虛擬維修技術(shù)綜述

冉躍龍，閆英敏，呂秀平

（軍械工程學(xué)院 河北 石家莊 050003）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們一直在探索怎樣在虛擬的計(jì)算機(jī)世界里再現(xiàn)真實(shí)世界的現(xiàn)象及規(guī)律。這種探索的成果是喜人的，沉浸于虛擬世界中的人甚至不能區(qū)分自己到底是在哪個(gè)世界。誕生不久的虛擬維修理論更是以其巨大的經(jīng)濟(jì)、軍事及社會(huì)效益吸引著越來(lái)越多的人投身其中。虛擬維修主要涉及以下兩方面。

首先，傳統(tǒng)的維修訓(xùn)練中，對(duì)于危險(xiǎn)的，或昂貴的，或不可用于培訓(xùn)的，或僅在特定的地方才有的設(shè)備，維修訓(xùn)練難以進(jìn)行或根本無(wú)法進(jìn)行。然而，通過(guò)虛擬維修，上述問(wèn)題就迎刃而解了，受訓(xùn)人員可以在逼真的仿真環(huán)境中練習(xí)裝備的維修，熟悉維修過(guò)程，同時(shí)，不必?fù)?dān)心實(shí)際操作時(shí)發(fā)生的各種意外[1]。

其次，復(fù)雜設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要考慮其維修性，運(yùn)用虛擬維修技術(shù)，可以在產(chǎn)品的論證階段就找到其中純?cè)诘脑O(shè)計(jì)缺陷，從而避免把維修缺陷帶入最終產(chǎn)品。

文中將對(duì)虛擬維修進(jìn)行概述，介紹其設(shè)計(jì)原理與流程，并針對(duì)上述兩個(gè)方面論述其國(guó)內(nèi)外的發(fā)展研究現(xiàn)狀，最后對(duì)其未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行展望。

1 虛擬維修概述

1.1 虛擬維修的定義

虛擬維修（Virtual Maintenance，VM）最早由美國(guó)在20世紀(jì)90年代提出，1997年美國(guó)軍用手冊(cè)MIL-HDBK-470A中指出：“使用VR技術(shù)，維修性工程師可進(jìn)入到虛擬環(huán)境中，對(duì)虛擬產(chǎn)品進(jìn)行維修。這樣，部件的可達(dá)性、部件分配空間的合理性以及完成特定維修任務(wù)所需的大概時(shí)間等信息均可以借助VR技術(shù)來(lái)進(jìn)行評(píng)估[2]?！?/p>

至今，有關(guān)虛擬維修技術(shù)的應(yīng)用研究雖然已經(jīng)廣泛開(kāi)展，但仍然沒(méi)有一個(gè)確切的定義來(lái)描述它。國(guó)外有人將虛擬維修定義為使用虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)來(lái)仿真維修工作，這種定義方式只是突出了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的地位，而忽視了虛擬維修涉及的其他技術(shù)。也有人將通過(guò)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)連接來(lái)傳遞文本、聲音、圖片、視頻等信息輔助維修工作的系統(tǒng)，稱作虛擬維修系統(tǒng)。從本質(zhì)上看，這種系統(tǒng)并沒(méi)有涉及對(duì)象的維修性問(wèn)題，可以定義為一種遠(yuǎn)程維修支援系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]對(duì)虛擬維修給出如下定義：“虛擬維修是以計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為依托，在由計(jì)算機(jī)生成的、包含了產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)與維修人員三維人體模型的虛擬場(chǎng)景中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)人體模型（包括采用人在回路的方式）來(lái)完成整個(gè)維修過(guò)程仿真的綜合性應(yīng)用技術(shù)”。從此定義可以看出虛擬維修包含了維修對(duì)象、維修人員、維修工具、設(shè)備與設(shè)施，維修作業(yè)過(guò)程信息等基本要素。

1.2 虛擬維修的功能

虛擬維修應(yīng)該滿足以下幾方面的功能要求[4-5]：

1）全面逼真地反映真實(shí)的維修環(huán)境及其實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2）具有真實(shí)系統(tǒng)訓(xùn)練功能的模擬。

