面向復(fù)雜裝備維修的虛擬現(xiàn)實(shí)集成平臺(tái)

華錢(qián)鋒，屠 立

（浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)中心，浙江 杭州 310053）

傳統(tǒng)的結(jié)合實(shí)裝復(fù)雜裝備維修訓(xùn)練方式，存在裝備快速服役難以提供實(shí)踐訓(xùn)練樣機(jī)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝備故障現(xiàn)象抽象和故障檢測(cè)訓(xùn)練缺失、維修操作限于分解結(jié)合、訓(xùn)練效率低下、成本高企等不足，因此亟需利用虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)技術(shù)以探索新型的、智能的復(fù)雜裝備維修訓(xùn)練方法、技術(shù)手段和實(shí)踐模式。

1 復(fù)雜裝備維修的虛擬現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)

面向復(fù)雜裝備維修的虛擬現(xiàn)實(shí)集成平臺(tái)，主要包括復(fù)雜裝備虛擬維修集成教學(xué)平臺(tái)共享云教學(xué)資源挖掘提取技術(shù)、人機(jī)交互多情景跟隨融合技術(shù)、多元學(xué)習(xí)與訓(xùn)練策略設(shè)計(jì)技術(shù)、案例重構(gòu)與多向反饋評(píng)估方法、集成化教學(xué)平臺(tái)構(gòu)建等。

1.1 虛擬維修集成平臺(tái)共享云資源挖掘提取技術(shù)[1-2]

（1）共享性虛擬樣機(jī)模型構(gòu)建技術(shù)

針對(duì)裝備數(shù)字化模型中的裝配關(guān)系、約束關(guān)系表達(dá)，提取數(shù)字化幾何模型的拓?fù)湫畔⒑凸こ陶Z(yǔ)義，與面片模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)和映射，改進(jìn)虛擬樣機(jī)模型；對(duì)虛擬樣機(jī)幾何模型添加紋理、材質(zhì)等細(xì)節(jié)信息進(jìn)行渲染；通過(guò)支持虛擬維修活動(dòng)過(guò)程的空間、時(shí)間、自由度約束等運(yùn)動(dòng)屬性特性和物理屬性特性分析，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景虛擬環(huán)境中裝備樣機(jī)模型運(yùn)動(dòng)和物理屬性的抽象表達(dá)。

（2）面向共享推送的裝備虛擬維修知識(shí)挖掘方法分析虛擬維修知識(shí)和故障表達(dá)方法，對(duì)維修任務(wù)知識(shí)進(jìn)行描述，研究順序、并行、選擇、互斥、開(kāi)關(guān)等子任務(wù)分解方法；研究維修知識(shí)描述網(wǎng)在分解過(guò)程中的屬性保持，對(duì)模型可達(dá)性、活性、邊界性、安全性和可逆性進(jìn)行校驗(yàn)；構(gòu)建虛擬維修知識(shí)庫(kù)和虛擬維修知識(shí)挖掘方法，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的提取和管理。

1.2 虛擬維修集成平臺(tái)人機(jī)交互多情景跟隨融合技術(shù)[3-4]

（1）虛擬環(huán)境人機(jī)交互情景構(gòu)建技術(shù)

構(gòu)建虛擬環(huán)境人機(jī)交互場(chǎng)景模型，對(duì)人機(jī)交互的行為特征進(jìn)行分類(lèi)，將狀態(tài)約束和事件驅(qū)動(dòng)都看作對(duì)象行為發(fā)生的條件，并將其與對(duì)象行為相關(guān)聯(lián)；分析農(nóng)機(jī)產(chǎn)品故障類(lèi)型，并對(duì)維修過(guò)程進(jìn)行描述；采用人工交互的方法完善虛擬維修樣機(jī)模型，用于需求分析所要求的模型特點(diǎn)；通過(guò)產(chǎn)品故障設(shè)計(jì)維修過(guò)程，使其能滿(mǎn)足虛擬維修仿真系統(tǒng)的需求，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練過(guò)程中的多終端接入跟隨互動(dòng)。

