通用艦船裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)研究

朱曉軍，彭 飛，閔少松

(海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033)

0 前言

艦船維修是作戰(zhàn)艦船的重要技術(shù)保障。通過對(duì)艦船進(jìn)行及時(shí)而有效的維修，能使艦船在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)戰(zhàn)斗能力，而要實(shí)現(xiàn)快速有效的維修，就離不開技能嫻熟、具有豐富維修經(jīng)驗(yàn)的維修人員。因此，針對(duì)維修人員的維修技能培訓(xùn)是提高艦船裝備技術(shù)保障能力的重要途徑。目前的維修訓(xùn)練方式主要是由學(xué)員在實(shí)裝或?qū)ｉT為特定的裝備建立的實(shí)物模型或仿真模型上進(jìn)行實(shí)際維修操作的方式。這種訓(xùn)練方式的好處是受訓(xùn)人員可以真實(shí)的使用實(shí)際裝備，對(duì)維修工作有一個(gè)很直觀的認(rèn)識(shí)，但是，隨著海軍現(xiàn)代化的加速和裝備復(fù)雜程度的提高這種訓(xùn)練方式也暴露出諸多缺點(diǎn)，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:①艦船裝備的種類變得越來越多，培訓(xùn)設(shè)施無法適應(yīng)每一種裝備;②艦船裝備更新周期越來越短，原有的訓(xùn)練方式無法跟上更新;③裝備維修培訓(xùn)中心通常都是被限制在某一個(gè)地點(diǎn);④維修培訓(xùn)效果有限，維修培訓(xùn)專家資源有限;⑤艦船裝備的生產(chǎn)費(fèi)用昂貴，基于實(shí)裝的訓(xùn)練會(huì)造成裝備損壞。

因此，針對(duì)以上問題，迫切需要一種現(xiàn)代化的培訓(xùn)和訓(xùn)練手段來解決目前存在的問題，而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行維修仿真是一種目前最有效的替代方法。虛擬維修訓(xùn)練是以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)的硬件設(shè)備為培訓(xùn)手段，為復(fù)雜裝備的維修訓(xùn)練建立起一個(gè)維修的仿真環(huán)境，它可有效的解決裝備操作、維修訓(xùn)練中的“性能”，“安全”和“成本”問題，一旦建立起該平臺(tái)，就可以通過不斷開發(fā)升級(jí)各種裝備的相應(yīng)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)一次投資、多方受益。

關(guān)于虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，國外多家研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行過研究，如洛克希德·馬丁公司和GE公司共同建立了一個(gè)用于美軍F－16戰(zhàn)斗機(jī)和C130運(yùn)輸機(jī)維修訓(xùn)練的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，并同時(shí)應(yīng)用到了F－22和聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī) (JSF)X－33的研制過程中，用于檢驗(yàn)維修性問題［1］。在國內(nèi)，北京航空航天大學(xué)，以楊宇航為首的研究小組應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立了基于虛擬樣機(jī)的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)［2］。皮興忠和何嘉武則分別提出了一種通用的虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)的架構(gòu)［3－4］。王國輝和趙育良分別針對(duì)具體的裝備研制了虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)［5－6］。

本文針對(duì)艦船裝備的特點(diǎn)，主要敘述了一種面向艦船裝備的通用虛擬維修訓(xùn)練開發(fā)平臺(tái)軟件SVMTP。SVMTP提供合理的體系結(jié)構(gòu)、交互仿真處理機(jī)制、開發(fā)接口等，它用一種規(guī)范的通用概念模型來描述不同的虛擬維修訓(xùn)練應(yīng)用;可以方便的輔助用戶針對(duì)具體的裝備快速完成虛擬維修應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。

1 SVMTP概述

SVMTP的設(shè)計(jì)目標(biāo)是支持不同艦船虛擬維修訓(xùn)練應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的通用軟件平臺(tái)。圖1所示是SVMTP的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖，從圖1中可以看出，SVMTP是在成熟的應(yīng)用開發(fā)工具庫的基礎(chǔ)上，結(jié)合自定義工具庫進(jìn)行構(gòu)建的，它屏蔽和封裝了各種工具軟件的功能實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，依靠抽象的概念模型、體系結(jié)構(gòu)、各模塊之間的接口及運(yùn)行機(jī)制等功能來幫助用戶快速完成一個(gè)具體VR應(yīng)用的開發(fā)。