3）能對(duì)具體的操作步驟做出反映，提供人機(jī)交互服務(wù)。

4）能夠指導(dǎo)維修過(guò)程，并且對(duì)維修過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化。

5）能夠評(píng)估維修，對(duì)訓(xùn)練者進(jìn)行考核。

1.3 虛擬維修的組成要素及實(shí)現(xiàn)方式

虛擬維修的研究一般包含以下4種要素[4-5]：

1）虛擬維修對(duì)象。找到虛擬維修對(duì)象本質(zhì)特征，從特性上達(dá)到對(duì)維修對(duì)象的仿真。

2）實(shí)施虛擬維修的人員。結(jié)合維修人員的特點(diǎn)，確定合適的維修方案。

3）虛擬維修用到的工具、設(shè)備與設(shè)施。虛擬維修同樣受到維修工具、設(shè)備的限制。選用時(shí)應(yīng)考慮維修成本。

4）虛擬維修作業(yè)過(guò)程信息。虛擬維修必須能夠正確反映實(shí)際維修的過(guò)程，盡可能再現(xiàn)實(shí)際維修的詳細(xì)信息。

虛擬維修的實(shí)現(xiàn)方式大致分為2種[6]：

1）通過(guò)人體模型的控制來(lái)驅(qū)動(dòng)人體模型完成維修操作仿真。這種方式稱為“虛擬人員維修虛擬產(chǎn)品”，如圖1所示。

圖1 虛擬人員維修虛擬產(chǎn)品Fig.1 A virtual person maintains the virtual product

2）引入虛擬現(xiàn)實(shí)外設(shè)來(lái)控制人體模型動(dòng)作，即維修人員處于維修操作的回路之中。這屬于“真實(shí)人員維修虛擬產(chǎn)品”方式，如圖2所示。

圖2 真實(shí)人員維修虛擬產(chǎn)品Fig.2 A real person maintains the virtual product

1.4 虛擬維修的關(guān)鍵技術(shù)

1）維修過(guò)程仿真技術(shù)。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)仿真維修過(guò)程的幾何特征、物理特征、和行為特征。盡可能真實(shí)的再現(xiàn)被維修系統(tǒng)的實(shí)際工作過(guò)程，使訓(xùn)練人員獲得最好的維修信息。

2）虛擬視景生成技術(shù)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)自動(dòng)生成和維修相關(guān)的維修環(huán)境，使維修人員“沉浸”在虛擬環(huán)境中，使維修過(guò)程更加逼真。

3）人機(jī)交互技術(shù)。通過(guò)人機(jī)交互技術(shù)使訓(xùn)練人員獲得虛擬維修的效果信息。虛擬維修系統(tǒng)通過(guò)人機(jī)交互設(shè)備來(lái)響應(yīng)維修人員的維修操作，完成維修指令。

2 虛擬維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于各個(gè)研究人員對(duì)虛擬維修的理解不同，研究方向不同，提出的虛擬維修系統(tǒng)組成框架都不一樣，但是基本的設(shè)計(jì)原理是相同的，歸納其基本原理如圖3所示。組建虛擬維修系統(tǒng)，必須對(duì)裝備的維修知識(shí)、故障表示方法有一個(gè)深刻的了解。掌握了維修環(huán)境、維修過(guò)程與故障的建模技術(shù)，才能正確的對(duì)虛擬維修進(jìn)行仿真。根據(jù)對(duì)維修方案和流程的分析來(lái)設(shè)計(jì)裝備維修過(guò)程管理模塊和維修知識(shí)決策模塊，對(duì)維修過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)一管理與控制，協(xié)調(diào)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊有序運(yùn)行。虛擬維修操作者通過(guò)人機(jī)交互設(shè)備加入到虛擬維修實(shí)踐中來(lái)，提高對(duì)裝備的維修經(jīng)驗(yàn)與能力。

圖3 虛擬維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理Fig.3 Principles of system design

虛擬維修系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)步驟如下：

1）分析應(yīng)用的需求，明確仿真的開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)輸入、仿真結(jié)果輸出等信息；

2）基于基本虛擬維修系統(tǒng)的功能，選擇外圍設(shè)備以及軟件工具；

3）進(jìn)行必要的開(kāi)發(fā)工作（包括建立維修過(guò)程模型、完成模型數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換工作、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)滿足使用要求的硬件設(shè)備等）；

