虛擬機(jī)務(wù)培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

高 華

0 引言

目前飛機(jī)機(jī)務(wù)培訓(xùn)主要采用教員結(jié)合文本、掛圖講解，學(xué)員到真機(jī)上實(shí)際操作的培訓(xùn)模式。首先，講解本身缺乏直觀性和生動性，另外對于新研制的機(jī)型，不能投入大量真機(jī)用于維修培訓(xùn)。其次，在真機(jī)上進(jìn)行培訓(xùn)存在受時間和場地限制、訓(xùn)練成本高、易損壞飛機(jī)等弊端。

虛擬機(jī)務(wù)培訓(xùn)是虛擬維修訓(xùn)練的重要組成部分，虛擬機(jī)務(wù)培訓(xùn)系統(tǒng)可分為桌面式、沉浸式、增強(qiáng)式和分布式。國外從20世紀(jì)90年代，對虛擬維修培訓(xùn)技術(shù)的應(yīng)用做了大量研究。新加坡南洋理工大學(xué)的Li等研究了桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) V-REALISM 用于維修培訓(xùn)[1]。意大利薩勒諾大學(xué)的Abate等研究了一種應(yīng)用于航空工業(yè)中基于觸覺的虛擬維修訓(xùn)練方法，實(shí)現(xiàn)了高交互性的虛擬環(huán)境[2]。國內(nèi)對虛擬維修培訓(xùn)系統(tǒng)的研究起步較晚，但發(fā)展迅速。軍械工程學(xué)院的郝建平等人對系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究，提出了一種基于Multi-Agent的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)(VMTS)結(jié)構(gòu)框架，對復(fù)雜裝備虛擬維修培訓(xùn)技術(shù)的研究具有重要意義。

虛擬機(jī)務(wù)培訓(xùn)以維修培訓(xùn)為研究對象，以虛擬現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)，利用多維的網(wǎng)絡(luò)平臺，多元的信息接口，為飛機(jī)維修培訓(xùn)建立起一個“實(shí)裝”、“實(shí)地”和“實(shí)戰(zhàn)”的仿真環(huán)境[3]。依據(jù)機(jī)務(wù)培訓(xùn)相關(guān)法律法規(guī)，利用模擬結(jié)果實(shí)現(xiàn)對機(jī)務(wù)人員的訓(xùn)練、考核、評估。系統(tǒng)最基本的功能是對機(jī)務(wù)人員進(jìn)行培訓(xùn)，使其在進(jìn)行實(shí)物維修前就能掌握相關(guān)機(jī)型的維修知識、具備一定維修和維修指揮能力，對于改進(jìn)培訓(xùn)效果、降低培訓(xùn)費(fèi)用具有極大的促進(jìn)作用[4]。

1 系統(tǒng)開發(fā)的總體方案

本文針對飛機(jī)機(jī)務(wù)培訓(xùn)的實(shí)際需求,構(gòu)建虛擬機(jī)務(wù)培訓(xùn)系統(tǒng)。基于仿真的機(jī)務(wù)培訓(xùn)系統(tǒng)的開發(fā)過程，可以認(rèn)為是從底層數(shù)據(jù)出發(fā)，經(jīng)過功能模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理得到相應(yīng)的結(jié)果，最終將這些結(jié)果通過用戶界面?zhèn)鬟_(dá)到應(yīng)用層，并以與用戶交互的手段達(dá)到訓(xùn)練和考核的目的。因此，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框架可以分為底層數(shù)據(jù)庫、構(gòu)件層和應(yīng)用層3個層面加以描述，如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框架圖

該系統(tǒng)為飛機(jī)機(jī)務(wù)培訓(xùn)和飛機(jī)運(yùn)行技術(shù)保障等提供高效的平臺，為提早飛機(jī)維修開展計(jì)劃、縮短維修培訓(xùn)時間、提高維修效率、節(jié)約維修成本、保障維修培訓(xùn)的安全性創(chuàng)造有利條件。培訓(xùn)機(jī)構(gòu)對機(jī)務(wù)人員進(jìn)行培訓(xùn)時，采用類似于CAVE三維虛擬環(huán)境，為學(xué)員營造身臨其境的訓(xùn)練氛圍。同時為了便于受訓(xùn)人員完成課后復(fù)習(xí)，進(jìn)行針對性訓(xùn)練，提高受訓(xùn)人員的專業(yè)知識和維修技能，系統(tǒng)經(jīng)過簡單設(shè)置后受訓(xùn)人員可在PC上利用桌面式三維虛擬環(huán)境進(jìn)行維修培訓(xùn)課程的自我訓(xùn)練。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 場景優(yōu)化技術(shù)

