虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

衛(wèi)國(guó)華 宋殿義＊ 黃 昉 陳玉峰 覃中信

（國(guó)防科技大學(xué)軍事基礎(chǔ)教育學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410072）

0 引言

裝備維修訓(xùn)練是保障裝備性能的重要手段，現(xiàn)有裝備維修訓(xùn)練主要是通過維修資料、動(dòng)畫錄像、實(shí)裝訓(xùn)練和模擬訓(xùn)練器等手段實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用實(shí)際裝備和模擬器雖然能夠產(chǎn)生良好的訓(xùn)練效果，但受場(chǎng)地、數(shù)量和時(shí)間限制，同時(shí)保障和維護(hù)費(fèi)用較高，采用資料學(xué)習(xí)、動(dòng)畫或視頻錄像等方式可以降低學(xué)習(xí)費(fèi)用，方便廣泛配發(fā)學(xué)習(xí)，但很難達(dá)到訓(xùn)練效果和學(xué)以致用的目的。

虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的出現(xiàn)有效解決了現(xiàn)有問題，系統(tǒng)中可以建立虛擬的“實(shí)地”和“實(shí)景”，受訓(xùn)人員在虛擬環(huán)境中產(chǎn)生較好的沉浸感，可有效提升訓(xùn)練效果，提高訓(xùn)練質(zhì)量，大幅降低訓(xùn)練費(fèi)用，保障訓(xùn)練安全。

1993年，美國(guó)哈勃望遠(yuǎn)鏡（HST）的虛擬維修訓(xùn)練是虛擬維修應(yīng)用的典型案例，為實(shí)現(xiàn)在HST上進(jìn)行維修，NASA建立了相應(yīng)的虛擬環(huán)境，在該環(huán)境下模擬其故障，并進(jìn)行相應(yīng)的各種維修活動(dòng)，期間共有105名宇航員參加了維修訓(xùn)練，平均每個(gè)宇航員都進(jìn)行了超過200個(gè)小時(shí)的訓(xùn)練，這也是人類歷史上第一次大規(guī)模地采用虛擬維修訓(xùn)練技術(shù)完成實(shí)際維修任務(wù)。1995年，洛克希德·馬丁通過虛擬維修進(jìn)行維修性分析與人因工程分析，同時(shí)應(yīng)用虛擬維修技術(shù)的應(yīng)用還縮短了研制周期。此外，英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、韓國(guó)等國(guó)家也對(duì)虛擬維修技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究。

虛擬維修技術(shù)在國(guó)外軍事和航空部門的快速發(fā)展及成功應(yīng)用已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)科研工作者的高度重視，國(guó)內(nèi)一些院校和科研院所也積極投入這一領(lǐng)域的研究中。海軍工程大學(xué)提出了基于桌面沉浸的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)方案，并開發(fā)了相應(yīng)的虛擬教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)，同時(shí)，國(guó)防科技大學(xué)、南京理工大學(xué)、華中科技大學(xué)等院校也開展了虛擬維修系統(tǒng)的研究，并在實(shí)際的教學(xué)和訓(xùn)練應(yīng)用中取得了較好的效果。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于保障訓(xùn)練原理演示的研究與應(yīng)用，總體上還處于技術(shù)與方法的基礎(chǔ)應(yīng)用與探索階段，尚未形成實(shí)用的、完整的理論與技術(shù)體系，也沒有研制出大型的應(yīng)用系統(tǒng)。尤其是在工程裝備保障虛擬技術(shù)方面，目前尚處于桌面式系統(tǒng)的研究與初步應(yīng)用階段，沉浸式及其他類型系統(tǒng)還處于探索階段。

1 虛擬維修訓(xùn)練技術(shù)

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬維修訓(xùn)練技術(shù)逐漸形成，該項(xiàng)技術(shù)將計(jì)算機(jī)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)和智能訓(xùn)練等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，合理規(guī)劃維修階段，為維修作業(yè)開展提供良好的支撐，結(jié)合實(shí)際情況創(chuàng)建有著交互式特征的虛擬維修條件。對(duì)于安全性要求高、搶修速度要求快的裝備來(lái)講，做好維修訓(xùn)練以及考核尤為重要，虛擬維修可克服維修場(chǎng)地、裝備數(shù)量和時(shí)間等限制，方便結(jié)構(gòu)拆裝和故障診斷訓(xùn)練，同時(shí)，虛擬維修技術(shù)還可在規(guī)范性操作方面提供良好的支持，比如維修工具的選取、部件拆卸安裝和維修費(fèi)用預(yù)算估計(jì)等。

