虛擬維修技術應用于裝備維修教學的探討

陶 鋮 楊 光 馬 杰 程繼鵬 曹良強

（空軍預警學院，湖北 武漢 430019）

0 引言

隨著我國經濟的快速發(fā)展，國防力量不斷增強，軍事裝備也在逐漸升級和換代，裝備維修作為保障裝備戰(zhàn)斗力的重要手段，也迎來了一些新的挑戰(zhàn)。傳統裝備維修教學長期以來通常采用課堂教學加上實踐教學的方法，訓練內容及方式愈發(fā)難以達到高水準、高質量的教學目標，而教學效果的好壞直接關系到裝備效能的發(fā)揮，所以在新時代教改的背景下亟須轉型。

1 虛擬維修技術的發(fā)展

虛擬現實技術起源于20世紀60年代，由于受到當時技術發(fā)展的限制，在80年代才飛速發(fā)展，并開始應用于維修訓練領域。

虛擬維修（Virtual Maintenance）首次提出于20世紀90年代，美國軍用手冊MIL-HDBK-470A中指出：“使用虛擬現實技術，工程師能在虛擬環(huán)境，對虛擬產品進行維修?！彼抢糜嬎銠C仿真技術，將三維模型、動畫、文字、圖片、音頻等有效融合在一起，讓使用者通過虛擬的互動操作實現裝備工作原理演示、裝備虛擬拆裝和故障排除等訓練項目。

早期最為典型的案例，當屬美國哈勃望遠鏡的虛擬維修訓練。1990年4月，哈勃望遠鏡被發(fā)現存在缺陷，因此，美國國家航空航天局（NASA）為執(zhí)行任務的宇航員建立了虛擬的太空環(huán)境，從中可完成各種模擬維修活動。經過訓練后，哈勃的維修任務于1993年12月成功完成。

在2011年，美國陸軍研發(fā)出一種戰(zhàn)機虛擬維修系統。它使用包括一個三維空間觸摸屏的教學系統，幫助士兵學習Apache直升機故障的診斷和處理。這套系統能讓學生在接觸真實飛機之前進行各種操作[3]。

圣保羅大學Cabral等構建了一個電網配電系統培訓運營和維護模擬系統，以實現工作場所安全和活動保險的風險控制。學生使用VR護目鏡可視化虛擬環(huán)境，并操縱一個真正的球棒與3D環(huán)境進行交互，這兩者都由高精度紅外攝像系統（OptiTrack）跟蹤。

到目前為止，虛擬維修已成為各國裝備維修領域的主要發(fā)展趨勢之一，并開始將其運用到實踐教學當中。

在國內，虛擬維修技術的顯著優(yōu)勢引起了各大高校以及科研機構的廣泛關注，許多高校和科研中心將其作為重點方向進行研究和教學。在2009年，中國航天員科研訓練中心成功研制一套單機虛擬操作訓練演示系統。浙江大學對分布式虛擬現實、虛擬裝備裝配及應用于工效學領域的虛擬人體模型進行了研究；北京航空航天大學、北京大學、武漢大學等學校也對維修訓練中的具體問題進行了研究。

南京理工大學和軍械工程學院聯合開發(fā)了某型導彈裝備沉浸式虛擬維修訓練系統。該系統在維修步驟、維修動作及所見現象與實際裝備上訓練完全一致，可以借助虛擬交互設備，在視覺上獲得與在實裝上訓練一樣的感受。并且從2013年開始，教育部在全國范圍內開展國家級虛擬仿真實驗教學中心和仿真實驗項目建設，已先后投入建設300余個國家級虛擬仿真實驗教學中心，各省教育廳也建設了一批省級虛擬仿真實驗教學中心，有效推動了虛擬維修技術在國內的發(fā)展和應用。

2 虛擬維修技術應用于維修教學的必要性

2.1 傳統維修教學的現狀及不足

傳統裝備維修教學一般采用課堂教學和實踐教學相結合的形式。課堂教學主要是復習和鞏固裝備的原理以及講解維修的方法，通常采用幻燈片教學、視頻教學和實物講解等，而實踐教學主要是進行分組實習，讓學生在裝備上進行排故訓練。隨著教學方法的推陳出新，傳統訓練存在以下幾個問題：

首先，教師對維修理論知識講解過于抽象。對于基礎薄弱、主動性不強的學生來說，很難完全吸收，一旦沒有及時解決問題，長此以往會導致這些學生實踐時，不敢動手也不愿動手甚至會產生厭學的情緒，影響整個小組學習氛圍，從而形成一系列的不良反應。

其次，教學裝備造價昂貴，期班配備數量不足。以內燃機維護與修理課程為例，平均每13名學生配備一臺柴油機，這導致不是每個學生都能經常動手實踐，對于學習興趣不高的學生難有較大的提高。

最后，實踐教學有一定的風險性。實踐教學的主要目的是讓學生在實操中學習使用、拆卸和維修裝備，由于裝備體型大、質量重，在實際拆卸和維修的過程中具有一定危險，一旦出現問題就會造成人員傷亡和裝備損壞。因此，很多老師對于貼近實戰(zhàn)但具有風險的教學內容，就會簡化甚至不做重點，這不利于提升學生實戰(zhàn)維修能力。