（2）訓(xùn)練情景融合的虛擬維修過(guò)程仿真方法

通過(guò)虛擬維修預(yù)維修、維修過(guò)程及仿真，確立維修操作優(yōu)先關(guān)系的判斷準(zhǔn)則，對(duì)維修操作的合法性進(jìn)行有效判斷；基于維修知識(shí)描述網(wǎng)自頂向下構(gòu)建虛擬維修網(wǎng)，對(duì)所有的訓(xùn)練任務(wù)采用基本動(dòng)作描述，建立不同維修操作之間所有可能的約束條件；開(kāi)發(fā)操作—響應(yīng)的專(zhuān)家系統(tǒng)，制定生產(chǎn)式系統(tǒng)的推理控制策略，滿(mǎn)足不同維修任務(wù)的需求。通過(guò)預(yù)維修及維修過(guò)程歷史數(shù)據(jù)收集回溯，使用狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列來(lái)描述維修過(guò)程并進(jìn)行仿真，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練情景任務(wù)中的隨時(shí)融合互動(dòng)。

1.3 虛擬維修集成平臺(tái)多元學(xué)習(xí)與訓(xùn)練策略設(shè)計(jì)技術(shù)[5]

（1）故障驅(qū)動(dòng)的虛擬維修拆卸規(guī)劃技術(shù)

針對(duì)產(chǎn)品拆卸序列規(guī)劃的特點(diǎn)，構(gòu)建虛擬樣機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)網(wǎng)，通過(guò)故障源頭目標(biāo)驅(qū)動(dòng)，確定零部件的拆卸順序，獲取拆卸混合圖模型；建立裝配約束關(guān)系形成對(duì)產(chǎn)品的物理約束關(guān)系和空間干涉約束，生成可拆卸序列。利用粒子全局和局部信息尋找全局最優(yōu)解，檢驗(yàn)拆卸序列的可行性、正確性。

（2）虛擬維修訓(xùn)練策略設(shè)計(jì)技術(shù)

構(gòu)建智慧環(huán)境下的虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)，分析受訓(xùn)者共性與個(gè)性的行為特征，形成受訓(xùn)者所持能力的智能捕捉方法與知識(shí)水平評(píng)估算法；構(gòu)建虛擬維修訓(xùn)練過(guò)程的情境模型，形成虛擬維修模塊下的情境推理機(jī)制與方法；制定個(gè)性化訓(xùn)練策略，并根據(jù)學(xué)習(xí)效應(yīng)評(píng)估方法構(gòu)建多元訓(xùn)練矩陣，生成因材施教的動(dòng)態(tài)訓(xùn)練策略。

1.4 虛擬維修集成平臺(tái)案例重構(gòu)與多向反饋評(píng)估方法[6]

（1）虛擬維修故障案例智能重構(gòu)推理方法

分析虛擬維修案例特點(diǎn)，構(gòu)建多部機(jī)多層次多領(lǐng)域的虛擬維修案例庫(kù)，形成復(fù)雜裝備虛擬維修案例庫(kù)架構(gòu)；通過(guò)維修案例相似度評(píng)價(jià)指標(biāo)和案例的相似度評(píng)價(jià)方法，計(jì)算獲得最可重用的案例方案；通過(guò)虛擬維修案例重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)故障智能推理預(yù)測(cè)與維修拆卸序列的有序組織。

（2）虛擬維修訓(xùn)練反饋評(píng)估方法

通過(guò)虛擬樣機(jī)模型庫(kù)、案例庫(kù)、工具庫(kù)等資源的訓(xùn)練使用方法，確立考慮維修過(guò)程、維修結(jié)果、訓(xùn)練成果的虛擬維修訓(xùn)練效應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；構(gòu)建維修訓(xùn)練評(píng)價(jià)模型，分析多種評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過(guò)指標(biāo)評(píng)價(jià)分析與綜合評(píng)價(jià)目標(biāo)的均衡決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜裝備虛擬維修訓(xùn)練的反饋評(píng)估。

2 復(fù)雜裝備維修虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)研發(fā)的內(nèi)容與方法

2.1 樣機(jī)模型的建立

針對(duì)現(xiàn)有CAD數(shù)字化模型，提取幾何數(shù)據(jù)、裝配特征的配合關(guān)系等信息，對(duì)虛擬環(huán)境中產(chǎn)品零部件進(jìn)行顯示；重新構(gòu)建樣機(jī)模型的層次結(jié)構(gòu)，從功能和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分解，將產(chǎn)品分解為若干子裝配系統(tǒng)，采用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)對(duì)層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)，根節(jié)點(diǎn)為總裝配體，其它節(jié)點(diǎn)分別表示零部件，然后進(jìn)行CAD幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與簡(jiǎn)化處理，完成虛擬樣機(jī)的幾何建模；在虛擬環(huán)境中的建模開(kāi)始，將時(shí)間、長(zhǎng)度、質(zhì)量、力等物理量進(jìn)行抽象處理后，與虛擬環(huán)境中的基本元素幀、坐標(biāo)系、部件等結(jié)合起來(lái)，建立虛擬維修樣機(jī)部件物理屬性的樣機(jī)模型。

