虛擬維修技術(shù)在水聲裝備維修中的應(yīng)用分析

太祿東 周敏

摘? 要：虛擬維修技術(shù)是以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)操作平臺(tái)為基礎(chǔ)，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以達(dá)到模擬實(shí)際維修的一種新興維修技術(shù)，通過虛擬維修技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品維修性設(shè)計(jì)分析、維修過程的規(guī)劃和驗(yàn)證、維修操作訓(xùn)練與維修支持。本文從虛擬維修系統(tǒng)的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)組成出發(fā)，討論了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和維修性評(píng)價(jià)理論，對(duì)水聲裝備收放存儲(chǔ)裝置、液壓動(dòng)力系統(tǒng)部件進(jìn)行三維建模，構(gòu)建虛擬系統(tǒng)的可行性。

關(guān)鍵詞：虛擬維修;仿真建模;部件拆裝;維修性分析

引言

維修是艦艇裝備使用中保持裝備戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能重要工作，艦員的裝備維修能力直接關(guān)系到裝備的可用性和艦艇戰(zhàn)斗力的生成。水聲裝備是擔(dān)負(fù)反潛作戰(zhàn)任務(wù)水面艦艇必不可少的預(yù)警探測類電子裝備，近年來該類新裝備的大量入役，對(duì)艦員維修保障能力提出了新的要求。主要體現(xiàn)在水下濕端和收放存儲(chǔ)裝置液壓控制系統(tǒng)及動(dòng)力設(shè)備的維修，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能直接觀察，維修訓(xùn)練困難，故障排除缺少可視化操作指導(dǎo)，難度較大。而近年廣泛運(yùn)用于航空裝備維修領(lǐng)域的虛擬維修技術(shù)是解決該難點(diǎn)問題，提高艦員水聲裝備維修保障能力的有效手段。

1.發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬維修技術(shù)是基于VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)構(gòu)建虛擬場景，利用建模軟件生成裝設(shè)備數(shù)字樣機(jī)，再借助交互設(shè)備驅(qū)動(dòng)維修場景中的人體手臂或維修人員3D模型完成維修過程的仿真、實(shí)現(xiàn)虛擬人機(jī)互動(dòng)的綜合性應(yīng)用技術(shù)。虛擬維修技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)是借助計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算能力和圖像處理能力構(gòu)建虛擬場景和設(shè)備，可在其中開展裝備的結(jié)構(gòu)拆卸、裝配，零部件更換等可視化作業(yè)，突破了傳統(tǒng)維修性設(shè)計(jì)在空間和時(shí)間上的局限，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段上的不足。虛擬維修技術(shù)通過可視化的虛擬仿真與測試工作不僅能尋找裝設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)存在的問題缺陷還可以為裝設(shè)備使用過程中的預(yù)防性維修提供依據(jù)，可大幅節(jié)省裝設(shè)備的全壽命周期使用和維修經(jīng)費(fèi)。

隨著開發(fā)成本的逐步降低，除維修階段，虛擬維修技術(shù)也越來越多地運(yùn)用于裝備維修人員培訓(xùn)，實(shí)踐證明顯，該技術(shù)可顯著提高維護(hù)人員的培訓(xùn)效率，降低實(shí)際維修過程中的操作失誤，縮減維修成本。最具代表性的案例有：哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的虛擬維修訓(xùn)練、洛克希德馬丁公司F-16戰(zhàn)斗機(jī)的維修性設(shè)計(jì)分析等項(xiàng)目。目前國內(nèi)外民用航空領(lǐng)域已廣泛采用虛擬維修技術(shù)替代金屬樣機(jī)運(yùn)用于大型飛機(jī)的維修性設(shè)計(jì)、評(píng)估優(yōu)化、維修訓(xùn)練及維修保障全過程。隨著VR技術(shù)的普及運(yùn)用，虛擬維修技術(shù)逐漸從航空航天領(lǐng)域向船舶、車輛、大型軍事裝備等其它領(lǐng)域擴(kuò)展。

2.系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

水聲裝備虛擬維修系統(tǒng)整體采用C/S架構(gòu)即客戶端—服務(wù)器結(jié)構(gòu)。服務(wù)器選用數(shù)據(jù)運(yùn)算能力強(qiáng)的高性能圖形工作站。客戶端部分主要包括虛擬交互設(shè)備、建模管理模塊、維修仿真模塊和顯示控制模塊等四部分，分別由硬件設(shè)備和軟件模塊兩部分構(gòu)成，如圖1所示。

