基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈麗 杜浩 李梓 尹航 周桃

摘? 要：隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，為了彌補(bǔ)實(shí)裝訓(xùn)練的不足，裝備虛擬維修訓(xùn)練日益受到關(guān)注。該文進(jìn)行了裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的基本功能與模塊設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，并構(gòu)想了未來的發(fā)展方向，可為復(fù)雜裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)? 航天裝備? 訓(xùn)練

中圖分類號(hào)：TP37? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1672-3791（2019）03（b）-0011-03

Abstract： With the rapid development of the virtual reality technology，the shortcomings of the conventional real weapon equipments maintenance training can be remedied by adopting virtual maintenance training technology. This paper designs the basic functions and module design of equipments virtual maintenance training system，and reviews the significance and development status of virtual maintenance based on VR technology.And the end of the paper，we imagine the development direction of this system using in military. On the basis of above results，the system framework is designed，which can be used for the development of all kinds of equipment virtual maintenance training systems.

Key Words： VR; Aerospace Equipment; Training

故障排除和裝備維修是裝備保障中的一個(gè)重要內(nèi)容，特別是當(dāng)裝備在野外作戰(zhàn)時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)故障的快速診斷和維修對(duì)于保持作戰(zhàn)能力至關(guān)重要。目前的方法是制定維修操作手冊(cè)，供使用人員查閱參考，但這種方法存在資料查詢不方便、無法提供實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)式幫助、操作實(shí)物成本高、延誤作戰(zhàn)時(shí)機(jī)等缺陷;而采用實(shí)際裝備進(jìn)行維修操作訓(xùn)練又容易對(duì)裝備帶來不必要的損耗，且難以覆蓋某些精密、貴重儀器設(shè)備的維修。利用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)預(yù)先開展虛擬維修訓(xùn)練，以實(shí)景顯示的形式，提升使用人員的維修水平，可以有效地解決這些問題。

1? 虛擬維修技術(shù)研究現(xiàn)狀

虛擬維修技術(shù)將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)與VR技術(shù)結(jié)合，主要應(yīng)用于產(chǎn)品維修性設(shè)計(jì)、維修流程規(guī)劃、維修操作訓(xùn)練、維修仿真驗(yàn)證，通過構(gòu)建沉浸式、交互式的虛擬維修環(huán)境，使用戶能直觀地開展操作。在一些難操作或者容易發(fā)生危險(xiǎn)的項(xiàng)目操作前，事先進(jìn)行虛擬訓(xùn)練可以大幅度降低維修風(fēng)險(xiǎn)。虛擬維修突破了設(shè)備維修在時(shí)間、空間上的制約，可逼真展現(xiàn)設(shè)備的檢驗(yàn)、分解、裝配、故障診斷、更換、修理等操作;通過仿真操作過程，還能為規(guī)劃維修任務(wù)、配置保障人員、選擇修理工具、確定拆卸順序、預(yù)留維修空間和預(yù)計(jì)保障費(fèi)用等提供輔助決策[1]。

虛擬維修在國(guó)外起步較早，通過多年發(fā)展及實(shí)踐檢驗(yàn)，取得了很大的成果。例如，在哈勃太空望遠(yuǎn)鏡升空不久，NASA就發(fā)現(xiàn)其光學(xué)系統(tǒng)故障，無法完成預(yù)定功能，由于太空裝備的修理存在技術(shù)難度及一次成敗問題，美國(guó)預(yù)先利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建了一個(gè)模擬維修平臺(tái)，在該平臺(tái)上供維修人員進(jìn)行預(yù)先模擬維修活動(dòng)，在地面進(jìn)行充分的訓(xùn)練之后成功完成了太空修理任務(wù)。虛擬維修技術(shù)在美國(guó)F-16、C-130、F-22等飛機(jī)的維修訓(xùn)練中得以應(yīng)用[2]。中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心在2013年搭建了一個(gè)航天員太空協(xié)同操作訓(xùn)練仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能支持多名航天員模擬太空協(xié)同操作訓(xùn)練任務(wù)[3]。

