基于3ds Max/EON的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)

秦　英,朱望純

(桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林　541004)

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基于3ds Max/EON的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)

秦英,朱望純

(桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林541004)

針對(duì)維修訓(xùn)練成本高、效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于3ds Max/EON的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用3ds Max建模與優(yōu)化，利用EON構(gòu)建虛擬維修場(chǎng)景，并通過(guò)維修操作的動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)和序列化控制實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能。引入數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)增強(qiáng)系統(tǒng)的可重用性，通過(guò)系統(tǒng)的集成進(jìn)行多設(shè)備、多故障類型虛擬維修訓(xùn)練。應(yīng)用結(jié)果表明，該虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)能夠節(jié)約訓(xùn)練成本，提高訓(xùn)練效率。

虛擬維修；場(chǎng)景構(gòu)建；人機(jī)交互；系統(tǒng)集成

目前，裝備維修大多是利用維護(hù)說(shuō)明書(shū)、多媒體、錄像和教材等資源結(jié)合實(shí)裝訓(xùn)練開(kāi)展，這些訓(xùn)練方式可交互性差,存在受訓(xùn)人員數(shù)量和時(shí)間難以保證的缺陷。此外，建立培訓(xùn)基地需要投入大量的人力物力，給經(jīng)濟(jì)帶來(lái)很大壓力，不利于受訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)。近年來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已成為解決維修人員訓(xùn)練問(wèn)題的新方法，虛擬維修已成為各國(guó)裝備維修領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢(shì)之一。日本東京大學(xué)的Srinivasan等[1]提出了虛擬維修系統(tǒng)的概念，明確了虛擬維修系統(tǒng)包含的內(nèi)容，美國(guó)、日本等國(guó)家由于起步較早、基礎(chǔ)較好、投入較大，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已進(jìn)入實(shí)用階段。相較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)十多年的研究，已取得不少成果，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還存在一定差距[2-3]。

為此，在分析虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，搭建系統(tǒng)框架，引入數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)將數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)，提高系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率，結(jié)合EON的外部軟件接口技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，增強(qiáng)交互功能。以某電路維修為例，完成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與集成，為操作人員進(jìn)行維修訓(xùn)練提供新的方式和手段。

1　系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)主要由建模模塊、虛擬維修訓(xùn)練仿真模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、系統(tǒng)集成管理平臺(tái)4個(gè)部分組成。建模模塊采用3ds Max建立維修工具及維修對(duì)象的三維模型，并以3ds格式進(jìn)行保存。虛擬維修訓(xùn)練仿真模塊完成三維展示及虛擬維修交互操作訓(xùn)練，主要包括維修操作的模塊化和序列化，同時(shí)，能夠?yàn)橛?xùn)練過(guò)程提供維修操作指導(dǎo)，記錄操作過(guò)程，評(píng)估訓(xùn)練效果。數(shù)據(jù)庫(kù)模塊存儲(chǔ)模型文件、虛擬維修交互場(chǎng)景文件、常見(jiàn)故障類型、維修操作步驟列表、受訓(xùn)人員的考核成績(jī)表等，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與集成提供數(shù)據(jù)支持。系統(tǒng)集成管理平臺(tái)為系統(tǒng)的核心，通過(guò)相應(yīng)接口對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)及虛擬維修仿真模塊進(jìn)行集成，提供用戶界面，實(shí)現(xiàn)維修場(chǎng)景及訓(xùn)練模式選擇、故障設(shè)置、訓(xùn)練評(píng)估等功能。

圖1　虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)Fig.1　Virtual maintenance training system

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如下：

1)學(xué)習(xí)功能。系統(tǒng)能夠?qū)⒕S修工具及維修對(duì)象進(jìn)行三維可視化展示，包括多視角觀測(cè)、設(shè)備介紹及功能描述等，將用戶帶入一個(gè)信息量大、立體的訓(xùn)練環(huán)境，使用戶能夠熟悉其結(jié)構(gòu)組成、工作原理，達(dá)到學(xué)習(xí)目的。

