裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)綜述

摘 要：由于傳統(tǒng)的裝備維修訓(xùn)練方法和手段已不能適應(yīng)當(dāng)前裝備發(fā)展的需要，而利用虛擬維修技術(shù)開發(fā)的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)能很好地解決這一矛盾。本文從虛擬維修技術(shù)入手，首先闡述了開發(fā)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的意義，而后提出了虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)滿足的要求和虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的組成部分，最后介紹了虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：裝備維修；虛擬維修技術(shù)；虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP391.9

裝備維修是裝備保障的重要組成部分，是裝備保持戰(zhàn)斗力的關(guān)鍵。當(dāng)前，裝備呈現(xiàn)出集成化高、技術(shù)先進(jìn)和價(jià)格昂貴等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的采用真人修真物的維修訓(xùn)練方法很容易造成裝備的人為故障，并且受訓(xùn)人員和用于維修訓(xùn)練裝備的數(shù)量比例差距也較大，因此這樣的訓(xùn)練方法顯然已不能滿足當(dāng)前裝備維修訓(xùn)練的需要。因此，迫切需要從維修訓(xùn)練的方法和手段上進(jìn)行創(chuàng)新，開發(fā)能夠滿足裝備維修訓(xùn)練需求，符合當(dāng)前實(shí)際的維修訓(xùn)練方法和手段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，基于虛擬維修技術(shù)的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)可以為我們提供很好的解決辦法。虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)能培養(yǎng)基層部隊(duì)的裝備自主維修訓(xùn)練能力，促進(jìn)基層部隊(duì)維修保障能力的快速形成。

1 虛擬維修技術(shù)

虛擬維修技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)構(gòu)建包含裝備的虛擬維修場(chǎng)景，為受訓(xùn)人員提供一個(gè)虛擬的維修時(shí)空，使受訓(xùn)人員能夠“修到”裝備。這種方法突破了時(shí)空的限制，能夠真實(shí)展現(xiàn)裝備的結(jié)構(gòu)和故障排除過(guò)程。虛擬維修技術(shù)通過(guò)模擬維修過(guò)程，能測(cè)算裝備的維修時(shí)間、預(yù)估裝備維修作業(yè)的空間、預(yù)計(jì)裝備維修的費(fèi)用，還能使受訓(xùn)人員熟悉所需維修工具、熟悉裝備拆卸順序。

2 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)

虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)是利用虛擬維修技術(shù)創(chuàng)建的裝備虛擬維修環(huán)境進(jìn)行訓(xùn)練的系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中受訓(xùn)人員能夠沉浸在虛擬的環(huán)境中，通過(guò)外部交互設(shè)備對(duì)虛擬維修環(huán)境中的虛擬裝備進(jìn)行分解、結(jié)合和故障排除作業(yè)，并記錄其維修訓(xùn)練的步驟，最后還能評(píng)估維修訓(xùn)練的效果。通過(guò)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練使受訓(xùn)人員了解裝備的構(gòu)造原理和掌握裝備的維修技能，從而實(shí)現(xiàn)如同在實(shí)裝上進(jìn)行維修訓(xùn)練的效果。針對(duì)目前各型復(fù)雜武器裝備，開發(fā)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)具有如下重要意義：（1）可以解決受訓(xùn)人員和用于維修訓(xùn)練裝備的數(shù)量比例懸殊的矛盾；（2）可以排除人為造成的裝備故障；（3）可以減少訓(xùn)練費(fèi)用，縮短訓(xùn)練時(shí)間；（4）可以使部隊(duì)提前形成裝備維修能力；（5）可以對(duì)受訓(xùn)人員提供維修指導(dǎo)和維修效果反饋。

為達(dá)到裝備維修訓(xùn)練的目的與要求，虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：（1）盡量真實(shí)地反映維修環(huán)境和維修過(guò)程；（2）能模擬真實(shí)裝備的功能；（3）能對(duì)受訓(xùn)人員作出的維修動(dòng)作進(jìn)行反饋；（4）能夠指導(dǎo)維修過(guò)程；（5）能夠優(yōu)化維修過(guò)程；（6）能夠?qū)κ苡?xùn)人員進(jìn)行考核。

為達(dá)到上述要求，裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)至少應(yīng)由以下四個(gè)部分組成。（1）原理結(jié)構(gòu)。在這個(gè)部分，受訓(xùn)人員能夠通過(guò)視頻、音頻、文字等手段對(duì)裝備的原理進(jìn)行學(xué)習(xí)。另外該部分還能展示裝備的外部結(jié)構(gòu)和透視圖；（2）拆裝訓(xùn)練。該部分主要訓(xùn)練受訓(xùn)人員對(duì)裝備分系統(tǒng)或者零部件的正確分解結(jié)合，這當(dāng)中又可以細(xì)分為自動(dòng)的分解結(jié)合、帶有引導(dǎo)的分解結(jié)合和考核性的分解結(jié)合；（3）故障排除。該部分要能演示裝備常見的故障現(xiàn)象，指導(dǎo)受訓(xùn)人員找到故障原因并排除故障；（4）評(píng)估考核。該部分能對(duì)受訓(xùn)人員的整個(gè)維修過(guò)程進(jìn)行評(píng)估，能夠記錄受訓(xùn)人員的錯(cuò)誤操作，并給出正確的指導(dǎo)，從而起到提高和考核受訓(xùn)人員的作用。