4）按照系統(tǒng)所要達(dá)到的功能進(jìn)行系統(tǒng)的組建，將各部分模塊集成為整體。

3 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究

美國(guó) NASA（NationalAeronauticsand SpaceAdministration）、軍方和一些高等院校、科研機(jī)構(gòu)，德國(guó)、英國(guó)、日本等軍方以及大型公司紛紛開(kāi)展有關(guān)虛擬維修的研究，取得了相當(dāng)重要的研究成果。在我國(guó)，國(guó)防科工委、國(guó)家自然科學(xué)基金委都已把虛擬維修系統(tǒng)的研究列入了研究計(jì)劃和重點(diǎn)資助項(xiàng)目，在其資助下，國(guó)內(nèi)已有一些院校和科研院所積極投入了這一領(lǐng)域的研究。目前，這一研究主要集中在制造領(lǐng)域，多數(shù)是在原來(lái)的CAD（Computer Aided Design）和仿真技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，如：裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配和拆卸、人體運(yùn)動(dòng)模型的控制等方面。而虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)仍依賴于國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)平臺(tái)和國(guó)內(nèi)應(yīng)用環(huán)境的結(jié)合[7-8]。

從80年代中后期起，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的充分發(fā)展與應(yīng)用，它在虛擬維修方面的研究獲得了巨大的成功。有關(guān)虛擬維修的研究主要涉及到兩個(gè)領(lǐng)域，一個(gè)是用于教學(xué)的維修訓(xùn)練領(lǐng)域，另一類是用于裝備研發(fā)時(shí)的維修性設(shè)計(jì)分析領(lǐng)域。

3.1 維修訓(xùn)練

利用計(jì)算機(jī)對(duì)真實(shí)訓(xùn)練過(guò)程的模擬開(kāi)展虛擬維修訓(xùn)練，可以解決訓(xùn)練器械、經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地等不足的問(wèn)題?？梢栽谛卵b備到來(lái)之前提前開(kāi)展維修訓(xùn)練。由于計(jì)算機(jī)信息傳遞的廣泛性，虛擬維修訓(xùn)練可以使維修知識(shí)得到更加廣泛和細(xì)致的傳播，并且可以到達(dá)真實(shí)訓(xùn)練不易到達(dá)的部位，訓(xùn)練效果更加明顯[9-10]。

美國(guó)哈勃望遠(yuǎn)鏡的虛擬維修訓(xùn)練堪稱虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于維修訓(xùn)練的典范。為了讓宇航員在太空中完成對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡的維修任務(wù)，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）為執(zhí)行任務(wù)的宇航員建立了虛擬的太空環(huán)境。宇航員在其中進(jìn)行了各種維修模擬，并練習(xí)在虛擬的哈勃望遠(yuǎn)鏡上安裝矯正鏡片、太陽(yáng)能電池板和陀螺儀。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練，哈勃望遠(yuǎn)鏡的維修任務(wù)于1993年12月成功完成。NASA對(duì)參加該項(xiàng)維修工作的航天飛機(jī)上工作人員進(jìn)行了廣泛的問(wèn)卷調(diào)查，反饋的信息說(shuō)明，虛擬環(huán)境對(duì)于維修任務(wù)的完成非常有效[11]。

美國(guó)聯(lián)邦航空局在意識(shí)到飛機(jī)維修保障工業(yè)的復(fù)雜性和相關(guān)人機(jī)因素的重要性后，開(kāi)展了人因?qū)W方面的相關(guān)研究。在維修保障領(lǐng)域，研究集中于飛機(jī)的檢測(cè)過(guò)程和飛機(jī)檢測(cè)人員。仿真培訓(xùn)被證明是提高飛機(jī)檢測(cè)質(zhì)量和可靠度的最基礎(chǔ)有效的手段。而仿真培訓(xùn)成功的關(guān)鍵是提供飛機(jī)檢測(cè)人員合適的培訓(xùn)工具和環(huán)境。為此，美國(guó)聯(lián)邦航空局開(kāi)發(fā)了一個(gè)用于飛機(jī)檢測(cè)人員培訓(xùn)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，并將該基于虛擬現(xiàn)實(shí)的培訓(xùn)系統(tǒng)的效果與以往的基于PC的培訓(xùn)系統(tǒng)的效果相比較。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的運(yùn)用極大的方便了各種與飛機(jī)維修保障相關(guān)的研究活動(dòng)的開(kāi)展，并加深了參加培訓(xùn)的檢測(cè)人員對(duì)工效學(xué)相關(guān)因素對(duì)檢測(cè)過(guò)程影響的理解[12]。