2)故障模擬。系統(tǒng)能夠?qū)收闲畔⑦M(jìn)行分類存儲(chǔ)，模擬設(shè)備的常見(jiàn)故障現(xiàn)象。受訓(xùn)人員在訓(xùn)練過(guò)程中，能夠設(shè)置故障類型，熟悉各種故障現(xiàn)象和故障診斷的方法，掌握各種維修工具的使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的診斷和定位，提高故障檢修能力。

3)維修訓(xùn)練。系統(tǒng)能夠根據(jù)設(shè)置的故障類型給出操作提示，引導(dǎo)受訓(xùn)人員通過(guò)交互設(shè)備，完成維修訓(xùn)練操作，若操作發(fā)生錯(cuò)誤，則給出錯(cuò)誤提示。

4)考核評(píng)估。系統(tǒng)能夠記錄受訓(xùn)人員的維修操作過(guò)程，在考核結(jié)束后，制定合理的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)虛擬維修仿真模塊記錄的操作過(guò)程信息，評(píng)定考核成績(jī)，對(duì)維修訓(xùn)練效果進(jìn)行評(píng)估。

2　虛擬維修仿真模塊設(shè)計(jì)

2.1場(chǎng)景構(gòu)建

虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建是整個(gè)系統(tǒng)中最重要的部分，是實(shí)現(xiàn)虛擬維修訓(xùn)練的骨架。EON代表最前沿的VR技術(shù)，采用基于節(jié)點(diǎn)的場(chǎng)景圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述構(gòu)建的虛擬場(chǎng)景，能夠很好地描述模型的層次特性，同時(shí)還具有易學(xué)易用、整合性強(qiáng)的特點(diǎn)[4]。使用3ds Max建立三維實(shí)體模型并進(jìn)行優(yōu)化[5]，然后通過(guò)模型轉(zhuǎn)換接口導(dǎo)入EON中完成虛擬場(chǎng)景的構(gòu)建。

場(chǎng)景構(gòu)建的過(guò)程如下：首先，在3ds Max環(huán)境下，將維修工具、維修對(duì)象的模型文件整合到.3ds文件中，并調(diào)整實(shí)體模型到合理的位置。同時(shí)，為了方便給模型添加動(dòng)作，通過(guò)分組命令，將屬于同一實(shí)體模型的零部件分為一組，然后將其導(dǎo)入到EON，在此過(guò)程中，模型間的相對(duì)位置和分組關(guān)系仍被保留，便于進(jìn)行虛擬維修交互功能的設(shè)計(jì)。最后用Viewport節(jié)點(diǎn)調(diào)整場(chǎng)景的視角，Ambient節(jié)點(diǎn)調(diào)整環(huán)境光。如果比例關(guān)系不合適，還可以通過(guò)框架節(jié)點(diǎn)的Scale屬性調(diào)整大小，使整個(gè)場(chǎng)景有較好的觀測(cè)效果。

2.2維修過(guò)程的模塊化處理

維修過(guò)程是受訓(xùn)人員操作維修對(duì)象的過(guò)程，由使用者的一系列行為構(gòu)成[6]。根據(jù)設(shè)備維修規(guī)程，將維修訓(xùn)練過(guò)程分解為由多個(gè)操作步驟構(gòu)成的序列化模型，對(duì)每步操作進(jìn)行模塊化處理，并制作三維動(dòng)畫(huà)，使程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程更加清晰，而且便于控制每個(gè)步驟間的邏輯關(guān)系。

系統(tǒng)中對(duì)各維修步驟的動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)是通過(guò)給模型設(shè)定一定的運(yùn)動(dòng)路徑實(shí)現(xiàn)，由鼠標(biāo)點(diǎn)擊觸發(fā)，并伴隨一定的視角切換功能。當(dāng)用戶通過(guò)鼠標(biāo)選擇相應(yīng)的實(shí)體模型時(shí)，被選對(duì)象會(huì)按照預(yù)定的路徑移動(dòng)到目標(biāo)位置，完成與虛擬環(huán)境的交互，采用EON中的ClickSensor節(jié)點(diǎn)、KeyFrame節(jié)點(diǎn)和Place節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。KeyFrame節(jié)點(diǎn)用來(lái)設(shè)置位置路徑，進(jìn)行路徑規(guī)劃，需要注意的是KeyFrame節(jié)點(diǎn)中的每個(gè)控制點(diǎn)都是相對(duì)于物體自身坐標(biāo)原點(diǎn)的位置。ClickSensor節(jié)點(diǎn)用來(lái)接收用戶發(fā)出的點(diǎn)擊指令，通過(guò)路由把消息發(fā)送出去，觸發(fā)KeyFrame節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生路徑動(dòng)畫(huà)。若對(duì)某個(gè)模型的操作多于2次，采用計(jì)數(shù)器節(jié)點(diǎn)對(duì)鼠標(biāo)觸發(fā)事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，使2次操作相互獨(dú)立。維修過(guò)程模塊化路由示意圖如圖2所示。