場景優(yōu)化的方法，主要包括模型數(shù)據(jù)輕量化和多分辨率繪制，這兩種方法是提高圖像繪制性能非常有效的技術(shù)。模型數(shù)據(jù)輕量化主要是對模型冗余信息的去除和對三角網(wǎng)格模型的簡化。前者主要是去除零件的建模過程信息及零部件間的裝配關(guān)系，后者主要是減少三維網(wǎng)格的頂點(diǎn)、邊和面片的數(shù)量。多分辨率技術(shù)以網(wǎng)格簡化為基礎(chǔ),通過構(gòu)造原始網(wǎng)格模型的多個逼近表示,結(jié)合硬件資源的繪制能力和繪制誤差選擇最優(yōu)的細(xì)節(jié)層次( level-of-detail ,LOD)[5]進(jìn)行繪制。該技術(shù)既能保證場景的視覺效果,又能提高場景的繪制幀速,大大改善系統(tǒng)的實(shí)時性。

2.2 基于Virtools的虛擬維修交互操作的實(shí)現(xiàn)

在完成模型的導(dǎo)入后, 首先需要在 Virtools環(huán)境下對模型進(jìn)行調(diào)整, 包括光線、材質(zhì)、顯示比例、坐標(biāo)等模型屬性。同時利用 Virtools 強(qiáng)大的交互功能實(shí)現(xiàn)對模型的交互操作,在Virtools中實(shí)現(xiàn)對模型的控制, 可以通過直接調(diào)用行為模塊庫中的內(nèi)置BB( Behavior B locks), Virtools本身提供了500多個BB并提供了行為輸入、行為輸出、參數(shù)輸入、參數(shù)輸出4個接口, 因此可以在BB 資源庫方便的調(diào)用BB 并利用BB對模型進(jìn)行相應(yīng)的控制[6]。在實(shí)現(xiàn)模型的虛擬維修交互操作之后, 需要將模型發(fā)布成 VMO 文件供系統(tǒng)集成平臺調(diào)用。

2.3 基于.Net的系統(tǒng)集成

將完成好的維修過程仿真文件導(dǎo)入 Virtools軟件內(nèi)完成交互開發(fā), 形成了可供用戶進(jìn)行操作的VMO 文件。這些文件可以直接在IE瀏覽器內(nèi)進(jìn)行瀏覽和操作(在系統(tǒng)已經(jīng)安裝V irtools Web Player控件的前提下)。但這樣只能實(shí)現(xiàn)對單個文件的交互操作, 而設(shè)備零部件的層次關(guān)系、拆卸和裝配說明、維修指導(dǎo)等內(nèi)容無法直接在IE 內(nèi)與零部件的VMO 文件同時顯示, 不能形成一個完整的系統(tǒng), 因此需要進(jìn)一步進(jìn)行系統(tǒng)的集成。而Virtools Web Player為Window s環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn)COM 控件,可以通過在.Net環(huán)境下調(diào)用該控件實(shí)現(xiàn)對虛擬維修交互模型的集成。

3 系統(tǒng)開發(fā)的流程

依照信息化項(xiàng)目“總體規(guī)劃，分布實(shí)施”的原則，系統(tǒng)開發(fā)采用DASSAULT SYSTEMES公司系列產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)務(wù)培訓(xùn)系統(tǒng)的飛機(jī)系統(tǒng)介紹、三維展示、維修仿真、維修培訓(xùn)測驗(yàn)等功能并完成課件的制作。具體的開發(fā)流程，如圖2所示：

圖2 系統(tǒng)開發(fā)流程圖

3.1 三維模型的構(gòu)建

3.1.1 維修場景的建模

1)三維模型采用CATIA 和3DS MAX聯(lián)合建模的方法。CATIA 是一款具有強(qiáng)大造型功能和分析功能的 CAD 軟件，具有基于特征的參數(shù)化建模功能，適合飛機(jī)各系統(tǒng)中精細(xì)零部件模型的創(chuàng)建。另外CATIA模型可保存成3dxml數(shù)據(jù)格式直接進(jìn)入 VIRTOOLS,其材質(zhì)信息也不會丟失。對精度要求不高的維修場景模型的創(chuàng)建本文利用 3DS MAX 建模軟件。CATIA建立某商用飛機(jī)發(fā)動機(jī)的三維模型和 3DS MAX建立的飛機(jī)機(jī)庫模型，如圖3所示：

圖3 三維模型效果圖

2）虛擬人模型直接采用DELMIA的Human Builder模塊建立，并用Human Measurements Edit模塊對其進(jìn)行尺寸的重新定義，以符合中國成年人的人體尺寸標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.2 場景模型的優(yōu)化