圖1 SVMTP層次圖

根據(jù)多種虛擬維修訓(xùn)練的的需求分析，SVMTP設(shè)計(jì)為具有如下主要功能，功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.1 仿真功能

1)增強(qiáng)的交互功能。多種典型的VR交互方式都可以采用，如虛擬手勢識(shí)別、三維菜單等。當(dāng)用于雙手抓取物體時(shí)，用戶必須仍然能夠有一種方式向計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，這時(shí)候就可以采用語音識(shí)別來完成。

2)系統(tǒng)可視化配置功能。SVMTP系統(tǒng)提供可視化配置工具，可進(jìn)行仿真環(huán)境配置、交互式硬件設(shè)備參數(shù)配置、虛擬維修訓(xùn)練方案配置、維修操作幫助信息配置等等。

3)模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能。能夠?qū)⒍喾N格式的艦船裝備模型導(dǎo)入到系統(tǒng)中，縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間。

圖2 SVMTP功能結(jié)構(gòu)圖

1.2 維修訓(xùn)練功能

1)培訓(xùn)方案定制功能。系統(tǒng)可按照培訓(xùn)目標(biāo)和受訓(xùn)者個(gè)人信息 (熟練程度)建立個(gè)性化的培訓(xùn)方案。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，可將一個(gè)復(fù)雜的培訓(xùn)目標(biāo)進(jìn)行分解，用對(duì)應(yīng)的目標(biāo)樹來表示，然后建立培訓(xùn)任務(wù)到培訓(xùn)目標(biāo)的映射關(guān)系，用培訓(xùn)任務(wù)和培訓(xùn)目標(biāo)狀態(tài)形成模型，系統(tǒng)依據(jù)模型數(shù)據(jù)來生成定制的培訓(xùn)方案。

2)維修培訓(xùn)方案模板?？山⒚嫦蚺嘤?xùn)任務(wù)的培訓(xùn)劇本模型。為減少培訓(xùn)劇本模型和分析的復(fù)雜性，對(duì)于每一個(gè)任務(wù)，可以構(gòu)造對(duì)應(yīng)的培訓(xùn)劇本。

3)訓(xùn)練效果評(píng)估功能。系統(tǒng)可用于維修操作人員的考核、評(píng)比和維修訓(xùn)練、戰(zhàn)場搶修的質(zhì)量評(píng)估以及戰(zhàn)時(shí)修理力量的效能評(píng)估，為決策提供可靠依據(jù)。

4)維修操作輔助提示功能。在虛擬維修訓(xùn)練中，該模塊能使用文字或聲音，實(shí)時(shí)的對(duì)受訓(xùn)人員的誤操作進(jìn)行提醒。

5)培訓(xùn)文檔輸出功能。如果某一個(gè)特定的培訓(xùn)任務(wù)不能完成，那么其原因應(yīng)該能夠由系統(tǒng)分析出來，同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行歸檔記錄，在受訓(xùn)者進(jìn)行拆卸裝備的操作過程中，每一個(gè)部件的路徑都應(yīng)該能夠被記錄和編輯，被保存的數(shù)據(jù)還可以被回放。

1.3 擴(kuò)展功能

系統(tǒng)可通過組裝和維修的虛擬模擬，來開發(fā)最優(yōu)的生產(chǎn)流程和反饋出產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的隱患，為維修性、可靠性設(shè)計(jì)提供及時(shí)可靠的信息和可行的建議，使得產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)成為現(xiàn)實(shí)。

2 SVMTP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由以上需求可知，系統(tǒng)可以由接口模塊、虛擬模型對(duì)象庫、維修過程模型庫、維修任務(wù)計(jì)劃模型庫、任務(wù)在線輔助模塊、任務(wù)評(píng)估模塊和仿真模塊組成。圖3是SVMTP的各組成模塊之間的關(guān)系圖。

圖3 SVMTP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖3可以看到，SVMTP系統(tǒng)中的核心模塊是維修任務(wù)計(jì)劃模型庫和維修過程模型庫。

