VR控制器导航模型层级和图表，选择CAD对象后可查看其链接的SysML元素，并以“人体工学舒适性”需求为例展示了在VR中验证需求并记录结果的过程。在验证结果传递至SysML建模工具部分，研究表明通过CSV文件导出和导入，VR仿真中修改的需求数据能够正确合并到Cameo Systems Modeler的现有需求表中，变更以颜色标记区分。在验证结果部分，研究表明工具满足了表A1中24项需求中的18项，4项为有条件满足，2项无法评估。链接准确性方面，车辆内饰模型中90%的SysML块正确链接，pedelec模型中62%正确链接，未链接元素主要为CAD模型中存在但SysML模型中未建模的紧固件以及描述逻辑结构的SysML块。

讨论部分对工具的局限性和未来工作方向进行了分析。SysML模型导入时间随模型复杂度非线性增长，可能导致VR仿真中断，未来可通过优化导入流程或实现异步导入来改善。当前实现不支持从SysML行为元素自动推导交互式CAD模型仿真，需手动实现。验证与确认结果的记录受限于预定义文本块的数量，未来可参考ISO 15288标准扩展文档功能或集成语音输入。验证基于两个具有相似模型结构的案例研究，链接过程的通用性尚需通过更多不同结构和复杂度的模型加以验证。工具尚未评估用户友好性和可学习性，需开展用户研究。未来可导入原生CAD格式以获取更多元数据（如重量、零件号），采用AI辅助链接过程，利用零件号作为一致性属性提高链接鲁棒性，支持多用户协同VR评审，扩展装配与拆卸仿真环境，以及适配SysML v2的基于文本的模型表示。研究结论部分翻译如下：本文介绍了一种能够实现SysML系统模型元素与CAD模型自动链接的工具。模型被集成到交互式VR仿真中，通过CAD模型提供系统的真实可视化，同时显示SysML模型中的系统特定信息。VR用户能够访问SysML模型中定义的系统需求，并通过分析CAD模型的相应组件对其进行验证。部分自动化的流程允许将验证结果从VR仿真反馈至SysML建模工具，使信息能够纳入现有系统模型。与手动数据传输相比，这降低了错误可能性，并使VR仿真中获得的知识能够在后续模型和系统开发中予以考虑。工具验证通过两个案例研究进行，在工具应用过程中，利用CAD模型在VR中评估SysML模型中的系统需求，并将结果传递回SysML建模工具。在两个案例研究中，收集了模型处理和链接时间以及链接准确性的定量数据，为工具的性能和可扩展性提供了额外见解。作为验证过程的主要部分，通过使用工具中的CAD和SysML模型执行特定活动，对最初为工具定义的需求进行了验证。验证表明，工具满足了表A1中定义的大部分指定目标。与现有的双边方法不同，所提出的三领域集成将SysML、CAD和VR结合在一个共享环境中，SysML模型作为涉及各领域的单一真相来源。通过将系统级信息与几何表示和沉浸式交互相链接，这种集成方法可以促进更具情境化的设计评审、增强的可追溯性以及基于模型的开发中的虚拟验证与确认流程。