武器裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

梅朝，舒濤，宋濤，張衛(wèi)東

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051）

武器裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

梅朝，舒濤，宋濤，張衛(wèi)東

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安710051）

針對大型武器裝備實(shí)裝訓(xùn)練成本高，受場地天氣影響大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于unity驅(qū)動(dòng)引擎的武器裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)。場景模塊采用3DMAX建模，并對虛擬對象設(shè)置復(fù)合碰撞器，完成對虛擬場景的構(gòu)建；戰(zhàn)技勤操作模塊中，先對操作步驟分類，結(jié)合Petri網(wǎng)條件—事件模型，解決了虛擬環(huán)境下裝備操作的標(biāo)準(zhǔn)流程生成問題；拆裝訓(xùn)練模塊中，采用割集法，結(jié)合單一約束解除原理，解決了虛擬拆裝訓(xùn)練中拆裝序列的生成問題；提出了基于層次分析法的橫向評價(jià)模型和基于GAHP法的縱向評價(jià)模型，增強(qiáng)了對用戶訓(xùn)練效果評價(jià)的全面性，并實(shí)現(xiàn)了縱向自適應(yīng)評價(jià)；在系統(tǒng)中增加了半實(shí)物故障排除模塊的設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)缺少此模塊的問題。

虛擬訓(xùn)練，標(biāo)準(zhǔn)操作流程，割集法，灰色層次分析法

0　引言

隨著軍事信息化進(jìn)程不斷加快，大型軍事裝備不斷涌現(xiàn)，裝備的數(shù)字化、虛擬化需求日益增加，尤其在飛機(jī)［1］、導(dǎo)彈的虛擬維修訓(xùn)練中。國內(nèi)軍械工程學(xué)院的劉鵬遠(yuǎn)、張錫恩等人研制了基于EON-HLA和Vega開發(fā)工具的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)［2］，海軍航空工程學(xué)院的孫連明等人開發(fā)了基于Web的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)［3］，北京航空航天大學(xué)的楊宇航等人開發(fā)了基于數(shù)據(jù)手套的沉浸式虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)［4］，但沉浸式虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)代價(jià)太大，而國內(nèi)的很多桌面式虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)缺乏故障排除模塊，缺乏對用戶的使用訓(xùn)練進(jìn)行全面打分評價(jià)方法。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以局域網(wǎng)方式進(jìn)行信息傳遞，進(jìn)行教學(xué)時(shí)，用戶端計(jì)算機(jī)受主機(jī)調(diào)控，用戶端與主機(jī)保持信息同步；進(jìn)行戰(zhàn)技勤操作時(shí)，用戶端計(jì)算機(jī)作為不同操作手的協(xié)同操作平臺(tái)，共同完成所選操作任務(wù)；在進(jìn)行故障排除時(shí)，主機(jī)通過登陸后臺(tái)進(jìn)行故障設(shè)置，用戶端通過故障排除模塊內(nèi)置故障診斷算法進(jìn)行故障診斷定位和故障排除。原理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)原理圖

平臺(tái)層：仿真系統(tǒng)以高性能工作站為虛擬仿真主機(jī)，以Windows XP操作系統(tǒng)計(jì)算機(jī)作為操作系客戶端，客戶端在Pentium Dual-Core CPU E5700 3.0GHZ處理器，2G內(nèi)存以上平臺(tái)上運(yùn)行，軟件環(huán)境為VisualStudo6.0。

任務(wù)層：在接收訓(xùn)練任務(wù)后，主機(jī)與操作席之間采用TCP/UDP通信協(xié)議，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與用戶端計(jì)算機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)通信，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的任務(wù)列表，確定訓(xùn)練任務(wù)。

應(yīng)用層：系統(tǒng)具備武器原理知識(shí)學(xué)習(xí)模塊、戰(zhàn)勤操作模塊、技勤操作模塊、故障排除模塊4個(gè)功能應(yīng)用模塊。

軟件支持層：系統(tǒng)采用3DMAX軟件進(jìn)行三維場景建模，unity游戲引擎軟件驅(qū)動(dòng)場景，驅(qū)動(dòng)腳本用C語言編寫，系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)、邏輯列表在MySQL數(shù)據(jù)庫管理軟件中存儲(chǔ)調(diào)用。