（1）虛擬交互設(shè)備

虛擬交互設(shè)備主要由輸出設(shè)備和輸入設(shè)備兩部分組成，輸出設(shè)備主要包括具有深度沉浸感的3D眼鏡或VR數(shù)據(jù)頭盔、圖像處理計(jì)算機(jī)。虛擬交互單元中的圖象處理計(jì)算機(jī)用于接收傳感器捕捉到的三維人體姿態(tài)數(shù)據(jù)，并結(jié)合虛擬維修場景數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維視景的圖形圖像渲染。輸入端可采用VR手柄或數(shù)據(jù)手套、全身穿戴式輸入設(shè)備等，用以實(shí)時(shí)捕捉人體手臂等肢體及方位的變化，轉(zhuǎn)化為人體姿態(tài)數(shù)據(jù)。

（2）維修建模模塊

維修建模模塊主要由建模計(jì)算機(jī)和軟件組成。其作用是接收來運(yùn)用3DMax或其它軟件生成的三維數(shù)字模型和設(shè)備結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，通過建模管理軟件模型轉(zhuǎn)換處理，生成模型庫數(shù)據(jù);通過選擇模型和定義約束，生成維修場景庫數(shù)據(jù);通過選擇場景和預(yù)設(shè)維修過程，生成維修任務(wù)庫數(shù)據(jù)，以上數(shù)據(jù)均存儲(chǔ)到服務(wù)器。

（3）維修仿真模塊

維修仿真模塊主要由維修仿真計(jì)算機(jī)和軟件組成，其作用是對(duì)虛擬維修過程中的空間變換、操作動(dòng)作進(jìn)行分析，調(diào)用數(shù)據(jù)和資源執(zhí)行維修響應(yīng)，完成維修時(shí)間、維修空間及維修過程的記錄以及阻滯現(xiàn)象分析等。

（4）顯示控制模塊

顯示控制模塊由圖像處理計(jì)算機(jī)及相應(yīng)軟件組成，作用是進(jìn)行維修任務(wù)控制，包括任務(wù)的開始、結(jié)束、暫停以及相關(guān)人員虛擬場景中的行為控制，并提供虛擬維修場景的實(shí)時(shí)渲染圖像顯示和圖形視角的變換。通過大屏顯示器或投影儀輸出全景虛擬維修場景。

3.關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法

3.1虛擬維修模型構(gòu)建

實(shí)現(xiàn)水聲裝備的虛擬維修，首先要利用三維建模軟件構(gòu)建一個(gè)逼真的、高度沉浸的虛擬工作場景，并根據(jù)裝備的尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)建立三維實(shí)物模型。虛擬維修場景和裝設(shè)備模型構(gòu)建可采用建模軟件+虛擬現(xiàn)實(shí)引擎的方式開發(fā)。常用的建模軟件有3DS Max、Maya、Multigen-Creator、Auto CAD等，常用的虛擬現(xiàn)實(shí)引擎有Virtools、Quest3D、Unity3D等。

3DS Max可用于三維建模、渲染和創(chuàng)作三維動(dòng)畫，在工業(yè)設(shè)計(jì)仿真、多媒體動(dòng)畫教學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。它的優(yōu)點(diǎn)是操作的自由度高，具有多邊形建模功能，缺點(diǎn)是細(xì)節(jié)渲染不夠細(xì)膩、控制的流暢度不足。但對(duì)尺寸相對(duì)較大的水聲裝備虛擬維修而言，其重點(diǎn)在于動(dòng)作交互場景逼真，以及操作人員對(duì)維修流程的掌握，而對(duì)交互的精細(xì)程度及維修的響應(yīng)速度要求不高。與3DS Max配套的Unity3D引擎對(duì)其輸出文件的支持性較好，轉(zhuǎn)換不易失真和出現(xiàn)亂碼。因此對(duì)水聲裝備收放存儲(chǔ)裝置、液壓動(dòng)力系統(tǒng)等維修模型結(jié)構(gòu)件較大的場景較為適用。

Virtools是另一型應(yīng)用廣泛的虛擬現(xiàn)實(shí)引擎，利用其開發(fā)虛擬系統(tǒng)，操作簡單、人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)容易。水聲裝備虛擬維修系統(tǒng)主要對(duì)存儲(chǔ)裝備和液壓動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，使用Pro/E構(gòu)建裝備的三維模型和虛擬工作場景模型，可保證零件模型結(jié)構(gòu)和位置的準(zhǔn)確性，但液壓元件較多時(shí)運(yùn)行速度降低。模型創(chuàng)建完畢后導(dǎo)入Virtools中，利用的Virtools的BB模塊和VSL編程，實(shí)現(xiàn)交互功能，如液壓油泵、溢流閥、油管、墊片等液壓元件的虛擬拆卸、更換、虛擬操作員手臂動(dòng)作的仿真等。