模型的優(yōu)化直接關(guān)系著系統(tǒng)的運(yùn)行效率和使用性，本文分別從縮減文件體積和提高文件運(yùn)行效率兩個方面進(jìn)行優(yōu)化。對模型體積的優(yōu)化分為兩個階段：在使用建模軟件制作模型階段，通過減面運(yùn)算的方法進(jìn)行優(yōu)化；在編輯文件階段，通過壓縮運(yùn)算的方法進(jìn)行優(yōu)化。對模型運(yùn)行效率的優(yōu)化同樣分兩個階段進(jìn)行，在使用建模軟件制作模型階段，通過設(shè)置光源、優(yōu)化紋理等方法進(jìn)行優(yōu)化，在編輯文件階段，則通過優(yōu)化細(xì)節(jié)層次和優(yōu)化碰撞檢測的方法進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 維修過程的仿真

維修過程仿真是通過維修場景和虛擬人的行為來實(shí)現(xiàn)維修有關(guān)活動或過程的模擬。通過運(yùn)動控制對虛擬人行為進(jìn)行調(diào)整來仿真虛擬人行為，更新維修場景的狀態(tài)，響應(yīng)虛擬人行為仿真請求，實(shí)現(xiàn)維修場景的約束運(yùn)動仿真，并對維修仿真的結(jié)果輸出進(jìn)行記錄和處理，形成仿真過程文件。

維修過程仿真是實(shí)現(xiàn)維修訓(xùn)練的基礎(chǔ)，主要包括兩個部分：維修對象拆裝規(guī)劃和拆裝操作仿真。維修對象拆裝規(guī)劃是對維修拆卸過程的分析，包括對維修人員的身體指標(biāo)、維修人員的數(shù)量、維修工具的種類和數(shù)量、維修設(shè)備的種類、拆裝路徑、拆裝順序的規(guī)劃。拆裝操作仿真是基于案例的維修活動仿真，是維修訓(xùn)練系統(tǒng)底層的核心工作和實(shí)現(xiàn)最終應(yīng)用的基礎(chǔ)。拆裝操作仿真是依據(jù)AMM手冊的要求，在虛擬環(huán)境中，利用虛擬人完成整個維修活動。拆裝操作仿真的工作重點(diǎn)是維修對象的拆卸過程實(shí)現(xiàn)，包括維修準(zhǔn)備、故障隔離、拆卸、更換、安裝、檢測、調(diào)校、檢驗(yàn)。基于DELMIA軟件的虛擬人維修過程仿真，如圖4所示：

圖4 基于DELMIA軟件的虛擬人維修過程仿真

3.3 仿真結(jié)果的后處理

維修過程仿真完成了整個維修工程的數(shù)據(jù)化、可視化，但是場景逼真度不夠高，為了達(dá)到更好的訓(xùn)練效果，便于數(shù)據(jù)的集成，實(shí)現(xiàn)良好的交互式操作，需要對仿真結(jié)果實(shí)施優(yōu)化處理。另外為提高訓(xùn)練效果，加深學(xué)員對重要信息的印象，讓受訓(xùn)人員及時了解維修的操作進(jìn)程，在關(guān)鍵的操作位置，能及時給出警示語音或者警示文字。作為重要的輔助訓(xùn)練手段，語音信息、文字信息的添加可以更好的實(shí)現(xiàn)理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐的結(jié)合。Virtools中進(jìn)行后期處理的部分腳本，如圖 5所示：

圖5 Virtools后期處理腳本

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

基于前文所述的開發(fā)方案以及根據(jù)實(shí)際需求，我們將該虛擬機(jī)務(wù)培訓(xùn)系統(tǒng)分成3個子系統(tǒng)來描述，如圖6所示：

圖6 虛擬機(jī)務(wù)培訓(xùn)系統(tǒng)劃分示意圖

其中，學(xué)習(xí)子系統(tǒng)和在線幫助子系統(tǒng)采用多媒體方式，描述系統(tǒng)導(dǎo)航信息和飛機(jī)系統(tǒng)資料信息。資料采取分層次存儲，按功能關(guān)系和裝配關(guān)系智能檢索，并根據(jù)用戶信息推斷用戶尋求資料條目，建立更加適人化的人機(jī)操作界面。訓(xùn)練操作子系統(tǒng)提供逼真的視景仿真，完成對某型商用飛機(jī)的虛擬維修訓(xùn)練，并對訓(xùn)練效果和總體質(zhì)量進(jìn)行評估和預(yù)測。

5 結(jié)論

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立虛擬機(jī)務(wù)培訓(xùn)系統(tǒng)，可有效地降低機(jī)務(wù)培訓(xùn)成本，大大提高培訓(xùn)質(zhì)量。本文以維修工程理論為基礎(chǔ), 通過虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺 Virtools，構(gòu)建了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框架，研究并解決了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，同時以此框架開發(fā)了虛擬機(jī)務(wù)培訓(xùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能滿足航空公司對機(jī)務(wù)人員培訓(xùn)的需要，同時該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框架，也為其他復(fù)雜裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)，提供了一種較新的思路。

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