界面層：用戶完成訓(xùn)練使用任務(wù)后，系統(tǒng)對操作進(jìn)行評價(jià)，并將評價(jià)結(jié)果顯示在操作界面中，供使用者進(jìn)行總結(jié)和提高。

2　各功能模塊關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)

武器裝備虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要由場景建模模塊、戰(zhàn)技勤操作模塊、拆裝訓(xùn)練模塊、故障排除模塊、使用評估模塊構(gòu)成。

2.1場景建模模塊

場景建模分為靜態(tài)建模和功能建模。靜態(tài)建模主要解決逼真和兼容問題，由于3dmax軟件建模功能全面，尤其對復(fù)雜非規(guī)則物體的建模，其綜合多邊形、放樣、NURBS等建模方法得到的效果較CAD、SolidWorks、Pro/E更精確逼真，且無需借助第三方軟件包導(dǎo)入貼圖，同時(shí)max文件與三維引擎unity導(dǎo)入轉(zhuǎn)換和兼容性好［5］，能很好地解決三維建模軟件與三維引擎驅(qū)動(dòng)軟件的互通問題，故采用3dmax作為三維靜態(tài)建模軟件。

功能建模主要是物理屬性設(shè)置和碰撞檢測，unity中提供了軸向包圍盒（AABB）、基于網(wǎng)格和復(fù)合方式的3種碰撞器，AABB法碰撞測試簡單，但包圍盒緊密性差，網(wǎng)格法在對象均勻分布時(shí)檢測效率高，當(dāng)對象距離近且多時(shí)，需對網(wǎng)格進(jìn)一步劃分，效率明顯降低。碰撞檢測主要通過碰撞器（Collider）和觸發(fā)器（檢視面板中的Is Trigger勾選項(xiàng)）的設(shè)置實(shí)現(xiàn)，碰撞器設(shè)置時(shí)，根據(jù)對象的空間分布和功能用途選擇不同類型的碰撞器，針對對象分布均勻的系統(tǒng)，采用網(wǎng)格碰撞器，而針對對象較多的局部，如零件的拆裝，則采用AABB碰撞器。以系統(tǒng)中人與位置三維模型及碰撞盒的碰撞設(shè)置實(shí)現(xiàn)為例，用3DMAX軟件對操作手和車體進(jìn)行三維建模，當(dāng)人完成位置移動(dòng)，到達(dá)指定位置后進(jìn)行爬梯子操作時(shí)，對人和所要到達(dá)的位置設(shè)置AABB碰撞器，如圖2所示。

圖2　三維場景中人與位置碰撞盒設(shè)置圖

結(jié)果表明，當(dāng)人到達(dá)爬梯子的位置時(shí)，虛擬人碰撞器與位置碰撞器被觸發(fā)，系統(tǒng)顯示人順利到達(dá)爬梯子的正確位置，虛擬人包圍盒所占空間雖然與虛擬人之間存在空隙，但對人與位置碰撞器觸發(fā)影響不大，不影響人到達(dá)位置與否的判斷。

2.2戰(zhàn)技勤操作模塊

2.2.1標(biāo)準(zhǔn)操作流程生成原理

操作員在進(jìn)行某項(xiàng)操作任務(wù)時(shí)，為判斷其操作是否正確，必須與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)操作流程進(jìn)行對比，并在系統(tǒng)中提示操作是否正確。

對于某項(xiàng)具體操作，可用式（1）表示：

其中B為操作具體步驟，Z為步驟間的協(xié)同關(guān)系。

每個(gè)具體操作步驟包含4個(gè)基本信息，用式（2）表示：

其中No為直接操作的對象集合，Nw為非直接操作對象的集合，h為完成某一個(gè)操作的操作員，m為操作要達(dá)到的目的。

若將標(biāo)準(zhǔn)操作流程進(jìn)行步驟劃分，對于武器裝備操作，應(yīng)滿足如下原則：

①每一步操作只對系統(tǒng)中某一個(gè)對象展開，即每一步操作中，No只包含一個(gè)元素。

②直接操作對象與非直接操作對象集合之間沒有交集，不存在一個(gè)具體操作中，某個(gè)對象既是直接操作對象，也是非直接操作對象，即：

操作步驟間構(gòu)成條件—事件關(guān)系，即后一個(gè)操作是在前一個(gè)操作完成的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此，本系統(tǒng)通過改進(jìn)Petri網(wǎng)中的條件—事件模型系統(tǒng)對操作步驟進(jìn)行描述［6］，庫所S視為條件集，表示前一個(gè)步驟結(jié)束的狀態(tài)和后一個(gè)步驟開始的條件，用圓表示；變遷T視為事件集，表示具體裝備操作步驟的發(fā)生，用方框表示。