2? 功能需求分析

利用VR技術(shù)創(chuàng)建維修訓(xùn)練虛擬環(huán)境，通過對(duì)虛擬裝備進(jìn)行排故訓(xùn)練、拆裝訓(xùn)練和測(cè)試訓(xùn)練，掌握裝備維修的原理及操作過程，與實(shí)裝訓(xùn)練相比，具有降低訓(xùn)練費(fèi)用、縮短訓(xùn)練時(shí)間、豐富訓(xùn)練種類、實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練考核等特點(diǎn)[4]。

基本功能需求分析如下：

（1）通過仿真產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品及真實(shí)維修場(chǎng)景的虛擬再現(xiàn)。

（2）實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練人員在不同仿真場(chǎng)景中的虛擬漫游。

（3）實(shí)現(xiàn)對(duì)于虛擬產(chǎn)品的拆卸、裝配等交互操作。

（4）對(duì)訓(xùn)練人員的操作過程進(jìn)行判斷并以日志記錄。

（5）實(shí)現(xiàn)對(duì)于訓(xùn)練人員的故障設(shè)置。

（6）在指定模式下可實(shí)現(xiàn)對(duì)操作原理的實(shí)時(shí)顯示。

（7）實(shí)現(xiàn)維修人員數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)，知識(shí)數(shù)據(jù)、路徑規(guī)劃數(shù)據(jù)等信息管理。

（8）支持教學(xué)、自學(xué)、考核等多種訓(xùn)練模式。

另外，裝備的維修由用戶自主開展是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，受專業(yè)知識(shí)、維修工具、備品備件的限制，用戶方從事較為復(fù)雜的維修工作往往存在難度，新裝備的研制過程中也在向簡(jiǎn)化用戶操作的趨勢(shì)發(fā)展。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還必須考慮以下需求：

（1）人機(jī)交互簡(jiǎn)單，界面顯示簡(jiǎn)潔。

（2）重點(diǎn)關(guān)注在用戶層面開展的關(guān)鍵維修操作，需返廠維修的項(xiàng)目不訓(xùn)練。

（3）仿真的裝配關(guān)系必須與實(shí)際裝備一致。

（4）仿真維修操作流程必須與實(shí)際裝備一致。

3? 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)框架

采用MVC的開發(fā)模式，將系統(tǒng)設(shè)為模型層、視圖層、控制層3層架構(gòu)，降低各模塊之間的耦合聯(lián)系，做成一個(gè)通用的、產(chǎn)品化的、可適用于多種裝備的維修訓(xùn)練系統(tǒng)。如圖1所示為虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的基本框架。

模型層用來管理系統(tǒng)中用到的各種數(shù)據(jù)，如三維模型、維修流程、故障數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、知識(shí)數(shù)據(jù)等;視圖層主要是執(zhí)行人機(jī)交互操作，維修人員可直觀獲取裝備模型圖、維修過程及原理，開展訓(xùn)練操作;控制層作為視圖層及模型層之間的數(shù)據(jù)傳輸交換接口，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它接收從視圖層發(fā)來的訓(xùn)練指令，判斷要執(zhí)行的動(dòng)作，執(zhí)行指令，調(diào)用模型層中數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)零部件模型讀取、訓(xùn)練過程記錄及訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)計(jì)算，最終將訓(xùn)練結(jié)果提交到視圖層，并對(duì)模型層數(shù)據(jù)的修改進(jìn)行存儲(chǔ)更新。

3.2 軟硬件模塊設(shè)計(jì)

在確定系統(tǒng)需求及總體框架后，將功能實(shí)現(xiàn)分為虛擬場(chǎng)景構(gòu)建、維修操作仿真、輔助維修、信息管理等4個(gè)功能模塊。各功能模塊之間的交換關(guān)系如圖2所示。

3.2.1 虛擬場(chǎng)景構(gòu)建模塊

該模塊是整個(gè)系統(tǒng)中最基本的模塊，用來演示裝備系統(tǒng)、分系統(tǒng)、子系統(tǒng)、單機(jī)及零部組件的三維視圖。訓(xùn)練過程中通過簡(jiǎn)單的手勢(shì)操作，可實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景中維修人員視角的轉(zhuǎn)換以及虛擬場(chǎng)景視野的縮放。