新加坡南洋理工大學(xué)研究開(kāi)發(fā)了V-REALISM維修培訓(xùn)系統(tǒng)，系統(tǒng)基于桌面式的虛擬現(xiàn)實(shí)，采用面向?qū)ο蟮乃枷?，以低成本建立。該系統(tǒng)并不涉及人體模型在維修仿真培訓(xùn)中的應(yīng)用，而將重點(diǎn)放在維修路徑的規(guī)劃和演示。系統(tǒng)用戶界面的布局為培訓(xùn)者提供了良好學(xué)習(xí)環(huán)境和操作方便性，上方為常用的操作菜單，左邊為結(jié)構(gòu)樹(shù)窗口，右邊為CAD模型及圖標(biāo)式的操作菜單，包含了CAD軟件最常用的一些操作；下方為系統(tǒng)產(chǎn)生的消息窗口，提供系統(tǒng)的輸出，與培訓(xùn)人員進(jìn)行交互[7]。

2006年，CAE公司從國(guó)際直升機(jī)訓(xùn)練公司（Helicopter Training Media International GmbH， HTMI）獲得一份合同，它將負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)提供給德國(guó)武裝部隊(duì)的NH90直升機(jī)虛擬維修訓(xùn)練器設(shè)計(jì)和研制工作。CAE公司將在主承包商HTMI的帶領(lǐng)下，與雷聲公司、軍事電子技術(shù)（RDE）公司和歐直公司合作，提供一種全面的維修訓(xùn)練解決方案。其中，CAE公司負(fù)責(zé)研制NH90虛擬維修訓(xùn)練器（VMT）軟件、基于仿真的維修訓(xùn)練教程、教官工作站和訓(xùn)練管理系統(tǒng)。

2011年，美國(guó)陸軍航空協(xié)會(huì)年度專業(yè)論壇和博覽會(huì)上，美軍展出了戰(zhàn)機(jī)虛擬維修系統(tǒng)。它使用包括一個(gè)三維空間觸摸屏的教學(xué)系統(tǒng)，幫助士兵學(xué)習(xí)Apache直升機(jī)故障的診斷和處理。這套系統(tǒng)式針對(duì)教學(xué)過(guò)程的，在接觸真實(shí)飛機(jī)之前，學(xué)生們可以方便的進(jìn)行各種操作。系統(tǒng)中的故障是由教師為學(xué)生設(shè)定的，讓他們運(yùn)用到學(xué)到的知識(shí)，加上指導(dǎo)，通過(guò)三維電子手冊(cè)找出來(lái)。

在我國(guó)，南京理工大學(xué)和軍械工程學(xué)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)了某型導(dǎo)彈裝備沉浸式虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、虛擬樣機(jī)技術(shù)和過(guò)程仿真技術(shù)的設(shè)計(jì)方法，在Petri網(wǎng)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了維修知識(shí)描述網(wǎng)（MKDN），用于描述沉浸式虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)仿真控制流程。同時(shí)利用AutoCAD建立了某型導(dǎo)彈裝備的三維模型，并應(yīng)用Jack軟件對(duì)虛擬維修場(chǎng)景進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該系統(tǒng)在維修步驟、維修動(dòng)作及所見(jiàn)現(xiàn)象與實(shí)際裝備上訓(xùn)練完全一致，可以借助虛擬交互設(shè)備，在視覺(jué)上獲得與在實(shí)裝上訓(xùn)練一樣的感受[13]。