在條件—事件模型中，存在3種結(jié)構(gòu)，順序結(jié)構(gòu)、并行結(jié)構(gòu)和沖突結(jié)構(gòu)。

順序結(jié)構(gòu)中，一個(gè)條件引發(fā)一個(gè)事件，則在框圖中，庫所S和變遷T交替連接展開：

圖3　順序結(jié)構(gòu)示意圖

并行結(jié)構(gòu)中，前一個(gè)事件可能作為下兩個(gè)事件的條件，一個(gè)條件也可能是兩個(gè)事件發(fā)生后才具備的：

圖4　并行結(jié)構(gòu)示意圖

沖突結(jié)構(gòu)中，一個(gè)條件對應(yīng)多個(gè)事件，兩個(gè)變遷同時(shí)爭奪一個(gè)庫所中的資源，庫所中的資源不夠，一些變遷無法從庫所中獲得資源：

圖5　沖突結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2車體調(diào)平操作標(biāo)準(zhǔn)流程生成的實(shí)現(xiàn)

通過查詢操作教令，按照操作步驟間的條件—事件關(guān)系，得到調(diào)平操作的Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6　調(diào)平操作Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

然后將Petri網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖按照操作步驟時(shí)間的先后順序，用方框代表操作步驟序號，得到時(shí)間軸上的簡明操作時(shí)序標(biāo)準(zhǔn)流程，如圖7所示。

圖7　調(diào)平操作時(shí)序圖

從系統(tǒng)操作結(jié)果來看，當(dāng)出現(xiàn)錯(cuò)誤操作時(shí)，如在步驟1之前先進(jìn)行步驟2操作，系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)，并提示請先進(jìn)行步驟1操作；當(dāng)操作員1、2、3協(xié)同完成11、13、14操作時(shí)，根據(jù)時(shí)序圖，必須3人協(xié)同同時(shí)完成才算操作最接近標(biāo)準(zhǔn)，但實(shí)際操作不可能同時(shí)完成，因此，系統(tǒng)設(shè)置3個(gè)操作的時(shí)間差不能超過0.5 s，當(dāng)超過該時(shí)間差，系統(tǒng)顯示操作不協(xié)同。

表1　標(biāo)準(zhǔn)操作流程步驟分解表

2.3拆裝訓(xùn)練模塊

拆裝訓(xùn)練是用戶了解裝備結(jié)構(gòu)、拆裝原理，進(jìn)行拆裝維修、部件更換、故障排除的基礎(chǔ)，而拆裝維修訓(xùn)練涉及到拆解順序、部件移動(dòng)過程中的碰撞檢測問題，是典型的“白箱”操作。要完成拆裝，系統(tǒng)首先要生成拆裝序列，用戶在拆裝序列的提示下進(jìn)行拆裝。

2.3.1拆裝序列生成原理

拆裝訓(xùn)練模塊的核心是拆裝序列的生成，即零件拆裝的順序，EVMTS主要涉及兩類拆裝，整體拆裝和目標(biāo)拆裝。整體拆裝主要用于進(jìn)行結(jié)構(gòu)原理學(xué)習(xí)訓(xùn)練，裝備定期拆裝維修；目標(biāo)拆裝主要用于某個(gè)具體零件的維修更換。在進(jìn)行拆裝序列規(guī)劃時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，確定如下原則：

①一次操作只能解除零件之間的一個(gè)約束。當(dāng)一個(gè)零件與多個(gè)零件間存在約束關(guān)系時(shí)，該零件一般被死死限制，如果強(qiáng)行進(jìn)行拆解，容易對零件造成損壞，需將外圍約束依次解開后，再對該零件與其他零件的約束進(jìn)行解除，如圖8所示。