2.2 模型的快速動(dòng)態(tài)更新

利用多Agent技術(shù)對(duì)虛擬維修仿真中的訓(xùn)練場(chǎng)景進(jìn)行自然描述，通過(guò)人與虛擬實(shí)體、虛擬實(shí)體與虛擬實(shí)體之間的交互，滿(mǎn)足對(duì)象的多維信息描述、對(duì)象的實(shí)時(shí)處理、對(duì)象的并發(fā)處理、對(duì)象間的多維信息通信、對(duì)象間的競(jìng)爭(zhēng)與合作等虛擬環(huán)境系統(tǒng)的特殊要求；將產(chǎn)品部件的約束運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、非受限運(yùn)動(dòng)三類(lèi)，對(duì)部件的約束運(yùn)動(dòng)劃分為若干類(lèi)，分別進(jìn)行交互特征定義；假定產(chǎn)品故障，包括產(chǎn)品的故障模式、故障原因、排除方法與步驟并設(shè)計(jì)維修過(guò)程，添加描述維修操作過(guò)程的約束和信息，將其作為一個(gè)維修任務(wù)描述文件保存起來(lái)，使其支持在設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)品裝配模型修改后的快速動(dòng)態(tài)更新。

2.3 維修過(guò)程的描述與變遷

采用Petri網(wǎng)工具和層次分解方法對(duì)虛擬維修任務(wù)進(jìn)行描述，利用子網(wǎng)來(lái)代替維修知識(shí)描述網(wǎng)（MKDN）中的變遷或者庫(kù)所。根據(jù)維修任務(wù)的需求，在系統(tǒng)中定義“順序子網(wǎng)”，用以描述一系列連續(xù)的任務(wù)或者動(dòng)作或者行為；定義“并行子網(wǎng)”n個(gè)任務(wù)或者動(dòng)作或者對(duì)象的行為在同一時(shí)間觸發(fā)；設(shè)定“選擇子網(wǎng)”表示一個(gè)連續(xù)任務(wù)、動(dòng)作或?qū)ο笮袨榈?n個(gè)選擇，即給定的一個(gè)條件或一組條件允許庫(kù)所產(chǎn)生多種相互競(jìng)爭(zhēng)的變遷，或者一個(gè)事件有多個(gè)后繼操作；設(shè)定“互斥子網(wǎng)”，描述在庫(kù)所中的兩個(gè)事件或者操作只有一個(gè)能夠發(fā)生時(shí)提供一種互斥的機(jī)制。

2.4 維修行為的推理控制策略

采用自頂向下的方法建立基于MKDN的虛擬維修訓(xùn)練計(jì)劃描述網(wǎng)，將其作為MKDN運(yùn)動(dòng)和行為模型中第一個(gè)層次的描述，對(duì)每一個(gè)操作任務(wù)進(jìn)行分解為若干子任務(wù)，直到網(wǎng)絡(luò)中所有的訓(xùn)練任務(wù)都用基本動(dòng)作來(lái)描述；識(shí)別判斷維修操作之間的優(yōu)先關(guān)系，包括維修動(dòng)作、操作工具、維修對(duì)象的合法性以及誤操作、操作延遲判斷等；對(duì)每個(gè)維修操作集用變遷描述，并使用相同的輸入和輸出庫(kù)所，對(duì)每個(gè)變遷建立一個(gè)輸入庫(kù)所描述條件謂詞，通過(guò)優(yōu)先關(guān)系約束提高庫(kù)所所描述的知識(shí)；建立操作—響應(yīng)模型的專(zhuān)家系統(tǒng)，將維修規(guī)程、邏輯關(guān)系描述、狀態(tài)描述結(jié)合起來(lái)，形成產(chǎn)生式系統(tǒng)的規(guī)則，根據(jù)維修行為特點(diǎn)合理確定產(chǎn)生式系統(tǒng)的推理控制策略。

