某型艦用柴油機(jī)虛擬維修技術(shù)研究

袁先徳，羅運(yùn)同，王 建，謝有志

(1.海軍湛江地區(qū)裝備修理監(jiān)修室，廣東 湛江 524009;2.92854部隊(duì)，廣東湛江 524000)

0 引言

某型艦用柴油機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高，給艦員的日常管理使用和維修保障工作帶來很大難度，如何使其盡快形成戰(zhàn)斗力，是海軍目前訓(xùn)練任務(wù)的一個(gè)重要課題。傳統(tǒng)的實(shí)裝訓(xùn)練方法一方面受到裝備數(shù)量和訓(xùn)練場(chǎng)地的限制，受訓(xùn)時(shí)間和質(zhì)量難以得到保證，另一方面由于裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)昂貴，訓(xùn)練過程中需要大量的工具、零件和材料的消耗，訓(xùn)練成本非常高。因此傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法難以滿足現(xiàn)實(shí)需求。本文針對(duì)某型艦用柴油機(jī)，用計(jì)算機(jī)三維建模代替實(shí)際裝備，用虛擬維修過程代替實(shí)際維修過程，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互訓(xùn)練，提供維修決策支持。不僅能夠滿足維修任務(wù)的需要，而且為海軍裝備現(xiàn)代化維修訓(xùn)練和保障提供一定的參考，具有非常重要的軍事意義和深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 虛擬維修技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬維修技術(shù)就是借助于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中，進(jìn)行維修工程活動(dòng)。在維修實(shí)踐中，使用虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)能大大提高訓(xùn)練和維修效果，節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)，提供較為準(zhǔn)確的維修決策。因此，虛擬維修技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人工智能等新型技術(shù)與維修訓(xùn)練這一傳統(tǒng)項(xiàng)目相結(jié)合的產(chǎn)物，是裝備維修訓(xùn)練保障發(fā)展的新方向。

2 柴油機(jī)虛擬維修技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)框架的構(gòu)建

在對(duì)虛擬維修技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展情況進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)軟硬件平臺(tái)，綜合考慮各方面的條件、可實(shí)現(xiàn)性、完善性，設(shè)計(jì)某型艦用柴油機(jī)虛擬維修支持系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)基于Solidworks三維建模軟件和VB系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)，采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)，可方便快捷的瀏覽、查詢、添加和刪除設(shè)備的三維模型、工程圖、故障案例、維修標(biāo)準(zhǔn)等信息;實(shí)現(xiàn)拆裝維修的指導(dǎo)和交互操作，柴油機(jī)維修數(shù)據(jù)和備件的管理，維修決策支持等。

圖1 系統(tǒng)功能框架圖

2.2 三維模型的建立

考慮到CAD建模平臺(tái)的建模功能以及后期模型轉(zhuǎn)換的可行性和精度要求，本系統(tǒng)利用Solidworks軟件對(duì)艦船機(jī)電設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)三維建模、交互式動(dòng)畫制作及部分工程圖制作。Solidworks是基于Windows系統(tǒng)開發(fā)的三維機(jī)械CAD軟件，它以參數(shù)化特征造型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)者利用它可以進(jìn)行零件設(shè)計(jì)、曲面建模、鈑金設(shè)計(jì)、裝配體設(shè)計(jì)以及運(yùn)用Solidworks自帶插件 (高級(jí)動(dòng)畫工具Animator)制作設(shè)備的交互式動(dòng)畫。

通過三維建模，模型渲染，最后輸出3DXML文件。圖2為該型柴油機(jī)噴油器的三維模型。

圖2 噴油器三維模型

2.3 開放式數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)

本文采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)來實(shí)現(xiàn)，通過將建立的對(duì)象模型向關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式的映射，最終將對(duì)象間的關(guān)系轉(zhuǎn)化為二維表及表間關(guān)系。

該數(shù)據(jù)庫(kù)具有以下3個(gè)特點(diǎn):①具有可修改能力，以適應(yīng)設(shè)備系統(tǒng)不同壽命階段技術(shù)狀態(tài)的變化;②中立格式，數(shù)據(jù)對(duì)象的內(nèi)容和格式必須分離定義，以確保不同的顯示系統(tǒng)或其他的信息系統(tǒng)能夠共享信息資源;③標(biāo)準(zhǔn)格式，確保具有數(shù)據(jù)交換的能力。

通過Access軟件設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)柴油機(jī)每個(gè)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行編組分類排序，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)設(shè)備二維矢量圖紙、三維模型和對(duì)應(yīng)的維修決策高效管理。