虛擬維修訓(xùn)練的要素包括人機(jī)交互、虛擬訓(xùn)練場(chǎng)景、維修訓(xùn)練內(nèi)容和訓(xùn)練監(jiān)控四項(xiàng)，通過虛擬維修訓(xùn)練技術(shù)將這些要素構(gòu)成了虛擬維修訓(xùn)練過程。依據(jù)虛擬維修訓(xùn)練的要素重點(diǎn)解決以下三類問題：一是目標(biāo)與內(nèi)容，即針對(duì)受訓(xùn)人員的特點(diǎn)，進(jìn)行需求分析，明確受訓(xùn)人員需要達(dá)到的知識(shí)和技能目標(biāo)，根據(jù)裝備特點(diǎn)進(jìn)行訓(xùn)練內(nèi)容的細(xì)化和設(shè)計(jì)，確定具體的訓(xùn)練科目；二是支撐環(huán)境，即場(chǎng)景的構(gòu)建與維修數(shù)據(jù)的開發(fā)，重點(diǎn)是維修知識(shí)與維修過程的描述，訓(xùn)練要素之間關(guān)系的界定，維修場(chǎng)景的優(yōu)化與確定等，這是維修訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)；三是維修訓(xùn)練的實(shí)施方法，即虛擬維修訓(xùn)練執(zhí)行、評(píng)估和管理，這是保證訓(xùn)練效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

2 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)框架的構(gòu)建

2.1 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)框架

虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)主要是結(jié)合實(shí)際裝備建立可供維修訓(xùn)練的裝備三維模型，將三維模型導(dǎo)入系統(tǒng)，設(shè)置維修訓(xùn)練場(chǎng)景，利用訓(xùn)練過程數(shù)據(jù)或定義腳本控制訓(xùn)練狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)人與裝備、場(chǎng)景的交互。

2.2 開發(fā)框架構(gòu)建的難點(diǎn)

其一，利用交互設(shè)備加深受訓(xùn)人員與虛擬場(chǎng)景內(nèi)三維模型的交互程度，對(duì)于三維模型的選取和控制，為了確保移動(dòng)期間場(chǎng)景的逼真，禁止發(fā)生各項(xiàng)模型相互穿透情況。

其二，符合用戶視覺效果要求，既需要保持模型的真實(shí)性，還必須與計(jì)算機(jī)基本處理要求相符合，提升計(jì)算機(jī)處理效率，避免場(chǎng)景模型的渲染速度大幅下降。

其三，規(guī)范維修訓(xùn)練腳本，虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)包含裝備的維修操作與拆裝訓(xùn)練，涉及多類交互控制腳本，規(guī)范管理腳本極為重要，是實(shí)施裝配體和其他實(shí)體交互式控制管理的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)功能的關(guān)鍵。

3 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

隨著各種新型裝備不斷配發(fā)，新型裝備數(shù)量不斷增加，其對(duì)應(yīng)的裝備保障訓(xùn)練和教學(xué)顯得尤為重要，研制配套的裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)或訓(xùn)練器材既能節(jié)約大量的訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)，又能提高訓(xùn)練效益與質(zhì)量。虛擬維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求概括如下：

（1）符合訓(xùn)練大綱對(duì)維修人員的能力和素質(zhì)要求。該系統(tǒng)一般應(yīng)具有嚴(yán)密的邏輯性和豐富知識(shí)體系，總體設(shè)計(jì)必須與訓(xùn)練大綱規(guī)定的訓(xùn)練內(nèi)容與要求相符合，利用虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行組訓(xùn)與考核時(shí)應(yīng)與裝備的實(shí)際保障模式一致，重點(diǎn)解決因缺乏訓(xùn)練手段導(dǎo)致的大綱訓(xùn)練內(nèi)容無(wú)法落實(shí)等問題。因此，重點(diǎn)是使維修人員掌握裝備的結(jié)構(gòu)組成、工作原理，了解常見故障現(xiàn)象及排除方法，以全面提高其維修保障能力。

（2）實(shí)現(xiàn)利用信息化訓(xùn)練手段解決復(fù)雜裝備的維修訓(xùn)練難題。綜合運(yùn)用半實(shí)物仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，研究裝備保障信息化訓(xùn)練手段的研發(fā)配套，大力推進(jìn)基地訓(xùn)練、網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、模擬訓(xùn)練、野戰(zhàn)訓(xùn)練手段建設(shè)，滿足使用分隊(duì)、修理部（分）隊(duì)、訓(xùn)練機(jī)構(gòu)、院校的教學(xué)訓(xùn)練需求，適用于使用分隊(duì)、修理分隊(duì)、各類技術(shù)人員學(xué)習(xí)掌握其裝備保障相關(guān)知識(shí)，同時(shí)維修訓(xùn)練系統(tǒng)的研究思路與開發(fā)方法，應(yīng)能為大型復(fù)雜裝備的維修保障訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