2.5 維修案例庫(kù)的建立與檢索

抽取虛擬維修訓(xùn)練過(guò)程中的待求解問(wèn)題的特征及特征間的關(guān)系，并將其輸入系統(tǒng)；根據(jù)問(wèn)題的特征，從案例庫(kù)中檢索與當(dāng)前問(wèn)題相對(duì)應(yīng)的已有類(lèi)似案例；通過(guò)對(duì)該案例中求解方案的調(diào)整和修改，使之適合于求解當(dāng)前問(wèn)題；對(duì)新的求解方案與結(jié)果的實(shí)施效果或滿(mǎn)意程度進(jìn)行評(píng)價(jià)與檢驗(yàn)；當(dāng)前問(wèn)題所求解的過(guò)程與結(jié)果形成新的案例，根據(jù)一定的策略將新案例加入到案例庫(kù)中。

2.6 拆卸混合模型建立

根據(jù)虛擬場(chǎng)景下的裝備故障現(xiàn)象分析故障產(chǎn)生原因，確定故障零部件，對(duì)復(fù)雜裝備虛擬樣機(jī)產(chǎn)品模型進(jìn)行預(yù)處理并提取約束信息，添加強(qiáng)物理約束和空間約束，構(gòu)建出拆卸混合圖模型。以拆卸混合圖為基礎(chǔ)，利用目標(biāo)驅(qū)動(dòng)遞歸推理法生成目標(biāo)組件的局部拆卸圖。若目標(biāo)組件可拆卸，則無(wú)須求取最優(yōu)解，否則以局部拆卸圖為基礎(chǔ)串行地初始化粒子群，利用PSO尋求最優(yōu)拆卸解。檢測(cè)待拆零部件與其他零部件之間的碰撞，確保拆卸路徑的有效性。

2.7 維修結(jié)果的智能評(píng)價(jià)

分析多領(lǐng)域知識(shí)耦合和資源庫(kù)，得到適用于訓(xùn)練的案例庫(kù)與知識(shí)庫(kù)；使用基于案例推理技術(shù)以適應(yīng)虛擬維修中的不同情境，通過(guò)算法改進(jìn)以提高智能化水平；實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練資源與維修知識(shí)的智能推送，針對(duì)不同受訓(xùn)者進(jìn)行維修過(guò)程中的狀態(tài)反饋，捕捉推送時(shí)間點(diǎn)，并觸發(fā)不同層次的知識(shí)推送模塊，完成資源的主動(dòng)、實(shí)時(shí)、契合推送，對(duì)受訓(xùn)者維修能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)方法，不斷訓(xùn)練追蹤結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)性知識(shí)，并結(jié)合灰色綜合評(píng)價(jià)法與層次分析法的優(yōu)勢(shì)條件，得到符合實(shí)際的智能評(píng)價(jià)結(jié)果。

3 復(fù)雜裝備維修虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)的框架與系統(tǒng)界面

復(fù)雜裝備維修虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)開(kāi)發(fā)采用算法實(shí)現(xiàn)、軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與示范應(yīng)用相結(jié)合的方法，結(jié)合典型復(fù)雜裝備（高精臥式坐標(biāo)鏜床TGK46100）維修進(jìn)行應(yīng)用，主體框架如圖1所示。

圖1 復(fù)雜裝備虛擬維修集成教學(xué)平臺(tái)總體框架

開(kāi)發(fā)形成的平臺(tái)界面如圖2所示。數(shù)控鏜床底盤(pán)裝調(diào)與維修界面如圖3所示。應(yīng)用過(guò)程中從圖2中點(diǎn)擊界面左上角任務(wù)工具欄，可選擇相應(yīng)任務(wù)，如點(diǎn)選數(shù)控鏜床底盤(pán)裝調(diào)與維修任務(wù)后進(jìn)入圖3界面，在該界面中點(diǎn)選相應(yīng)工具后即可進(jìn)行相應(yīng)裝調(diào)與維修實(shí)訓(xùn)。

圖2 復(fù)雜裝備虛擬維修集成教學(xué)平臺(tái)界面

圖3 數(shù)控鏜床底盤(pán)裝調(diào)與維修界面

4 結(jié)論

復(fù)雜裝備的虛擬維修訓(xùn)練過(guò)程不是簡(jiǎn)單、獨(dú)立的，而是一個(gè)涉及多個(gè)環(huán)節(jié)、多項(xiàng)技術(shù)和知識(shí)的混合過(guò)程?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的復(fù)雜裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)能夠有效地克服結(jié)合實(shí)裝進(jìn)行維修訓(xùn)練帶來(lái)的問(wèn)題，為進(jìn)行裝備維修訓(xùn)練提供先進(jìn)的操作環(huán)境和模擬手段，對(duì)于改進(jìn)訓(xùn)練效果、提高維修水平以及進(jìn)行維修性分析具有重要作用。