由于目前所掌握的柴油機(jī)設(shè)備資料、故障維修資料有限，數(shù)據(jù)庫(kù)中難免存在著不足，因此允許用戶進(jìn)行更改和保存，在登錄權(quán)限設(shè)計(jì)上設(shè)置了2種模式:管理員模式和普通用戶模式，管理員擁有更改模型數(shù)據(jù)庫(kù)和維修資料數(shù)據(jù)庫(kù)的權(quán)限，普通用戶只能對(duì)模型進(jìn)行虛擬維修操作及維修資料的瀏覽和學(xué)習(xí)。

2.4 虛擬維修交互操作的實(shí)現(xiàn)

交互式平臺(tái)采用eDrawings軟件，這一控件在整個(gè)虛擬平臺(tái)開發(fā)過程中有著廣泛的應(yīng)用。通過它可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中二維矢量圖紙和三維模型的訪問、查看。在完成三維模型數(shù)據(jù)的導(dǎo)入后，可以對(duì)三維模型進(jìn)行相應(yīng)的處理，包括模型精度、比例、燈光、材質(zhì)等，使其按照虛擬維修操作的要求在虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中進(jìn)行腳本編譯和程序編譯，以實(shí)現(xiàn)交互式虛擬維修操作的需要。同時(shí)eDrawings軟件提供了相應(yīng)的控件，能方便地瀏覽設(shè)備三維模型，可以從對(duì)模型進(jìn)行剖視、任意方位的旋轉(zhuǎn)、放大或縮小、移動(dòng)單個(gè)零部件、測(cè)量以及透明效果觀看模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)三維模型的放大、縮小、移動(dòng)、拆卸、測(cè)量等一系列虛擬操作。

2.5 系統(tǒng)的集成和界面的開發(fā)

系統(tǒng)的集成過程中主要是通過特定的開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)將虛擬維修操作模型及數(shù)據(jù)庫(kù)等后臺(tái)程序集成到一個(gè)平臺(tái)，以方便用戶使用。

本文采用VB程序開發(fā)軟件，設(shè)計(jì)系統(tǒng)主界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)和虛擬現(xiàn)實(shí)軟件之間接口對(duì)接。該主界面包括:標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄、樹狀結(jié)構(gòu)欄、顯示窗口和狀態(tài)欄。標(biāo)題欄是用來顯示文件的標(biāo)題;菜單欄用來調(diào)用各零件的各種特征;樹狀結(jié)構(gòu)欄用來顯示零件的所屬系統(tǒng)結(jié)構(gòu);顯示窗口用來顯示當(dāng)前所選零件;狀態(tài)欄用來顯示當(dāng)前的狀態(tài);工具欄用來實(shí)現(xiàn)零件的快捷操作。

菜單欄中包括用戶管理、設(shè)備視圖、修理標(biāo)準(zhǔn)、故障處理、搶修預(yù)案、編輯、查詢、幫助、退出9個(gè)菜單。用戶管理菜單可以幫助用戶實(shí)現(xiàn)對(duì)窗口的管理功能;設(shè)備視圖中羅列出所選零件所具有的視圖屬性;修理標(biāo)準(zhǔn)菜單規(guī)定了所選零件在修理的過程中所要達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn);故障處理菜單羅列出所選零件的常見故障的解決方法;搶修預(yù)案菜單羅列出搶修方法以及注意事項(xiàng)。

工具欄中包括三維圖、工程圖、拆裝視頻、拆卸、測(cè)量、平移、還原、播放、停止、退出10個(gè)工具欄選項(xiàng)圖標(biāo)，通過這些快捷按鈕可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)的虛擬拆卸維修操作。

3 總結(jié)

某型艦用柴油機(jī)虛擬維修系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)該型柴油機(jī)設(shè)備的虛擬拆裝操作訓(xùn)練，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)拆裝過程中維修決策支持的功能，同時(shí)具備用戶權(quán)限管理功能及對(duì)虛擬維修模型和維修決策支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)更新功能，因此該系統(tǒng)具備了虛擬維修訓(xùn)練功能。同時(shí)該系統(tǒng)作為一個(gè)通用的虛擬維修保障與決策支持平臺(tái)，具有可移植性、可擴(kuò)展性、可升級(jí)性，可供其它虛擬維修保障與決策支持平臺(tái)參考使用，對(duì)促進(jìn)海軍裝備維修訓(xùn)練的發(fā)展具有重要的意義。

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