1)維修任務(wù)計(jì)劃模型庫。此模塊負(fù)責(zé)為受訓(xùn)者形成虛擬培訓(xùn)方案。為了生成合適并且能夠完全達(dá)到培訓(xùn)目標(biāo)的培訓(xùn)計(jì)劃，可以使用決策表來表示從培訓(xùn)目標(biāo) (子目標(biāo))到培訓(xùn)任務(wù)的一個(gè)映射。所有的培訓(xùn)目標(biāo)都帶有復(fù)雜層次信息，同時(shí)培訓(xùn)任務(wù)也帶有任務(wù)復(fù)雜層次信息，這兩個(gè)部分組合成一個(gè)目標(biāo)——任務(wù)決策表。每一個(gè)任務(wù)的復(fù)雜層次數(shù)值用于幫助進(jìn)一步唯一的確定問題狀態(tài)，使其滿足受訓(xùn)者培訓(xùn)需求。根據(jù)受訓(xùn)人員的熟練程度，制定不同的培訓(xùn)目標(biāo)，然后形成培訓(xùn)目標(biāo)——任務(wù)決策模型庫，利用模型庫，可以方便的對(duì)受訓(xùn)人員的培訓(xùn)過程進(jìn)行控制，使其達(dá)到培訓(xùn)目標(biāo)的要求。

2)維修過程控制模型。維修過程模型庫則用于在受訓(xùn)者操作過程中對(duì)操作流程進(jìn)行控制，為了控制復(fù)雜的維修過程，表示各種不同的復(fù)雜維修任務(wù)，將相關(guān)的過程分解為基本的任務(wù)元素，清晰的定義任務(wù)之間的相互關(guān)系是非常重要的。同樣，在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，需要確定一個(gè)具有靈活的任務(wù)關(guān)系的結(jié)構(gòu)，以便于在系統(tǒng)中進(jìn)行快速的修改，重新定義。這個(gè)過程可以用Petri網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)，利用Petri網(wǎng)，可以有效的表示一系列基本的維修任務(wù)和條件，并在裝配拆卸過程中執(zhí)行它［3］。

3 SVMTP的主流程

圖4是SVMTP主流程示意圖，可以方便地支持不同維修訓(xùn)練應(yīng)用的開發(fā)。

圖4 SVMTP應(yīng)用程序開發(fā)流程圖

各步驟的主要功能介紹如下。

Pre－Initialize:預(yù)初始化，為系統(tǒng)正常運(yùn)行初始化底層環(huán)境;執(zhí)行Performer的初始化操作配置3D圖形運(yùn)行環(huán)境，設(shè)置路徑等。

Load:讀取配置文件，配置文件包括虛擬場景配置、維修培訓(xùn)計(jì)劃方案、維修過程Petri網(wǎng)等初始化數(shù)據(jù)，Load過程中也可直接編碼生成自己的特殊對(duì)象。

Initialize:初始化過程，系統(tǒng)依據(jù)配置文件生成系統(tǒng)的場景靜態(tài)結(jié)構(gòu)和維修計(jì)劃、維修過程的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，各子系統(tǒng)及其內(nèi)部對(duì)象，利用系統(tǒng)的思想，建立各子系統(tǒng)對(duì)象之間的各種聯(lián)系，形成整體，為具體的仿真作準(zhǔn)備。

Update:依據(jù)用戶輸入數(shù)據(jù)和維修計(jì)劃數(shù)據(jù)、維修過程Petri網(wǎng)數(shù)據(jù)在虛擬環(huán)境中完成一個(gè)仿真步驟。SVMTP將循環(huán)執(zhí)行Update過程，直到接收到退出的命令。

Clean:完成仿真任務(wù)后，清理運(yùn)行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，重置系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為下一輪的仿真做好了準(zhǔn)備。

4 基于SVMTP的開發(fā)實(shí)例

本文針對(duì)船用減速齒輪箱的維修培訓(xùn)過程，利用SVMTP建立了一個(gè)基本的虛擬環(huán)境下的維修訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效的幫助學(xué)員在拆裝過程中進(jìn)一步觀察了解減速器的各零部件的結(jié)構(gòu)、相互間配合的性質(zhì)、零件的精度要求、定位尺寸、裝配關(guān)系及齒輪、軸承潤滑、冷卻的方式及潤滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布置;輸出、輸入軸與箱體間的密封裝置及軸承工作間隙調(diào)整方法及結(jié)構(gòu)等。

5 結(jié)束語

目前SVMTP功能不夠完善，仍需大量的工作進(jìn)行完善和實(shí)例驗(yàn)證，其中關(guān)于維修過程控制模型主要是由Petri網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)，但當(dāng)訓(xùn)練任務(wù)復(fù)雜時(shí)，模型將變得非常復(fù)雜，不利于進(jìn)行分析，因此下一階段的研究方向就是利用結(jié)構(gòu)化層次化思想簡化Petri模型，使其更適用于培訓(xùn)任務(wù)描述的需要。

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