軍械工程學(xué)院裝備保障工程試驗(yàn)室與石家莊市威特科技有限公司共同研制開(kāi)發(fā)的新型虛擬維修平臺(tái)——交互式桌面型虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)，現(xiàn)已在全軍進(jìn)行推廣和使用，反饋良好。交互式桌面型虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)以維修訓(xùn)練需求為牽引，以虛擬訓(xùn)練為主要技術(shù)手段，提供對(duì)機(jī)械、電子、液壓等類型裝備的構(gòu)造原理、操作使用、分解組合、檢查調(diào)整、故障診斷五類訓(xùn)練內(nèi)容的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練與考核，使得受訓(xùn)人員掌握相關(guān)維修知識(shí)與操作技能，達(dá)到近視實(shí)際訓(xùn)練的效果。此外，維修幫助可以提供常見(jiàn)維修任務(wù)的操作幫助和相關(guān)資料查詢等功能。該平臺(tái)采用了最新的虛擬維修訓(xùn)練模型體系和系統(tǒng)架構(gòu)，兼容常見(jiàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)引擎，不需要用戶編程，只需將相關(guān)維修訓(xùn)練數(shù)據(jù)聚合即可生成具體裝備的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，給用戶提供“真實(shí)”的虛擬訓(xùn)練環(huán)境。

浙江大學(xué)對(duì)分布式虛擬現(xiàn)實(shí)、虛擬裝備裝配及應(yīng)用于工效學(xué)領(lǐng)域的虛擬人體模型進(jìn)行了研究；國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究了虛擬人行走規(guī)劃方法；北京航空航天大學(xué)、北京大學(xué)、武漢大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)也都對(duì)虛擬人體模型進(jìn)行了研究，并且大都集中于工效學(xué)領(lǐng)域，主要針對(duì)維修訓(xùn)練中的具體問(wèn)題。

3.2 維修性設(shè)計(jì)分析

維修性設(shè)計(jì)分析是指產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段考慮維修的要素，盡可能使產(chǎn)品的維修省時(shí)、省力和高效[14]。通過(guò)虛擬維修技術(shù)，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)的同時(shí)模擬維修操作的過(guò)程，了解維修任務(wù)是否可行，并適時(shí)的更改設(shè)計(jì)方案。減少了裝備使用后才發(fā)現(xiàn)維修操作難以進(jìn)行再改設(shè)計(jì)方案所造成的人力、物力、資源和時(shí)間的浪費(fèi)。

1992年，英國(guó)的ARRL（先進(jìn)機(jī)器人研究實(shí)驗(yàn)室）在工業(yè)界16家企業(yè)的支持下，提出一項(xiàng)虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真計(jì)劃，首批項(xiàng)目之一就是為羅爾斯-羅伊斯公司的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)建立模型，以便在設(shè)計(jì)過(guò)程中就能評(píng)估發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)中容易出現(xiàn)的問(wèn)題。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在相對(duì)低的成本下，就可以通過(guò)視覺(jué)和實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行故障檢測(cè)和維修程序?qū)W習(xí)，而且時(shí)間比從前更快。

1995年，洛克希德馬丁戰(zhàn)斗機(jī)系統(tǒng)（LMTAS）的F-16項(xiàng)目面臨維修性和人因?qū)W方面的技術(shù)問(wèn)題，公司首先淘汰用來(lái)支持多個(gè)F-16項(xiàng)目的金屬模型，轉(zhuǎn)而利用CAD進(jìn)行維修性和人因?qū)W設(shè)計(jì)評(píng)估與驗(yàn)證，其中涉及到通過(guò)虛擬維修進(jìn)行維修性分析與人因工程分析。從經(jīng)濟(jì)角度看，飛機(jī)裝置的一次重新設(shè)計(jì)和樣式翻新所需要的金屬模型的造價(jià)就會(huì)超出一個(gè)虛擬維修系統(tǒng)的費(fèi)用。虛擬維修的其他優(yōu)勢(shì)還在于它比金屬模型更能夠縮短研制進(jìn)度。虛擬維修在F-16項(xiàng)目的首次應(yīng)用是一次挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)過(guò)程。通過(guò)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，極大地改善了維修性設(shè)計(jì)技術(shù)手段，促進(jìn)了維修性工程人員與設(shè)計(jì)人員的信息交流。該公司提出在以后的飛機(jī)維修性設(shè)計(jì)與分析中要廣泛采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[4]。