以上兩種虛擬環(huán)境和三維模型開發(fā)軟件組合各有優(yōu)劣，根據(jù)水聲裝備主要針對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓動(dòng)力裝置進(jìn)行換件維修的特點(diǎn)，選擇Pro/E+Virtools的開發(fā)組合更具優(yōu)勢。

4.2虛擬維修過程仿真

在虛擬現(xiàn)實(shí)引擎中根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境的尺寸比例和空間布局關(guān)系將構(gòu)建的虛擬維修裝備、維修工具及虛擬維修操作人員等模型整合在虛擬工作環(huán)境中，構(gòu)建虛擬維修場景。在虛擬維修場景中，操作人員按照相對(duì)固化的維修作業(yè)流程進(jìn)行虛擬維修操作，形成的虛擬仿真數(shù)據(jù)用于后續(xù)維修性分析和驗(yàn)證。

4.3虛擬維修分析驗(yàn)證

虛擬維修系統(tǒng)可為水聲裝備維修人員提供收放存儲(chǔ)裝置、液壓動(dòng)力系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)件的維修性及維修工藝過程支撐環(huán)境，利用虛擬維修技術(shù)可構(gòu)建無實(shí)物的虛擬環(huán)境，并可通過3D眼鏡、VR數(shù)據(jù)頭盔和VR手柄、數(shù)據(jù)手套等虛擬交互設(shè)備與虛擬環(huán)境中的維修對(duì)象進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)水聲裝設(shè)備維修工藝過程的模擬，并對(duì)維修的可視性、可操作性及維修性等指標(biāo)進(jìn)行分析。根據(jù)維修分析的結(jié)果對(duì)虛擬維修模型、維修交互方式、維修操作過程、維修工藝流程等程序進(jìn)行修改完善，直到實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。完整的虛擬維修分析流程如圖2所示。

4.系統(tǒng)功能與應(yīng)用

虛擬維修系統(tǒng)可完成裝備維修性分析、故障快速診斷、故障維修指導(dǎo)、沉浸式維修技能訓(xùn)練、維修數(shù)據(jù)管理、維修信息查詢以及維修理論學(xué)習(xí)和考核評(píng)價(jià)等功能。該系統(tǒng)可根據(jù)輸入的故障現(xiàn)象，自動(dòng)檢索分析，快速對(duì)故障進(jìn)行定位，并通過三維場景直觀對(duì)故障部位和現(xiàn)象進(jìn)行展現(xiàn)，為維修人員排除故障提供直觀、便捷的操作方法圖像、圖形和文字指導(dǎo)，并可提供維修所需電路圖紙、備件信息等電子資料的快速查詢。維修人員可在系統(tǒng)構(gòu)建的沉浸式三維場景中，操作虛擬工具和設(shè)備進(jìn)行維修訓(xùn)練，通過維修體驗(yàn)形成技能和操作經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)語

傳統(tǒng)維修技術(shù)主要通過現(xiàn)場診斷，借助設(shè)計(jì)圖紙和技術(shù)資料來對(duì)故障進(jìn)行分析，再通過實(shí)裝或樣機(jī)進(jìn)行維修驗(yàn)證，對(duì)于艦艇水聲裝備先驗(yàn)性維修指導(dǎo)獲取難，維修訓(xùn)練開展和維修經(jīng)驗(yàn)積累難。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和維修性評(píng)價(jià)理論，首先對(duì)水聲裝備維修過程構(gòu)建包含維修環(huán)境、維修工具和維修對(duì)象三者的三維實(shí)物模型，然后進(jìn)行虛擬維修過程進(jìn)行仿真。具體對(duì)收放存儲(chǔ)裝置、液壓動(dòng)力系統(tǒng)維修過程中的可視性、可達(dá)性、可操作性等指標(biāo)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)三位場景和模型進(jìn)行修改，對(duì)維修過程進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最佳的維修工藝過程虛擬仿真。實(shí)踐證明，虛擬維修技術(shù)是艦員在海上遠(yuǎn)離基地保障條件下獲得現(xiàn)場維修指導(dǎo)和開展維修訓(xùn)練，積累維修經(jīng)驗(yàn)，提高戰(zhàn)時(shí)水聲裝備維修保障能力的有效途徑。

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作者簡介：

太祿東，男，副教授.Email：lvye0451@163.com 研究方向：聲納探測。