2.2 虛擬維修在維修教學中的優(yōu)勢

2.2.1 有效減少實踐教學的風險

傳統的實踐教學通常是由教師先講解維護步驟，同時強調注意事項并做示范，再讓學生分組動手實踐。如果遇到比較復雜的操作，學生有可能記混操作步驟，一旦錯誤實施，就會對裝備造成損壞。例如，柴油機汽缸蓋的拆裝，對于每個螺母擰松的順序和扭力都有嚴格要求，如果操作不當，沒有按照正確步驟實施，就會使汽缸蓋發(fā)生翹起，導致柴油機漏水、漏氣。而虛擬維修技術的出現，能有效減少這些情況的發(fā)生，因為能用計算機模擬這些實踐內容，并且它所有的數據都來源于真實的數據庫，所以其模擬過程與實踐過程相似，學生在實操之前，通過虛擬維修訓練對即將實踐的內容進行反復練習，加深了學生對正確操作的理解，從而避免出現重大失誤，這樣能有效降低裝備損壞的概率。

2.2.2 符合士官院校學生的心理特點

士官院校的學生大多基礎較弱，只有初中、高中學歷，對于理論知識的理解能力較弱，因此在課堂上對于抽象理論知識興趣不足，更樂于參與實踐教學。虛擬維修技術的引入能讓學生拋開心理負擔，勇于嘗試，不用擔心操作失誤造成裝備的損壞，能夠反復進行操作學習，同時可以與教師所講的理論相互印證，加深對于所學知識的理解。并且虛擬維修訓練中還設計有評價系統，對于學生的操作過程進行打分，這極大地激發(fā)了學生主動學習的積極性，提高了學習的興趣。

2.2.3 能夠保障教學訓練的正常進行

一般進行實踐教學時，需要考慮多種因素，如場地情況、訓練時間甚至環(huán)境天氣等，必須滿足所有的條件才能開始進行教學訓練。如果其中一項出現問題，就需要改動教學計劃，甚至會影響到正常上課。采用虛擬維修技術后，以上受限制的條件可以用虛擬訓練來替代，例如，場地出現狀況，就可以在教室里模擬訓練，只需要簡單調整課程內容即可，充分保障了教學進度。

2.2.4 有較好的經濟性

雖然虛擬訓練系統的研發(fā)成本較高，開發(fā)周期較長，后期維護也需要持續(xù)性投入，但是它能夠節(jié)約大量教學裝備產生的費用，同時虛擬訓練又可以減少實踐操作對裝備的損耗，以及減少訓練耗材的消耗等問題，從而節(jié)約了教學成本。

3 虛擬維修在實踐教學中的具體運用舉例

為了增強訓練效果，必須保持虛擬訓練與真實維修的一致性。因此對虛擬維修訓練系統有一定的要求，首先要求模型真實度高，每個零件都要真實還原。其次虛擬訓練過程要精心設計，具備較強的邏輯性。最后系統操作簡便，容易上手，并且能夠對每次訓練進行評價。

依據上列要求，某士官學校研發(fā)出電站柴油機虛擬維護訓練系統，旨在幫助學員快速生成裝備保障能力。通常柴油機維護類的課程，都是人數多裝備少，而且整個課程只會進行一次拆裝、清洗、檢測、維護、安裝等流程，很難滿足學生和教師的需求，虛擬維護技術的出現，很大程度上起到了一定的補充和輔助作用。

該系統分為四個訓練模塊，分別是整機訓練、分系統訓練、工作原理和維護訓練，學生可以在大屏一體機上登錄虛擬維修訓練系統。整機訓練和分系統訓練能夠三維實時展示電站柴油機整體以及各個分系統的結構，同時學生能利用鼠標選取相應工具，拆卸對應零部件，并且很多零部件處于半透明狀態(tài)，便于學生觀察其結構。這兩個模塊能夠讓學生了解如何選用適當的工具，熟悉相關零部件，以及掌握整機拆裝的步驟。

工作原理模塊是通過三維模型動態(tài)演示柴油機不同系統的工作過程，分別設置有整機運動、冷卻系統、潤滑系統和燃料系統等。學生之前學習原理時，只能通過教師的理論講解來認識其工作過程，難以理論聯系實際。但通過該模塊，能使得理論教學變得形象化，更加直觀，容易理解，例如，對燃料油路進行講解時，零部件較多，油路復雜，學生只有抽象概念難以記憶，利用該模塊訓練，則所有零部件均可以模擬呈現，無須抽象，并且通過還原燃料油路走向，能較快地與實際相結合，縮短理論轉換為實際能力的時間。

維護訓練模塊是虛擬維修訓練的核心部分，設置有氣門間隙調整、供油正時調整、燃油濾清器更換等訓練項目。由于裝備實踐教學就是為了讓學生能熟悉掌握裝備的典型故障及其排除方法，所以僅對典型故障進行理論講解，學生很難理解透徹，而全部實踐操作也沒有那么多時間和裝備。引入該系統后，有效降低了維修教學成本。學生不僅能夠通過實踐操作來學習維修內容，而且能通過虛擬維修訓練反復練習加以鞏固，有效提高教學效果。并且學生在完成每個環(huán)節(jié)訓練時，系統都會根據完成情況來評估學習效果，同時給出標準答案，讓學生能彌補自己的薄弱環(huán)節(jié)。從學生使用情況來看，電站柴油機虛擬維護訓練系統幫助學生對柴油機從整體的拆裝到局部零部件的維護都有了直觀的認識，極大地提高學生的學習興趣和主動性，同時也減少了裝備的損耗，保障了訓練安全。

4 結語

在實踐教學中，虛擬維修技術能夠很好地起到補充和輔助實踐訓練的作用，顯著提升了實踐訓練的效率。但是目前虛擬維修技術仍存在一定的局限性和不足，不能完全代替真實的實踐訓練，因此教師不能舍本逐末，過度依賴虛擬維修技術，在充分發(fā)掘虛擬維修教學性的同時，也應根據實際情況合理分配虛實教學的時間，最終達到更好的教學效果。