基于虛擬現(xiàn)實的軍用后勤裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)模型設(shè)計

摘要:通過研究分析虛擬現(xiàn)實理論和特點，結(jié)合后勤裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)要素和具體要求，探索一種適應(yīng)部隊信息化建設(shè)發(fā)展的數(shù)字化維修訓(xùn)練系統(tǒng)，即基于虛擬現(xiàn)實的后勤裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)。從系統(tǒng)模型組織結(jié)構(gòu)入手，深入分析了各層次內(nèi)涵，為建立具體裝備的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實;裝備維修訓(xùn)練;系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)

中圖分類號:TP311文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2009)24-6810-02

Model Design of Maintenance Training System for Military Logistic Equipment Based on Virtual Reality

XU Yang

(Dept. of Petroleum Supply Engineering， LEU， Chongqing 400016， China)

Abstract: By analyzed the theory and characteristic of virtual reality， considered the system factors and actual needs of logistic equipment maintenance training work， a numeric maintenance training system is designed to adapt for military information-based progress， that is virtual maintenance training system for logistic equipment based on virtual reality. By designed the model framework of training system， analyzed the connotation of all system levels， the theoretical foundation design of every actual logistic equipment maintenance training system is provided.

Key words: virtual reality; equipment maintenance training; system model framework

由于科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，軍用后勤裝備功能逐漸完善，效能不斷增強，其復(fù)雜程度和科技含量亦越來越高，隨之帶來了裝備維修訓(xùn)練等一系列相關(guān)問題。比如，傳統(tǒng)的維修訓(xùn)練主要依靠裝備使用手冊，或者是維修工作中積累的歷史經(jīng)驗，但后勤裝備因其戰(zhàn)場定位和配備情況不同于武器裝備，平時操作使用程序復(fù)雜，影響因素較多，導(dǎo)致其維修工作效率較低，裝備故障形式可遇而不可求。尤其對新裝備來說，由于其價格昂貴且數(shù)量有限，結(jié)合實裝的傳統(tǒng)維修訓(xùn)練成本就更高了。在這種情況下，后勤部隊亟需一種適應(yīng)信息化建設(shè)發(fā)展的高效便捷的數(shù)字化訓(xùn)練方式，而虛擬現(xiàn)實及其技術(shù)因其高模擬化、高集成性等多種特點，在后勤裝備維修訓(xùn)練上的應(yīng)用也就應(yīng)運而生。

1 虛擬現(xiàn)實

虛擬現(xiàn)實，又稱為靈境，是一種可以創(chuàng)造和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。虛擬世界是由計算機生成的，通過視、聽、觸覺等多感知方式作用于用戶，使之產(chǎn)生身臨其境的沉浸感、交互感[1]。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)具有3個最基本特征:沉浸感(Immersion)、交互感(Interaction)和想象感(Imagination)，即3I特征[2]。它是對虛擬現(xiàn)實概念的定性闡述，也是判斷虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的首要標準。目前，根據(jù)虛擬現(xiàn)實發(fā)展進程，基于不同層次的仿真計算和實現(xiàn)方法，虛擬現(xiàn)實大致可分為以下三種類型，即利用個人計算機、低檔工作站進行仿真，通過各種外部輸入設(shè)備、感知設(shè)備進行操控的個人桌面平臺式虛擬現(xiàn)實;對真實場景利用虛擬技術(shù)進行模擬仿真，通過數(shù)據(jù)手套等各種沉浸式感知設(shè)備進行操控的增強型虛擬現(xiàn)實;利用多用戶、分布式計算機，通過網(wǎng)絡(luò)連接，同時參與同一個虛擬空間中虛擬物體的操控的分布式虛擬現(xiàn)實。

2 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)設(shè)計

虛擬維修是虛擬現(xiàn)實技術(shù)在維修性工程上的一個發(fā)展，即實際維修過程在計算機及相關(guān)設(shè)備上的本質(zhì)仿真實現(xiàn)。它是采用計算機仿真與虛擬現(xiàn)實技術(shù)，通過協(xié)同工作的模式，實現(xiàn)裝備維修性的設(shè)計分析、維修過程的規(guī)劃與驗證、維修操作訓(xùn)練與維修支持、各級維修機構(gòu)的管理與控制等裝備維修的本質(zhì)過程，進而增強裝備全壽命周期各階段、全系統(tǒng)各層次的決策與控制能力。虛擬維修在裝備全壽命周期階段的應(yīng)用主要集中在兩個方面:產(chǎn)品開發(fā)和維修訓(xùn)練[3]。

虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，即維修活動與訓(xùn)練工作的數(shù)字化實現(xiàn)方式，它是利用CAD技術(shù)、VR技術(shù)、PDM系統(tǒng)等計算機仿真方式創(chuàng)建訓(xùn)練平臺，用于對裝備使用維修人員的培養(yǎng)和訓(xùn)練[3]。

雖然后勤裝備類型繁雜，數(shù)量眾多，不同的裝備結(jié)構(gòu)決定了不同的功能，其虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)具體形式也不盡相同，但通過分析研究虛擬現(xiàn)實技術(shù)原理和裝備維修性工程理論知識，后勤裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)當具有統(tǒng)一的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，即符合虛擬現(xiàn)實特征，適用于裝備信息化建設(shè)發(fā)展，滿足部隊實際需求的一種系統(tǒng)性、集成化訓(xùn)練模型。據(jù)此，虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)主要分為系統(tǒng)界面、訓(xùn)練核心、數(shù)字模型和技術(shù)支持等四個層次，如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)界面