（3）節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)，提高訓(xùn)練效益?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的虛擬維修訓(xùn)練是解決實(shí)裝訓(xùn)練安全隱患多、資源消耗大、訓(xùn)練效果不高的重要手段。目前，與裝備配套的裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)各成體系、互不兼容，制約了訓(xùn)練效益提升，并由此導(dǎo)致資源不能共享及基礎(chǔ)設(shè)施的重復(fù)建設(shè)。因此，在虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)過程中統(tǒng)一模擬訓(xùn)練接口，便于按照綜合集成的要求，對(duì)眾多技術(shù)手段進(jìn)行系統(tǒng)集成、綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練保障資源的優(yōu)化配置和資源共享，提高訓(xùn)練效益。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

現(xiàn)有裝備的維修保障多是在裝備發(fā)生故障后進(jìn)行以修代訓(xùn)，修理人員的受訓(xùn)數(shù)量和時(shí)間難以保證，致使裝備保障訓(xùn)練難以開展，導(dǎo)致裝備的維修保人員障能力難以有效形成，裝備一旦出現(xiàn)故障往往依托廠家進(jìn)行維修。因此，維修訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞下述內(nèi)容進(jìn)行：

（1）滿足通用性需求。系統(tǒng)應(yīng)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口和通信協(xié)議，不同裝備的維修保障訓(xùn)練僅需要連接相應(yīng)的專用適配器，即可實(shí)現(xiàn)與通用演示終端進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互和裝備作業(yè)及操縱狀態(tài)的實(shí)時(shí)演示，解決現(xiàn)有工程裝備維修訓(xùn)練平臺(tái)通用性不強(qiáng)、無(wú)法進(jìn)行資源共享的“煙囪”林立問題。

（2）滿足數(shù)據(jù)建立的需求。結(jié)合裝備的各項(xiàng)戰(zhàn)技術(shù)性能綜合分析其構(gòu)造，全面掌握其工作原理，建立電、液、氣路邏輯回路數(shù)據(jù)庫(kù)；結(jié)合原理繪制其故障樹，利用模糊分析方法，確定該裝備發(fā)生故障的類型、發(fā)生概率，建立故障數(shù)據(jù)庫(kù)；熟悉裝備的操作使用以及各部分元件功能，開發(fā)裝備的三維建模，建立元件數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）滿足方便性要求。根據(jù)各操作元件的尺寸，合理各元器件的綜合布局；綜合考慮部隊(duì)使用、場(chǎng)地限制等因素，設(shè)計(jì)綜合平臺(tái)的外形尺寸、框架結(jié)構(gòu)；根據(jù)軟件和硬件的使用需求確定相應(yīng)的通信協(xié)議；對(duì)綜合平臺(tái)布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，便于部隊(duì)根據(jù)訓(xùn)練場(chǎng)所的實(shí)際情況自行布局、安裝和調(diào)整。

（4）滿足維修訓(xùn)練需求。緊密結(jié)合訓(xùn)練大綱要求，合理設(shè)置訓(xùn)練課目。根據(jù)訓(xùn)練大綱的內(nèi)容與要求，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括裝備結(jié)構(gòu)組成、工作原理演示、故障排除與維護(hù)保養(yǎng)等主要訓(xùn)練模塊，按照由淺入深、由易到難、由理論到實(shí)踐的思路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用三維建模、虛擬現(xiàn)實(shí)、漫游交互和特色渲染等技術(shù)，完成電、氣、液回路作業(yè)動(dòng)態(tài)的三維動(dòng)態(tài)演示、模擬故障排除等教學(xué)訓(xùn)練功能，形成實(shí)用性強(qiáng)、操作方便、層次合理、界面友好的訓(xùn)練體系。

（5）滿足維修考核需求。綜合考慮對(duì)訓(xùn)練效果的檢驗(yàn)，根據(jù)受訓(xùn)人員的不同類型，設(shè)定考核科目的難度，明確故障判排內(nèi)容，確定不同內(nèi)容的權(quán)重，考核學(xué)員學(xué)習(xí)情況。確定考核系統(tǒng)與故障設(shè)置系統(tǒng)的通信協(xié)議，故障設(shè)置系統(tǒng)調(diào)用上位機(jī)的程序以實(shí)現(xiàn)不同故障的分類設(shè)置與故障信號(hào)模擬。

4 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)關(guān)鍵性技術(shù)分析

4.1 碰撞檢測(cè)技術(shù)