3.2.2 維修操作仿真模塊

通過操作界面接收操作指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)維修設(shè)備三維模型的操作，如模型整體或者部分零部件的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放。

為滿足不同種類訓(xùn)練需求，主要分為3種操作模式：在教學(xué)模式下能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)拆裝功能，按照步驟向維修人員演示正確連續(xù)的拆卸、更換、裝配過程。自學(xué)模式下，系統(tǒng)通過流程式的引導(dǎo)和提示，幫助維修人員完成自主學(xué)習(xí)。當(dāng)維修操作順序錯(cuò)誤時(shí)，無法進(jìn)行到后續(xù)步驟，系統(tǒng)給出錯(cuò)誤信息?？己四Ｊ较拢S修人員可隨意進(jìn)行維修操作，系統(tǒng)后臺(tái)記錄維修過程，利用一定的考核算法實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練科目評(píng)估。

3.2.3 輔助維修模塊

在進(jìn)行訓(xùn)練之前，操作人員通過選擇故障庫中的不同故障類型，實(shí)現(xiàn)故障機(jī)理的深層學(xué)習(xí)，系統(tǒng)可提供當(dāng)前或者即將進(jìn)行的拆裝步驟信息及當(dāng)前零部件原理，流程化地實(shí)現(xiàn)輔助維修訓(xùn)練。

3.2.4 信息管理模塊

實(shí)現(xiàn)維修人員信息、故障數(shù)據(jù)，拆裝序列規(guī)劃和移動(dòng)路徑規(guī)劃等信息管理。維修人員信息的管理包括人員單位、所屬部門、訓(xùn)練科目、訓(xùn)練成績(jī)等。故障數(shù)據(jù)維護(hù)包括裝備的故障庫的增刪改查，并可根據(jù)考核的需要設(shè)置故障數(shù)據(jù)。拆裝序列規(guī)劃即根據(jù)維修手冊(cè)規(guī)范，確定產(chǎn)品拆裝先后順序，生成與實(shí)際相符的動(dòng)作序列。移動(dòng)路徑規(guī)劃，即拆裝過程中產(chǎn)品的移動(dòng)路線，應(yīng)盡量避免在零部件移動(dòng)過程中發(fā)生遮擋、穿透、重疊等問題。

系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件如圖3所示。

3.3 數(shù)據(jù)庫內(nèi)容設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫分為人員信息管理、故障信息管理、設(shè)備信息管理、拆裝序列與路徑規(guī)劃管理、維修信息管理5部分。

人員信息管理包括參訓(xùn)單位表、人員信息表、角色分配表、權(quán)限分配表，并設(shè)定三員管理，管控人員權(quán)限信息。

故障信息管理包括故障基本信息表、故障現(xiàn)象表、故障原理表、故障處理流程表，管理員對(duì)該表中的故障基本信息，以及該故障導(dǎo)致的現(xiàn)象進(jìn)行維護(hù)。

設(shè)備信息管理包括設(shè)備分層產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表、設(shè)備名稱表、設(shè)備初始化角度和位置表等。

拆裝序列與路徑規(guī)劃管理包括拆裝故障對(duì)應(yīng)的拆裝序列和序列所對(duì)應(yīng)的零部件的路徑規(guī)劃表。

維修信息管理包括教學(xué)科目表、自學(xué)訓(xùn)練信息表、考核過程表和成績(jī)?cè)u(píng)估表等，用來對(duì)維修人員在系統(tǒng)中的演示、訓(xùn)練和考核信息進(jìn)行管理。

4? 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 三維模型優(yōu)化處理技術(shù)

虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)必備的基本資源包括人體模型庫、動(dòng)作姿態(tài)庫、維修部件庫和維修工具庫。為了場(chǎng)景的逼真直觀，這些三維模型為了從各個(gè)角度詳細(xì)查看模型細(xì)節(jié)，將嚴(yán)重降低場(chǎng)景中三維模型的渲染速度。在確保模型數(shù)量及完整性為優(yōu)先考量的基礎(chǔ)上，為了提高渲染速度，對(duì)三維模型進(jìn)行優(yōu)化處理是虛擬場(chǎng)景構(gòu)建時(shí)應(yīng)該考慮的關(guān)鍵問題。