波音公司于 20世紀(jì)90年代末建立了一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，主要用于對(duì)“聯(lián)合攻擊機(jī)”（JSF）的保障性進(jìn)行評(píng)估和試驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)室可以使設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)的同時(shí)就能夠了解維修任務(wù)是否可行，在飛機(jī)設(shè)計(jì)定型之前，就可以發(fā)現(xiàn)潛在的保障性問(wèn)題。該實(shí)驗(yàn)室的建成與投入使用，提高了JSF維修人員參與到設(shè)計(jì)過(guò)程早期階段的能力，有效地避免了由于設(shè)計(jì)修改導(dǎo)致的費(fèi)用[15]。

美國(guó)空軍阿姆斯特朗實(shí)驗(yàn)室（Armstrong Lab.）與賓夕法尼亞大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的DEPTH（Design Evaluation for Personnel Training and Human Factors，人員訓(xùn)練與人素的設(shè)計(jì)評(píng)估）項(xiàng)目，是采用可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行維修與保障分析的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。該項(xiàng)目的研究主要采用數(shù)字樣機(jī)與3D人體模型技術(shù)，用以提前確定維修過(guò)程內(nèi)容與過(guò)程中的人力資源需求、生成訓(xùn)練輔助材料。通過(guò)將維修仿真結(jié)果輸入IETM（Interactive Electronic Technical Manual，交互式電子技術(shù)文檔），使其成為維修手冊(cè)與維修訓(xùn)練資料的一部分，可以實(shí)現(xiàn)在一次仿真中完成多項(xiàng)與維修相關(guān)的任務(wù)，大大地減少了以往重復(fù)性的開(kāi)發(fā)工作[5-16]。

2000年，AFRL與GE公司、Lockheed Martin公司對(duì)維護(hù)手冊(cè)的自動(dòng)化開(kāi)發(fā)方法進(jìn)行了研究。該項(xiàng)目命名為SMG（Service Manual Generation），計(jì)劃為期 3年。SMG是一種面向維修性工程的新框架。通過(guò)盡早地提供浸入感更強(qiáng)的維修過(guò)程觀察手段，SMG能夠改進(jìn)維修分析過(guò)程，使維修性工程師可以省時(shí)、高效地發(fā)現(xiàn)并排除嚴(yán)重的產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷。同時(shí)，許多以往需要人工進(jìn)行的維修、裝配數(shù)據(jù)獲取工作在此框架下可自動(dòng)完成，進(jìn)而顯著地減少了維護(hù)手冊(cè)的開(kāi)發(fā)時(shí)間與費(fèi)用[8]。

德國(guó)寶馬公司在業(yè)務(wù)流程重組 （Business Process Reengineering）中，研究了為驗(yàn)證裝配和維修過(guò)程而將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）應(yīng)用于虛擬原型（VP）所需的步驟。通過(guò)對(duì)汽車原型目前的業(yè)務(wù)流程的回顧，討論了CAD-VR的數(shù)據(jù)集成，并確定了設(shè)計(jì)質(zhì)量的最新要求。對(duì)車門(mén)等幾個(gè)新的交互式的范例（interaction paradigms）進(jìn)行了深入研究，以便工程人員和設(shè)計(jì)人員能夠更自然地對(duì)產(chǎn)品原型進(jìn)行試驗(yàn)。最后，采用用戶調(diào)查方法，對(duì)其中的一些范例和關(guān)鍵流程的虛擬原型的可接受程度和可行性進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明在不久的將來(lái)，VR技術(shù)將在VP中扮演十分重要的角色[17]。

英國(guó)索爾福德大學(xué)的虛擬環(huán)境中心基于CAD模型研發(fā)了針對(duì)大規(guī)模機(jī)械產(chǎn)品裝配、維修任務(wù)仿真和分析需求的沉浸式虛擬環(huán)境，建有設(shè)備部件之間的約束庫(kù)以此實(shí)現(xiàn)精確操作，設(shè)置維修庫(kù)以此自動(dòng)生成設(shè)備的拆裝序列，與VICON光學(xué)式動(dòng)作捕捉系統(tǒng)向結(jié)合使科研人員在設(shè)計(jì)階段就能夠切身體驗(yàn)到維修操作流程，將不可預(yù)見(jiàn)的缺陷消除在設(shè)計(jì)階段[18]。

