基于3DPDF技术的制造业IETM应用研究
在制造业产品全生命周期中，随着产品设计的复杂化，技术人员需要获取越来越多的信息来保障使用与维修等活动的顺利完成。技术手册作为传递这些技术信息的载体，必须具备快速、准确、跨空间、以人性化方式显示的功能，而现有的纸质技术手册已经远远不能满足涵盖3D信息的技术手册数字化的要求。交互式电子技术手册(Interactive Electronic Technical Manual，IETM)的出现很好地满足了这种需求，已经成为产品操作、维修及训练的重要辅助工具。
PDF是一种低成本的IETM实施方案，这种应用具有深入加工处理过程和技术实现的低成本优势，提高了未来与训练和维护系统的整合能力。3DPDF技术是指交互式3D与PDF相结合，以PDF格式的终端显示形式呈现在用户面前。目前基于3DPDF的IETM处于概念性研究阶段，市场上还没有成功实施的案例。本文将介绍基于3DPDF技术的交互式电子技术手册的创建过程。
1 基于3DPDF技术的IETM研究现状
交互式3D是指3D动画、仿真和虚拟现实技术，实现产品系统部件的装配、分解、拆卸和安装程序的可视化。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。PDF中的3D主要是基于U3D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。开发以PDF为终端显示格式的交互式电子技术手册，具有十分重要的意义。
国内开发的交互式电子技术手册基本上是基于SGML或XML的第三级IETM，并且都需要安装专门的阅览器才能使用，较高的第四级和第五级IETM开发很少。而基于3DPDF技术的产品交互式电子技术手册尚未发现成功实施的案例。国外的交互式电子技术手册应用较早，技术成熟，已经成为产品操作、维修及训练的重要辅助工具。然而基于3DPDF的IETM概念刚提出不久，应用较少，还处于概念性研究阶段，如欧洲空客的EDS公司为美国陆军开发的Stryker坦克交互式电子技术手册系统。
2 基于3DPDF的交互式电子技术手册信息架构
信息架构是一个整理信息和调节信息系统与使用者需求的过程，主要是要将信息变成一个经过组织、归类以及具有浏览体系的组合结构。产品交互式电子技术手册总体结构可分为产品操作手册模块、产品训练手册模块、产品修理和故障检测手册模块、产品管理模块等。产品IETM中的信息可以分为描述性信息、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。信息数据包括文字、表格、图像、工程图形、声音、视频、动画、3D等多种形式。
基于3DPDF技术的制造业产品交互式电子技术手册信息架构主要是将含有CAD数据的产品信息划分为许多信息对象，将其作为基本信息单元存储在数据库中，相互关联的信息数据按照一定的结构组织和标准进行存储，以PDF为终端的表现形式，直观高效地将技术信息呈现出来。
3 基于界面认知模型的交互式电子技术手册界面分析
3.1交互式电子技术手册界面认知模型
认知包括感知与注意、知识表示、记忆与学习、语言、问题求解和推理等方面。建立交互式电子技术手册界面认知模型，目的是为了从某些方面探索和研究交互式电子技术手册用户的思维机制，特别是使用者的信息处理机制、设计体系结构和技术方法。通过多媒体界面给用户提供具体的对象，从具体对象、内容中让学习者归纳出抽象的概念或原理，或用模拟系统来引导出抽象的原理。尽可能利用数字、图解、动画、色彩及3D等对象显示原理或抽象的概念，突出人机交互，尽量启发用户的积极思维和参与，并激起用户的学习和创造欲望。考虑用户的个别差异，使用用户语言。
3.2交互式电子技术手册界面分析
交互式电子技术手册一方面强调信息的快速检索，另一方面也强调信息呈现的易于理解，以提高产品的使用与维修效率，降低对技术人员的训练要求。欧洲航空航天协会的S1000D技术规范和美国陆军的MIL-PRF-87268A规范都对交互式电子技术手册的界面进行了相关描述。将3DPDF技术引入交互式电子技术手册中，以形象化的界面与使用者进行交互，可以有效地降低成本，有利于交互式电子技术手册的应用推广。
PDF可以作为交互式电子技术手册的一种终端显示形式，如图1所示。图中顶层为显示层，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范层，确保内容的有效性；底层为数据层。