4.2 拆裝碰撞檢測(cè)技術(shù)

系統(tǒng)擁有大量關(guān)系緊密的零部件，拆裝過程的訓(xùn)練對(duì)于碰撞檢測(cè)的要求也就更高，不僅需要有碰撞檢測(cè)功能，還不能過于影響仿真系統(tǒng)的運(yùn)行速度?？梢韵炔捎媒茩z測(cè)排除明顯不相交的物體，然后再對(duì)可能發(fā)生碰撞的物體進(jìn)行精確檢測(cè)，看其是否發(fā)生了碰撞，若發(fā)生碰撞的話再計(jì)算出發(fā)生碰撞的位置，為了訓(xùn)練的真實(shí)性，還應(yīng)有碰撞后的碰撞響應(yīng)。

5? 未來軍事領(lǐng)域可研方向分析

5.1 滿足協(xié)同訓(xùn)練需求，構(gòu)建虛擬協(xié)同維修訓(xùn)練系統(tǒng)

目前已經(jīng)應(yīng)用的虛擬維修系統(tǒng)大多還是局限于單人的訓(xùn)練或者分布式仿真維修。單人的維修模式滿足不了大型裝備維修的實(shí)際需求;而分布式虛擬維修雖可實(shí)現(xiàn)多人對(duì)同一維修活動(dòng)的共享，但沒有考慮多人協(xié)作操作。大型裝備的維修為一項(xiàng)協(xié)同工作，不能把多人協(xié)同的維修理解為單人維修的簡(jiǎn)單擴(kuò)展。從協(xié)作角度出發(fā)，構(gòu)建大型裝備的協(xié)同虛擬維修系統(tǒng)，是一個(gè)需要研究的領(lǐng)域。

5.2 滿足資源共享需求，構(gòu)建虛擬維修訓(xùn)練云仿真平臺(tái)

現(xiàn)有基于HLA的分布式虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)任務(wù)和設(shè)備耦合緊密，仿真效率低下，維護(hù)起來存在難度;仿真資源僅限于短距離范圍內(nèi)的共享，利用率不高[5]。以云計(jì)算及云仿真理念，構(gòu)建一套虛擬維修訓(xùn)練云仿真平臺(tái)，將分散的武器裝備訓(xùn)練資源、仿真資源等集中到一個(gè)大型的數(shù)據(jù)中心。平臺(tái)可將裝備虛擬維修訓(xùn)練仿真資源以云模式共享，實(shí)現(xiàn)人員對(duì)各類資源的安全按需調(diào)用、不同地點(diǎn)多用戶按需協(xié)同互操作，滿足大范圍分布式維修訓(xùn)練仿真需求。

6? 結(jié)語

利用虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，維修人員可以實(shí)現(xiàn)維修過程的重現(xiàn)，對(duì)難操作項(xiàng)目進(jìn)行反復(fù)操作，在完成任務(wù)后可以對(duì)維修過程進(jìn)行評(píng)估，為實(shí)際操作打下良好的基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的維修訓(xùn)練方式相比，虛擬維修訓(xùn)練既有效降低了成本，同時(shí)也大大地提高了訓(xùn)練效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉佳，劉毅.虛擬維修技術(shù)發(fā)展綜述[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2009，21（11）：1519-1534.

[2] 高博，黃昉，侯春牧.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在美軍實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練中的應(yīng)用及啟示[J].國(guó)防科技，2014，35（2）：94-96.

[3] 趙博，劉鳳財(cái)，向彩霞.航空航天虛擬裝配和虛擬維修進(jìn)展綜述[J].導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，2016（5）：53-57.

[4] 耿朝陽，劉德明.武器裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)試，2014（1）：7-9.

[5] 朱東方，蘇群星，劉鵬遠(yuǎn).裝備分布式虛擬維修訓(xùn)練云仿真關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013（10）：2778-2782.①作者簡(jiǎn)介：賈麗（1989—），女，漢族，河北衡水人，碩士，工程師，研究方向：綜合保障總體設(shè)計(jì)。