由于虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)對(duì)場(chǎng)景的渲染和系統(tǒng)的運(yùn)行要求較高，因此對(duì)于碰撞檢測(cè)方面提出了十分嚴(yán)格的要求，除了有良好的碰撞檢測(cè)功能之外，還必須提升系統(tǒng)運(yùn)行效率。在目前的虛擬維修訓(xùn)練階段中，受訓(xùn)人員選取某實(shí)體模型時(shí)，需依照受訓(xùn)人員自身要求移動(dòng)，處于該階段的各項(xiàng)零部件都存在與場(chǎng)景內(nèi)其他部件產(chǎn)生碰撞的可能性，在出現(xiàn)了碰撞現(xiàn)象以后，模型之間不能穿透。

4.2 三維模型構(gòu)建技術(shù)

三維模型是虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)資源的主體，包括人體模型、基本維修部件（元件）模型、經(jīng)常使用的維修工具模型和場(chǎng)景模型等。人體建模是結(jié)合實(shí)際情況創(chuàng)建符合要求的人體可視化模型的集合，該模型包括多邊形模型和曲面模型等多方面。從維修期間運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作等相關(guān)需求入手，利用人體幾何模型加以構(gòu)建，提升人體運(yùn)動(dòng)控制能力。基本部件模型和經(jīng)常使用的工具模型，這類模型存在著形式多樣化特征，為了更加合理地應(yīng)用，需要合理轉(zhuǎn)換模型格式，也就是做好三維模型數(shù)據(jù)的預(yù)處理。為了保持模型數(shù)據(jù)量增加和模型完善程度及系統(tǒng)渲染速度之間的平衡，需要對(duì)三維模型進(jìn)行優(yōu)化，這是創(chuàng)建三維模型的關(guān)鍵所在。一般情況下，縮減場(chǎng)景內(nèi)模型總面數(shù)，加快場(chǎng)景內(nèi)模型加載速度是最佳方式。

4.3 腳本封裝技術(shù)

在系統(tǒng)開發(fā)過程中，可以運(yùn)用各種平臺(tái)軟件開發(fā)，但本質(zhì)都是利用編輯交互動(dòng)作腳本的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)控制和管理場(chǎng)景內(nèi)的三維模型。虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)包含的零部件多，各零部件間聯(lián)系密切，應(yīng)用傳統(tǒng)方式導(dǎo)入腳本，可能產(chǎn)生導(dǎo)入腳本參數(shù)丟失或者連接線信息不完善現(xiàn)象，為保持良好功能，應(yīng)當(dāng)明確模塊參數(shù)，因此，應(yīng)檢查連接線，從而可能導(dǎo)致增加系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，降低開發(fā)率，為避免過于煩瑣和重復(fù)性開發(fā)現(xiàn)象的發(fā)生，在系統(tǒng)開發(fā)期間，應(yīng)遵循組件復(fù)用的理念，實(shí)施腳本封裝，探究交互控制腳本技術(shù)。通過現(xiàn)有分析來(lái)看，快捷方式和邏輯連線以及參數(shù)缺失形成的具體原因是參數(shù)尚未被全面保存到腳本行為圖內(nèi)，基于此，在封裝腳本的過程中，除了創(chuàng)建完善的行為圖之外，還必須開展行為圖封裝處理，明確參數(shù)，確保準(zhǔn)確。該項(xiàng)方式還可以降低虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)難度，提升開發(fā)效率。

4.4 交互技術(shù)

在虛擬環(huán)境中，相關(guān)的交互技術(shù)包括行進(jìn)、選擇和操縱、系統(tǒng)控制等多方面。行進(jìn)也稱為視點(diǎn)運(yùn)動(dòng)控制，主要任務(wù)是用戶以交互的方式實(shí)現(xiàn)視點(diǎn)位置和方向在虛擬環(huán)境中的改變；選擇是用戶在虛擬場(chǎng)景中選取各個(gè)虛擬物體；操縱的目的是改變虛擬物體的屬性，包括改變物體的尺寸、位置、顏色、形狀等，一般選擇和操作是成對(duì)出現(xiàn)；系統(tǒng)控制是用戶向系統(tǒng)中發(fā)出的指令，如刪除選中的物體，改變保存的位置或增加新的模型等。虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)的交互任務(wù)一般需專門的交互硬件支持，包括數(shù)據(jù)手套、位置跟蹤器以及三維鼠標(biāo)等，也可以應(yīng)用鍵盤或鼠標(biāo)完成交互作業(yè)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于裝備維修訓(xùn)練能夠?yàn)槭苡?xùn)人員提供較真實(shí)、較全面的維修訓(xùn)練。現(xiàn)有研究表明，碰撞檢測(cè)技術(shù)、維修模型構(gòu)建技術(shù)、腳本封裝技術(shù)和交互技術(shù)是提升虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型的優(yōu)化，提升系統(tǒng)的渲染速度和系統(tǒng)開發(fā)效率，完善和提升相關(guān)技術(shù)對(duì)解決裝備維修訓(xùn)練問題具有重要意義。