在我國(guó)，由浙江大學(xué)CAD國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的沉浸式虛擬裝配系統(tǒng)是基于三維的輸入設(shè)備，在沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備中開(kāi)發(fā)的完全沉浸式虛擬設(shè)計(jì)與虛擬裝配環(huán)境，為應(yīng)用CAD技術(shù)研究裝備開(kāi)發(fā)全生命周期和并行工程實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)有力的支持；空軍學(xué)院研究了靈境技術(shù)在設(shè)備維修中的應(yīng)用[19]；海軍工程大學(xué)做了虛擬維修技術(shù)在軍械保障訓(xùn)練中的應(yīng)用[20]；軍械工程學(xué)院對(duì)于虛擬人、虛擬裝配以及虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景做了研究[21，22]；東北林業(yè)大學(xué)對(duì)于數(shù)控機(jī)床的虛擬訓(xùn)練和維修開(kāi)展了研究[23]；華中科技大學(xué)對(duì)于注塑機(jī)及機(jī)電產(chǎn)品的虛擬維修做了相應(yīng)研究[24，25]。這些研究都在裝備的維修保障設(shè)計(jì)分析上取得了較好的成果。

4 結(jié) 論

虛擬維修技術(shù)是一門(mén)新穎并且充滿生命力的技術(shù)，它有著強(qiáng)烈的應(yīng)用需求與發(fā)展?jié)摿Α１疚膶?duì)目前的虛擬維修技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容和國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況進(jìn)行了回顧和總結(jié)。國(guó)內(nèi)外的研究表明，虛擬維修技術(shù)能有效地提高經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。為了更加深入開(kāi)展虛擬維修工程，針對(duì)當(dāng)前的研究和應(yīng)用特點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)虛擬維修未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了以下展望：

1）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新興計(jì)算機(jī)應(yīng)用和人機(jī)交互技術(shù)。它借助光電現(xiàn)實(shí)技術(shù)、交互技術(shù)、多傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形與多媒體技術(shù)將計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境與用戶周圍的真實(shí)場(chǎng)景相融合，使用戶從感官效果上確信虛擬環(huán)境是其周圍真實(shí)場(chǎng)景的組成部分。虛擬現(xiàn)實(shí)讓用戶完全沉浸于計(jì)算機(jī)生成的虛擬環(huán)境中，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)了虛擬圖像和真實(shí)環(huán)境的無(wú)縫融合，從而可以增強(qiáng)虛擬維修的沉浸性和交互性。

2）系統(tǒng)功能多樣化、設(shè)計(jì)所需軟件開(kāi)源化。目前，國(guó)內(nèi)虛擬維修仿真系統(tǒng)基本上是通過(guò)Delmia、Jack商用軟件提供的接口進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。不僅軟件的價(jià)格昂貴，而且開(kāi)發(fā)單一性，無(wú)法滿足系統(tǒng)功能多樣化的需求。OSG（Open Scene Graph）等開(kāi)源性軟件成為了我國(guó)虛擬維修仿真技術(shù)發(fā)展的突破口，可基于此類軟件研制出具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的軟件平臺(tái)。

3）整合電路仿真功能。目前，虛擬維修領(lǐng)域中的研究主要針對(duì)裝備機(jī)械部件的拆裝進(jìn)行的，沒(méi)有涉及到裝備更加深層次的內(nèi)部電氣方面，尤其是針對(duì)電路的仿真。未來(lái)的研究方向，應(yīng)該著眼于將電路級(jí)的維修訓(xùn)練融入到虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)中，以此來(lái)完善虛擬維修系統(tǒng)，使得裝備技術(shù)人員能夠通過(guò)虛擬維修系統(tǒng)得到更加全面的培訓(xùn)。Spice是得到廣泛應(yīng)用的通用電路仿真開(kāi)源軟件，便于進(jìn)行改造與擴(kuò)展。因此，可以將Spice整合到虛擬維修系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)電路仿真功能。

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