4 基于3DPDF的产品交互式电子技术手册系统开发
4.1交互式电子技术手册系统开发软件平台
基于3DPDF的产品交互式电子技术手册系统开发软件平台主要包括Acrobat 3D和Deep Exploration。此外，用户界面设计需要使用CorelDraw软件平台，动画制作需要用到3DS MAX软件平台。
Acrobat 3D是Adobe公司开发的一款PDF编辑软件，支持嵌入式3D模型。通过使用模板Acrobat 3D几乎可以将任何CAD文件转换为PDF文档，如CATIA、NX、JT、SolidWorks、Pro/E、Inventor等。
Deep Exploration是Right Hemisphere公司出品的一款功能强大的3D文件转换工具，可以轻松地进行创建和传递可视化产品，快速且轻松地变换、标著作者、发布二维和三维产品的图形和文件，使用现有的工程CAD系统进行设计，数据处理，还有其他的数据内容。
4.2产品交互式电子技术手册系统开发
4.2.1关键技术开发
完整的产品交互式电子技术手册系统开发流程是：制作单页形式的PDF文档，嵌入3D信息及其他的相关技术资料，以数据库的形式对应到操作、维修和训练3个模块，制作相应的技术手册，根据用户的特点及各种应用环境的不同来设置各种交互并进行界面设计，最后分别用PDF形式显示在各种使用终端上，如PMA等。
具体来说，首先进行信息架构分析，将产品的各种技术信息分类汇总，进行组织再加工。然后在Deep Exploration平台中进行交互式动画设计、观看视图设置、爆炸动画设计、产品零部件拆卸动画设计、PMI信息设置等。完成后按照PDF模板的形式将文件导出，在Acrobat 3D中进行编辑。Acrobat 3D平台可以对导出的PDF文件进行编辑，以多种形式添加产品技术信息，如音频、视频、动画、文字、图片、图标等，然后对交互式电子技术手册进行界面设计。
4.2.2界面设计
产品交互式电子技术手册用户界面设计分为2个步骤：首先由CorelDraw设计主界面，以图片的形式导入Acrobat 3D中作为背景界面；然后在此基础上设计添加局部功能界面，Acrobat 3D平台支持图层功能，能够为PDF提供图层特征。一般的产品交互式电子技术手册用户界面应当具备导航、视图和零件列表、多媒体等功能。附加的效果可以通过JavaScript编程实现。设计过程中应当参考S1000D和MIL-PRF-87268A规范，对产品交互式电子技术手册的通用内容、交互功能、格式要求、风格统一等进行设计。
5 系统原型
以齿轮减速器为例，笔者建立了基于3DPDF的交互式电子技术手册概念模型，如图2、图3、图4所示。
5.1 IETM导航功能
通过在交互式电子技术手册中设置热点链接触发装配步骤的演示，页面的跳转，零部件显示，渲染模式的改变，视图的转换等。
5.2 IETM视图和零件列表功能
在交互式电子技术手册中预设了若干个视图，包括正视图、侧视图、左视图、右视图、后视图以及特殊角度的视图等。此外，零件列表涵盖了设备中的主要零部件，通过点击列表中的零件名称即可实时显示对应的三维模型。
5.3 IETM多媒体功能
交互式电子技术手册中插入的视频、动画、声音极大地促进了维修信息的传递，提高了维修的效率。
5.4 IETM中的JavaScript编程
PDF文件中的3D注释对应于JavaScript解释程序。通过执行存在于PDF文件中的代码获得特定的3D注释。该函数调用会被发送到注释，于是嵌入在3D注释中的代码被执行，通过代码调用，实现产品的某些动作或者执行一段动画。
5.5 IETM界面设计
用户界面是由Photoshop设计并导入Adobe Acrobat Professional中制作的，该软件支持图层功能，能够为PDF提供图层特征。界面中设计了逃生舱模式，便于用户返回首页。
6 结束语
交互式电子技术手册可以提高产品全生命周期过程的效率，使用户更快、更准确地接收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3DPDF技术的优势与可行性，结合3DPDF技术对齿轮减速器IETM进行了初步的开发。国内交互式电子技术手册的应用正处在快速发展阶段，立足国情，大力发展基于3DPDF的交互式电子技术手册具有十分重要的现实意义。
