虚拟装配的交互语义技术研究

Virtual environment(VE) in its own right is a kind of significant computing system, and is a potential high level computing form in the future. Nowaday the applications of this kind of system,such as virtual assembly(VA)in the critical manufacutring domains,are still staying in laboratory. The main problem lies in that, so many complicated software techniques are involved,the lack of common theoretical foundation of designing such kinds of system, the time-consuming and inefficient software engineering process, and the invalidated correctness and consistency of programming. These problems can not be avoided. This research aimed at investigating the interactive semantics theory and methods for virtual assembly so as to solve the problems mentioned above. The main contents of the research include, the formalization of human direct manipulation behaviors, the theory and methods of interactive computing semantics, the interactive architecture and methods of analysis and design for virtual assembly.This research will promote achieving an efficient human-computer interaction in VA,can help realizing the concept that assembly is the design of animation ,and can facilitate the seamless integrations of virtual manufacturing systems and platforms.

虚拟环境本身是一种十分重要的人机计算系统，是未来具有巨大潜力的一种高端计算形态。虚拟装配是虚拟环境在要求极高的制造领域中的一种重要系统,目前其应用还处于实验室研究阶段，主要问题是这类系统所涉及的软件技术复杂多样，缺乏此类软件构造的共同的理论基础和开发环境，软件工程过程漫长低效，且没有一个有效的语义构造和语义验证的方法，程序的正确性无法得到验证。而这些对于要求极高的制造仿真来说是无法回避的问题。本项研究致力于探索虚拟装配系统的交互语义构造的理论、方法和工具。解决此类软件在保证语义正确性和一致性条件下的高效开发问题。主要研究内容有：人的交互行为的形式化描述方法，交互计算的语义理论和方法，虚拟装配的软件体系结构和系统分析设计方法。此项研究的意义在于，此项研究有助于实现虚拟装配设计和产品仿真验证中高效人机交互，有助于实现装配即动画设计的理念，有助于虚拟制造系统和平台的无缝集成。

在超强计算能力的当前条件下，虚拟设计和制造既在虚拟环境中实现全装配和制造过程仿真和验证是智能制造的一个至关重要的方面。我们国家在设计和制造软件上严重依赖发达国家的设计平台。即使是几个当前垄断性的设计平台在集成虚拟环境仿真验证系统时也遇到前所未有的巨大障碍。关键技术是交互语义。围绕此一关键技术，若干关于虚拟环境的基础模型，基础感知体系结构，行为仿真体系结构等，都需要有不同于当前工业应用现状的研究和构造。本项研究正是基于这样的工业背景提出的交互语义相关方面的基础性研究和探索。目的是对未来自主虚拟制造软件平台及信息物理系统（CPS）提出创新性的软件体系结构，基础模型和基础算法。. 本项目的主要研究内容是，在交互语义理论研究方面，着重研究和构造一种能充分表达人在多通道和三维时空条件下的认知和行为的语言，在认知心理学和实验心理学理论指引下，借鉴经典语义技术，构造该新语言的一种一致实用的语义。在三维交互的形式化方面，主要研究三维交互行为的形式化。在新的软件体系结构框架及其各逻辑组件的建设基础上，给出虚拟装配中人的混成交互行为的形式化描述即交互模型。通过对用户认知和交互行为时序特性的抽取和刻画，形成交互语义的基础模型。通过对虚拟装配领域需求和知识的理解和实践完成这种交互语义初始模型的构造。在VE基础机制和算法研究方面，在以人为中心的新的软件体系结构中，结合我们先前的研究和探索，提出和完善一组基础机制，研究包括虚拟环境的感知机制、行为机制和约束机制等在内的各机制的模型和关键算法。在软件工程方法和开发工具方面，提出一种描述空间时序列的三维交互的描述模型的计算机辅助工程（CASE）工具，结合时序逻辑和标准UML语言实现此一开发工具。在虚拟环境应用构造方面，我们要给出一种新的虚拟制造应用的交互式软件体系结构，实现虚拟环境系统的一种具有丰富语义的静态结构和动态模型，研究虚拟环境面向交互的语义基础模型，即实现一种领域相关的语义模型作为该领域各种应用逻辑的共同容器。. 本项目的研究成果包括：虚拟环境用户意图的捕获和基于意图的虚拟环境的软件模型。 以距离计算为核心的 的感知机制和相关算法构造。自适应VR动画的机制。至此申请人给出了一套创新的虚拟环境完整的软件体系结构，解决了三维人机交互的自然和谐富于语义的问题。