3 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 三維模型構(gòu)建技術(shù)。虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)需要根據(jù)真實(shí)裝備和環(huán)境構(gòu)建三維模型，通過(guò)對(duì)三維模型進(jìn)行初始化設(shè)置，從而搭建虛擬維修環(huán)境和虛擬維修場(chǎng)景，使受訓(xùn)人員能夠在逼真的環(huán)境下完成維修訓(xùn)練過(guò)程。在虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)中，一般需要維修的三維實(shí)體模型都是利用各種建模軟件事先構(gòu)建好的，為了在具體開發(fā)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境中應(yīng)用，需要將不同格式的三維模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，利用視景驅(qū)動(dòng)軟件中的插件導(dǎo)入不同格式的三維模型，從而完成場(chǎng)景構(gòu)建。但是三維模型構(gòu)建的精細(xì)程度和三維模型的渲染速度是一個(gè)矛盾，這就需要在構(gòu)建三維模型時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，既要保證模型的完整度和精細(xì)程度，又能兼顧虛擬場(chǎng)景中三維模型的渲染速度。

3.2 交互技術(shù)。虛擬維修環(huán)境中的交互任務(wù)主要包括目標(biāo)模型的選擇、操縱及控制。這些任務(wù)需要通過(guò)一定的交互設(shè)備來(lái)完成。最簡(jiǎn)單的交互設(shè)備就是鍵盤和鼠標(biāo)，比如通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊完成三維實(shí)體模型的選取、運(yùn)動(dòng)和釋放等操作，通過(guò)鍵盤事件完成一些既定任務(wù)的快速演示等。受訓(xùn)人員能夠通過(guò)交互技術(shù)獲得虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的效果信息，而虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)也能通過(guò)交互技術(shù)對(duì)維修人員的操作做出響應(yīng)，完成動(dòng)作。

3.3 碰撞檢測(cè)技術(shù)。碰撞檢測(cè)是任何虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)都必須要解決的重要問(wèn)題。要想使創(chuàng)建的虛擬環(huán)境盡量逼真，就必須要考慮某一零部件三維模型在虛擬場(chǎng)景中移動(dòng)時(shí)與其他三維模型發(fā)生碰撞的情況。當(dāng)碰撞發(fā)生時(shí)，三維模型之間不能發(fā)生互相穿透的現(xiàn)象，只能與真實(shí)情況一致，也就是發(fā)生碰撞的三維模型應(yīng)另外選擇路徑。因此，在開發(fā)虛擬維修系統(tǒng)時(shí)，需要考慮到每一個(gè)可以移動(dòng)的零部件三維模型的碰撞檢測(cè)功能，從而使系統(tǒng)更加完善。

3.4 腳本封裝技術(shù)。目前開發(fā)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的軟件很多，其中法國(guó)達(dá)索公司的Virtools是一個(gè)應(yīng)用較為普遍的軟件，在Virtools中對(duì)三維模型的控制和管理是通過(guò)編輯交互動(dòng)作腳本來(lái)完成的。由于系統(tǒng)中零部件的動(dòng)作有很多相似甚至相同之處，為了提高開發(fā)效率，通常我們希望將已編輯好的交互動(dòng)作腳本能夠移植到其他地方。而傳統(tǒng)的腳本封裝方式導(dǎo)入的新腳本后，很多參數(shù)及邏輯連線會(huì)出現(xiàn)缺失現(xiàn)象。但是為了保證封裝腳本功能一致，我們不得不重新檢查涉及的所有行為控制模塊組、連線和參數(shù)，以恢復(fù)腳本模塊功能。如果很多個(gè)交互控制腳本都需要做這樣的修改工作，將會(huì)大大降低系統(tǒng)的開發(fā)效率。究其原因，變量的快捷方式、行為邏輯連線及參數(shù)缺失是由于參數(shù)未保存至腳本行為圖中所致，因此，封裝腳本不但需要構(gòu)建行為圖，還要對(duì)行為圖做封裝處理，也就是對(duì)其參數(shù)進(jìn)行封裝處理。為了保證行為圖中的所有行為控制模塊始終有參數(shù)指向，保存過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)缺失現(xiàn)象，應(yīng)該將參數(shù)封裝到行為圖上，而具體參數(shù)的設(shè)置封裝至行為圖的外部，其初始化工作在行為圖外部完成，即行為圖內(nèi)部參數(shù)只需連接到行為圖的參數(shù)輸入端，不需要設(shè)置具體參數(shù)，進(jìn)而完成行為圖的封裝。這樣的封裝方式大大提高了虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬維修技術(shù)開發(fā)的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，能生動(dòng)、形象、直觀地展示裝備的原理、結(jié)構(gòu)、分解結(jié)合步驟和故障排除過(guò)程，并能指導(dǎo)維修人員進(jìn)行訓(xùn)練，使受訓(xùn)人員能夠達(dá)到在實(shí)裝上進(jìn)行維修訓(xùn)練的效果，這是今后裝備維修訓(xùn)練發(fā)展的趨勢(shì)。

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作者單位：四川大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610065；防空兵學(xué)院 指揮控制系，鄭州 450052；中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院基礎(chǔ)部，鄭州 450000；鄭州電力高等?？茖W(xué)校 電力工程系，鄭州 450000