基于VR的大型設(shè)備虛擬維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐘建強(qiáng)

摘要：針對(duì)技術(shù)文檔查閱不便，利用實(shí)裝難以開(kāi)展維修訓(xùn)練等不足，基于VR技術(shù)設(shè)計(jì)一套大型設(shè)備虛擬維修系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)建具有高度沉浸感的操作場(chǎng)景和虛擬設(shè)備，實(shí)現(xiàn)大型設(shè)備的全系統(tǒng)維修仿真。該系統(tǒng)具有輔助故障診斷、維修指導(dǎo)、技能訓(xùn)練、理論學(xué)習(xí)和考核評(píng)價(jià)等功能，既可用于野外快速診斷故障，也可用于平時(shí)的維修技能訓(xùn)練和考核，對(duì)于快速形成學(xué)生的維修技能具有重要意義。

關(guān)鍵詞：VR;大型設(shè)備;虛擬維修

大型設(shè)備在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事中應(yīng)用十分廣泛。由于大型設(shè)備往往集機(jī)、電、液于一體，技術(shù)密集，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備昂貴，對(duì)職業(yè)院校維修保障相關(guān)專業(yè)學(xué)生維修技能的形成構(gòu)成了巨大挑戰(zhàn)。為此，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)一套“基于VR的大型設(shè)備虛擬維修系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備故障的快速定位和維修訓(xùn)練。

一、總體組成與功能設(shè)計(jì)

“基于VR的大型設(shè)備虛擬維修系統(tǒng)”主要由軟件、硬件和數(shù)據(jù)庫(kù)等組成，如圖1所示。

該系統(tǒng)主要功能設(shè)計(jì)如下：

1.故障快速診斷：能夠根據(jù)用戶輸入的故障現(xiàn)象，快速的對(duì)故障進(jìn)行分析定位，診斷結(jié)果以圖形、文字和語(yǔ)音的形式加以呈現(xiàn);

2.故障維修指導(dǎo)：對(duì)定位的設(shè)備故障，以圖形、文字和語(yǔ)音的方式指導(dǎo)用戶逐步排除故障;

3.維修技能訓(xùn)練：在所構(gòu)建的沉浸式場(chǎng)景中，用戶通過(guò)操作虛擬設(shè)備，達(dá)到維修實(shí)際裝備的真實(shí)體驗(yàn);

4.理論學(xué)習(xí)：形象直觀的演示大型設(shè)備整體及各分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成、工作原理，使用戶快速掌握設(shè)備性能機(jī)理;

5.考核評(píng)價(jià)：既可以對(duì)用戶的故障分析、定位及維修能力水平進(jìn)行考核，也可以對(duì)某用戶某段時(shí)間內(nèi)的考核成績(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，輔助學(xué)習(xí)調(diào)控;

6.數(shù)據(jù)庫(kù)管理：可對(duì)維修任務(wù)、人員、考核數(shù)據(jù)和設(shè)備等數(shù)據(jù)進(jìn)行管理;

7.信息查詢：包括人員信息查詢、維修任務(wù)及狀態(tài)查詢、考核成績(jī)查詢。

二、硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)包括VR設(shè)備、加固計(jì)算機(jī)和綜合顯示設(shè)備等。

VR設(shè)備主要用于為用戶提供具有高度沉浸感的環(huán)境，能夠直觀的復(fù)現(xiàn)故障，并在系統(tǒng)的引導(dǎo)下逐步定位并排除故障，實(shí)現(xiàn)維修技能訓(xùn)練功能。VR設(shè)備主要包括VR頭盔和手柄，實(shí)現(xiàn)人與虛擬環(huán)境的有效融合，為操作用戶提供虛擬操作的交互手段，可滿足多場(chǎng)景、多任務(wù)的操控需求。

加固計(jì)算機(jī)為便攜式加固一體機(jī)，主要用于接收虛擬設(shè)備的信息，包括用戶動(dòng)作和位置等，運(yùn)行實(shí)時(shí)同步管理軟件，采用同步技術(shù)，將多臺(tái)VR終端進(jìn)行同步控制，實(shí)現(xiàn)多人或多設(shè)備同圖;運(yùn)行導(dǎo)調(diào)管理軟件，實(shí)現(xiàn)任務(wù)、數(shù)據(jù)管理及導(dǎo)調(diào)控制等。

綜合顯示設(shè)備包括視頻控制設(shè)備、液晶電視和音響設(shè)備，主要用于顯示整個(gè)仿真場(chǎng)景，也可根據(jù)加固計(jì)算機(jī)設(shè)置顯示某一視角，同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維音效功能。

三、軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)包括主控管理模塊、故障診斷模塊、維修指導(dǎo)模塊、技能訓(xùn)練模塊、理論學(xué)習(xí)模塊、考核評(píng)價(jià)模塊等。