②拆裝步驟最少原則。每個(gè)拆裝步驟的拆裝序列生成可能不唯一，考慮到操作時(shí)間短，步驟簡單，

圖8　拆裝約束解除

拆裝序列對應(yīng)的操作步驟數(shù)要盡量少。

整體拆裝序列生成采用基于割集法的單一約束解除法［7］。假定有向裝配體聯(lián)接關(guān)系為：

其中V表示拆裝體零部件的集合，E表示零部件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系集合。若集合B可以分解為兩個(gè)各自聯(lián)通的有向子集：

且滿足：

則將被分割的關(guān)聯(lián)集合稱為拆裝體的一個(gè)拆裝割集，用Ecut表示：

每次分割只能解除一種約束，每一個(gè)割集對應(yīng)一個(gè)分割，將聯(lián)接關(guān)系圖分成兩部分，去除生成的不連通的部分，然后將每個(gè)拆卸操作得到的兩個(gè)子拆卸體作為與或圖中的節(jié)點(diǎn)，并將子拆卸體與其他子拆卸體相連，就可以得到與或圖表示的拆裝序列。

2.3.2軸承架拆裝序列生成實(shí)現(xiàn)

以裝備中傳動(dòng)齒輪軸承架局部拆裝為例，對軸承架局部三維模型構(gòu)件進(jìn)行編號（1～11），按照上文單一約束割集法原理，去除偽割集后，得到拆卸序列對應(yīng)的拆卸分割與或圖，如下頁圖9。按拆卸序列在系統(tǒng)中進(jìn)行操作，得到其拆卸后的三維零件拆卸圖如圖10。

從虛擬拆裝結(jié)果來看，整個(gè)拆裝序列的生成對應(yīng)10個(gè)割集Ecut，按照單一約束解除原則，10個(gè)割集對應(yīng)10個(gè)拆卸步驟，在系統(tǒng)操作過程中，沒有發(fā)生零件的碰撞和穿透，沒有損壞性拆解，拆卸步驟數(shù)較少，拆卸效果好；如果不按照單一約束解除原則，雖然可以減少拆裝步驟，但可能在拆解過程中發(fā)生破壞性拆解，與實(shí)際拆卸要求不符。

2.4使用評價(jià)模塊

評價(jià)模塊是對用戶學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、操作效果的直觀反映，主要涉及戰(zhàn)技勤操作、拆裝維修、故障排除的考核評估。比武考核時(shí)，評估主要橫向展開，一次操作決定參加比武考核選手成績的高低對比，而對于某一位用戶的多次訓(xùn)練考評，不僅要考慮到本次訓(xùn)練成績的好壞，還應(yīng)對用戶本次操作和歷史操作的成績進(jìn)行縱向比較，評估訓(xùn)練水平是否有提升，因此，必須進(jìn)行縱向評價(jià)。

圖9　軸承架拆卸序列圖

圖10　軸承架三維拆卸圖

對于橫向評價(jià)，可以看作一種靜態(tài)評價(jià)，對所有用戶在同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行評估打分，采用層次分析法（AHP）［8］。在戰(zhàn)技操作中，以幾名操作員組成的小組方式進(jìn)行，以操作完成時(shí)間，操作錯(cuò)誤次數(shù)，操作員的協(xié)同配合（以操作員間協(xié)同動(dòng)作的時(shí)間差衡量）作為評價(jià)指標(biāo)；在拆裝維修操作評價(jià)中，操作以個(gè)人方式進(jìn)行，以操作完成時(shí)間，操作錯(cuò)誤次數(shù)，拆裝路徑與標(biāo)準(zhǔn)路徑的偏差作為評價(jià)指標(biāo)；故障排除評價(jià)中，以故障是否排除、故障定位錯(cuò)誤次數(shù)、故障定位時(shí)間、排除故障時(shí)間作為評價(jià)指標(biāo)。

對于縱向評價(jià)，可以看成一種動(dòng)態(tài)評價(jià)，采用灰色層次分析法（GAHP）［9］，具體步驟為：

①建立評估對象（上文所述評價(jià)指標(biāo)）的遞階層次結(jié)構(gòu)。

②根據(jù)簡易表格法，由專家或評估者對上下層指標(biāo)間關(guān)系進(jìn)行填表，計(jì)算評估指標(biāo)體系底層元素的組合權(quán)重。

③求評估指標(biāo)值矩陣（采用用戶的最近3次歷史成績、標(biāo)準(zhǔn)參考成績和當(dāng)次操作成績值），通過白化權(quán)函數(shù)法確定評估灰類。