系統(tǒng)界面層是裝備維修訓(xùn)練人員與虛擬系統(tǒng)的交互方式和接口。它主要包括輸入界面和輸出界面。輸入界面是系統(tǒng)接受使用人員的輸入命令、響應(yīng)鼠標與鍵盤事件，采集裝備CAD系統(tǒng)和維修性工程的數(shù)據(jù)，以及其他外設(shè)硬件的應(yīng)用，如數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器、語音輸入、行為輸入等。輸出界面主要是將虛擬系統(tǒng)應(yīng)用層的過程現(xiàn)象和處理結(jié)果以交互式的靜、動態(tài)圖像和各種音頻形式反饋給使用人員。輸入界面為虛擬系統(tǒng)應(yīng)用層提供建模與仿真數(shù)據(jù)的來源和更新，以匹配維修訓(xùn)練所需的各種裝備模型和過程參數(shù)，并通過輸出界面以多感知、多媒體形式實現(xiàn)系統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實特征，即沉浸感、交互感和想象感。可以說，系統(tǒng)界面層就是訓(xùn)練系統(tǒng)體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實優(yōu)越性的感知窗口。

2.2 訓(xùn)練核心

訓(xùn)練核心層是裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用功能實現(xiàn)的核心。它是基于系統(tǒng)界面層的各種輸入命令，通過預(yù)先編制的程序，調(diào)出或運行系統(tǒng)模型層里的相應(yīng)模型數(shù)據(jù)或參數(shù)，再經(jīng)過程序計算，最后利用輸出界面把處理結(jié)果和信息反饋給訓(xùn)練人員。訓(xùn)練核心將系統(tǒng)界面與系統(tǒng)數(shù)字模型一一對應(yīng)起來，是整個虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的控制大腦，保證了系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。

裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)是以訓(xùn)練為手段，以裝備結(jié)構(gòu)和故障模式為基礎(chǔ)，以使用操作和維修操作為目標。因此，系統(tǒng)訓(xùn)練核心主要分為裝備結(jié)構(gòu)與操作訓(xùn)練和裝備故障診斷與維修訓(xùn)練兩大模塊。模塊體系由建模、過程和考核評價等內(nèi)容組成。建模包括裝備結(jié)構(gòu)建模、故障建模、過程建模等。過程既包括裝備平時使用操作過程、故障診斷過程、維修操作過程，也包括裝備維修保障的組織、管理、運作等過程。考核評價是對每個模塊的訓(xùn)練目標進行分析、評價、優(yōu)化，以期達到提高裝備操作人員和維修人員的操作技能。

2.3 數(shù)字模型

數(shù)字模型層是用于儲存、生成、維護和管理虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)運行過程中所需的各種模型數(shù)據(jù)和虛擬參數(shù)。它包括裝備CAD模型、裝備故障與診斷模型、裝備維修性過程模型、訓(xùn)練系統(tǒng)組織模型、訓(xùn)練系統(tǒng)信息模型、虛擬人模型、虛擬設(shè)備模型、虛擬環(huán)境模型等，并為系統(tǒng)訓(xùn)練核心層提供數(shù)據(jù)支持接口，完成模型對象對應(yīng)系統(tǒng)界面層的數(shù)據(jù)組織、儲存和調(diào)取。數(shù)字模型就如同每個人的知識積累和經(jīng)驗閱歷，只有不斷豐富完善的模型內(nèi)涵，才能滿足訓(xùn)練人員不斷增長的學(xué)習(xí)需求。

任何模型都應(yīng)包含有模型的概念、模型的描述、模型的功能約束條件、模型的空間和模型的多種形態(tài)等特征說明。而基于VR技術(shù)的建模與仿真，其理想追求是一種可實現(xiàn)人、機、環(huán)境自然交互的“世界”，虛擬模型的視覺、聽覺、觸覺感知如同真實裝備一樣。但因成本和技術(shù)等客觀因素，桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)仍然得到了廣泛應(yīng)用。基于桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的模型又可分為數(shù)字式和半實物兩類，而在虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，一種采用視景仿真技術(shù)模擬裝備外觀，實現(xiàn)部分裝備實物的模型正在不斷發(fā)展完善。模型細節(jié)程度可根據(jù)訓(xùn)練需求進行裁減，使用及維修操作過程的訓(xùn)練亦可更直觀、更快捷的表現(xiàn)出來。這些功能和要求的實現(xiàn)則是建立在系統(tǒng)技術(shù)層的相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)之上。

2.4 技術(shù)支持

技術(shù)支持層是支撐虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)運行、功能實現(xiàn)的軟硬件及其技術(shù)。它包括裝備CAD建模與仿真技術(shù)、多媒體培訓(xùn)系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理(PDM)系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)與設(shè)備、操作系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、虛擬樣機與環(huán)境系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)等。其中，虛擬現(xiàn)實外設(shè)包括數(shù)據(jù)手套、三維顯示頭盔、立體眼鏡、三維跟蹤捕捉儀、數(shù)據(jù)衣等，用以獲取人體行為動作參數(shù)、計算姿位參數(shù)、傳遞控制指令、反饋多感知信息等，它充分體現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸性和交互性特點。

3 結(jié)束語

軍用后勤裝備維修訓(xùn)練是后勤部隊訓(xùn)練工作中的一個重要組成部分。如何推進后勤裝備維修訓(xùn)練行之高效，不斷適應(yīng)部隊信息化建設(shè)發(fā)展的需要，提高裝備操作人員的技能水平，這是一個需要長期深入研究的重要課題。由于后勤裝備類型繁雜，功能結(jié)構(gòu)不一，如何建立虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)類別還需要進一步分析、研究;構(gòu)建虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的各種裝備模型，裝備技術(shù)手冊內(nèi)容數(shù)字化實現(xiàn)，裝備故障及修復(fù)數(shù)據(jù)的采集等大量工作還需要進一步研究、規(guī)劃。

參考文獻:

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