主控管理模塊主要包括導(dǎo)調(diào)控制和綜合管理兩部分。導(dǎo)調(diào)控制部分主要用于系統(tǒng)使用前、使用過(guò)程中的導(dǎo)調(diào)控制。綜合管理主要為系統(tǒng)提供一個(gè)有效的資源存儲(chǔ)數(shù)據(jù)整合平臺(tái)，并完成系統(tǒng)管理服務(wù)等工作。綜合管理系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與各虛擬終端連接，通過(guò)導(dǎo)調(diào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制用戶訓(xùn)練進(jìn)程和狀態(tài)。

故障診斷模塊用于根據(jù)故障現(xiàn)象，通過(guò)讀取故障信息庫(kù)判斷故障原因，從而對(duì)故障進(jìn)行定位。用戶可以通過(guò)在搜索框輸入文字或在虛擬場(chǎng)景中拾取故障設(shè)備并選擇故障現(xiàn)象等方式輸入故障現(xiàn)象。

維修指導(dǎo)模塊用于對(duì)既定的故障，按照維修流程逐步導(dǎo)引用戶進(jìn)行故障處置和維修。導(dǎo)引方式包括語(yǔ)音、文字和圖形等三種方式。

技能訓(xùn)練模塊用于單個(gè)或多個(gè)用戶配合訓(xùn)練，根據(jù)加固計(jì)算機(jī)設(shè)置的故障現(xiàn)象，按照排故流程逐步對(duì)故障進(jìn)行定位和維修。

理論學(xué)習(xí)模塊用于形象直觀的演示大型設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、安裝方式以及關(guān)鍵的工作原理等。其中，對(duì)結(jié)構(gòu)組成通過(guò)語(yǔ)音和三維動(dòng)畫的方式展示，工作原理通過(guò)二維動(dòng)畫和三維動(dòng)畫相結(jié)合的方式進(jìn)行演示，進(jìn)一步增強(qiáng)原理與設(shè)備的結(jié)合。

考核評(píng)價(jià)模塊用于對(duì)用戶的故障分析、處置與維修技能進(jìn)行可視化考核。用戶在虛擬環(huán)境中，根據(jù)加固計(jì)算機(jī)自動(dòng)抽選的故障庫(kù)，按照排故流程逐一對(duì)故障進(jìn)行定位并維修。

四、數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)包括設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)、故障信息庫(kù)、模型數(shù)據(jù)庫(kù)、用戶數(shù)據(jù)庫(kù)、原理數(shù)據(jù)庫(kù)、訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)等。

裝備數(shù)據(jù)庫(kù)是在系統(tǒng)梳理大型設(shè)備裝備結(jié)構(gòu)組成和邏輯關(guān)系的基礎(chǔ)上形成的數(shù)字化武器系統(tǒng)，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。根據(jù)結(jié)構(gòu)可將大型設(shè)備組件劃分為系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、設(shè)備級(jí)、部件級(jí)、元器件級(jí)五個(gè)層次。

故障信息庫(kù)是在基于實(shí)例和系統(tǒng)仿真的故障特征提取的基礎(chǔ)上，所建立的故障知識(shí)庫(kù)。通過(guò)收集整理設(shè)備故障實(shí)例，同時(shí)從系統(tǒng)模型和原理分析的角度出發(fā)，在研究大型設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)造及工作原理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用軟件流程仿真、電路仿真、故障樹(shù)分析等方法完成對(duì)原理性故障的獲取，科學(xué)建立故障信息格式。

模型數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括設(shè)備模型和維修工具、環(huán)境等實(shí)體模型。由于在三維引擎中三維模型采用的是類似OpenFlight的樹(shù)狀層次化儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)，因此在制作各模型時(shí)，需要按照層級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)各模型命名，并在場(chǎng)景中根據(jù)隸屬關(guān)系建立各模型之間的父子關(guān)系。

用戶數(shù)據(jù)庫(kù)部署于主控處理機(jī)，用于記錄用戶個(gè)人信息，如姓名、性別、出生年月、級(jí)別、崗位、單位、權(quán)限等。通過(guò)主控管理模塊可以增加、刪除或修改個(gè)人信息。

原理數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括裝備結(jié)構(gòu)組成的三維動(dòng)畫和關(guān)鍵工作過(guò)程、電氣原理的二維動(dòng)畫和三維動(dòng)畫，并輔助語(yǔ)音解說(shuō)，以多種方式加快用戶學(xué)習(xí)消化。

訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括與訓(xùn)練、考核相關(guān)的信息，如訓(xùn)練時(shí)間、科目、用戶、考核標(biāo)準(zhǔn)、成績(jī)等。

基于以上設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)既可以用于野外對(duì)裝備故障進(jìn)行快速診斷，也可用于平時(shí)的維修技能訓(xùn)練和考核，對(duì)快速故障定位、提高學(xué)生維修技能具有重要作用。