④計(jì)算灰色評估系數(shù)、灰色評估權(quán)向量和權(quán)矩陣。

⑤進(jìn)行不同指標(biāo)評估和綜合評估。

綜合比較用戶的最近兩次歷史成績、標(biāo)準(zhǔn)參考成績和當(dāng)次操作成績，對各項(xiàng)指標(biāo)和總成績進(jìn)行對比排序，實(shí)現(xiàn)對用戶的縱向自適應(yīng)評價(jià)。

2.5故障排除模塊

針對當(dāng)前大多數(shù)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)缺乏故障排除模塊的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了一種半實(shí)物的故障排除模塊，該模塊采用兩級模式，考官通過管理員權(quán)限登陸后，在后臺(tái)設(shè)置虛擬故障或在半實(shí)物板塊上設(shè)置半實(shí)物故障，在半實(shí)物模塊面板或虛擬面板中就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)故障現(xiàn)象，例如指示燈不亮或顯示異常等，用戶根據(jù)故障現(xiàn)象，對故障進(jìn)行判斷、定位、排除。系統(tǒng)中內(nèi)置了《裝備故障匯編手冊》，并嵌入了一種針對幾種典型故障的模糊故障診斷算法［10］，用戶通過綜合故障現(xiàn)象，對故障特征進(jìn)行提取分析，對指標(biāo)模糊數(shù)據(jù)化，輸入算法數(shù)據(jù)錄入模塊，得到系統(tǒng)提供的故障診斷結(jié)果，綜合故障匯編手冊和系統(tǒng)算法，進(jìn)行故障定位，如果故障是半實(shí)物版模擬，則在半實(shí)物板塊上進(jìn)行故障定位排除操作，否則，只需輸入故障排除方法，供系統(tǒng)進(jìn)行評判，應(yīng)用上文的評價(jià)方法，對故障排除操作進(jìn)行評價(jià)，如圖11所示。

圖11　故障排除流程圖

3　結(jié)論

本文提出了桌面式多功能虛擬維修訓(xùn)練和排故系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。將學(xué)習(xí)、教學(xué)、虛擬維修、虛擬訓(xùn)練、虛擬和半實(shí)物排故功能集于一體，克服了虛擬訓(xùn)練模擬器功能單一的問題。系統(tǒng)采用桌面式開發(fā)方案，運(yùn)行平臺(tái)需求低，開發(fā)成本低，開發(fā)周期短，具有應(yīng)用性好，功能全面，可推廣性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)中具有重要指導(dǎo)意義。但隨著武器裝備的不斷發(fā)展，面對日益復(fù)雜，結(jié)構(gòu)日益精良，操作沉浸性日益增強(qiáng)的武器裝備，本系統(tǒng)在沉浸性，碰撞檢測等關(guān)鍵技術(shù)，軟件開發(fā)和硬件設(shè)備等方面需進(jìn)一步研究。

［1］劉鋇鋇，田凌，楊宇航，等.航空虛擬維修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2011，27（11）：2324-2332.

［2］方傳磊，蘇群星，劉鵬遠(yuǎn)，等.導(dǎo)彈裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)通用平臺(tái)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2009，35（2）：274-276.

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［9］郭齊勝，郅志剛，楊瑞平，等.裝備效能評論概論［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

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Design of EquipmentVirtualM aintenance Training System

MEIZhao，SHUTao，SONGTao，ZHANGWei-dong
（School of Air and Missile Defense，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

To improve the hard situation of high operational cost and easily affectes by venue or weather during the practical training.A new EVMTS system is designed based on unity engine driven. Using 3DMAX tomodel and give composite Collider to virtual objects to establish the virtual scene；in tactical ground operation module，first steps for classification of operations，then combining Petri net to solve the virtual environment standard operating procedure generating problem；in disassembling training module，based on the cut set method，combined with a single constraint release principle to solve the virtual assembly sequence generating problem；put forward the method of longitudinal evaluation based on GAHPmethod to realize the longitudinal adaptive evaluation；add the hardware in the loop fault eliminationmodule to fill the gaps.

virtual training，standard operation procedures，method of cutset，GAHPmethod

TP391.9

A

1002-0640（2016）09-0151-05

2015-07-05

2015-08-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（61273156）

梅朝（1991-），男，湖北咸寧人，碩士。研究方向：武器裝備虛擬訓(xùn)練。