圖2　維修過(guò)程模塊化路由示意圖Fig.2　Route of maintenance process module

2.3維修過(guò)程的序列控制

將維修步驟模塊化后，還需要對(duì)各步驟間的先后順序進(jìn)行規(guī)劃，監(jiān)視用戶的輸入操作事件，如鼠標(biāo)的點(diǎn)擊、鍵盤(pán)的輸入等，進(jìn)而判斷當(dāng)前操作的正誤，并作出響應(yīng)，使用戶按照正確的操作步驟訓(xùn)練，完成整個(gè)虛擬維修過(guò)程的仿真。維修操作規(guī)程規(guī)定了維修操作的序列，也就是一種順序結(jié)構(gòu)，以有限狀態(tài)機(jī)的方法處理操作工序狀態(tài)，對(duì)每一操作步驟進(jìn)行編號(hào)，允許受訓(xùn)人員進(jìn)行第N個(gè)操作的必要條件是第N-1個(gè)操作被標(biāo)記為已完成。在正確的操作序列下，系統(tǒng)會(huì)響應(yīng)用戶的操作，啟動(dòng)維修步驟對(duì)應(yīng)模型的路徑動(dòng)畫(huà)。在操作規(guī)程中，有些操作是可以并行的，將并行的操作編為相同的號(hào)碼即可。

Script節(jié)點(diǎn)是EON節(jié)點(diǎn)中功能最強(qiáng)大的節(jié)點(diǎn)[7]，采用腳本編程的方式實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的功能。采用Script節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)各維修操作步驟的順序控制，是功能實(shí)現(xiàn)的主體部分，若當(dāng)前操作正確，則在該步驟完成后，顯示下一步操作的文字提示信息，若不正確，操作無(wú)法進(jìn)行，并給出錯(cuò)誤提示，直到用戶操作正確為止。其設(shè)計(jì)思路如圖3所示。

1)在Script中為每個(gè)模型的點(diǎn)擊操作建立Clc輸入域，用來(lái)檢測(cè)用戶的輸入操作，同時(shí)為每個(gè)維修步驟的完成動(dòng)作建立In輸入域，并與該步驟操作模塊對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的OnRunFalse屬性域連接，檢測(cè)該操作步驟是否完成。

2)在Script中建立N個(gè)Out輸出域，與對(duì)應(yīng)步驟操作模塊對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的SetRun屬性域相連接，用來(lái)觸發(fā)某個(gè)操作步驟。自定義的輸入輸出屬性域均為SFBool型。

3)在Script中設(shè)置一個(gè)全局變量m，用來(lái)記錄當(dāng)前正在進(jìn)行的操作步驟的編號(hào)。當(dāng)操作步驟n(n≤N)完成時(shí)，Script節(jié)點(diǎn)的Inn輸入域?qū)?yīng)子程序被觸發(fā)，在此子程序中將m的值設(shè)置為n+1，指明下一步允許用戶進(jìn)行的操作序列。

4)當(dāng)用戶進(jìn)行某個(gè)點(diǎn)擊操作時(shí)，會(huì)觸發(fā)Script節(jié)點(diǎn)中的Clc輸入域，執(zhí)行子程序，在此子程序中，判斷操作的序列是否等于m。若相等，則將控制此操作序列的Out輸出域的值設(shè)為True，即可觸發(fā)Stepn操作模塊，啟動(dòng)路徑動(dòng)畫(huà)，同時(shí)記錄正確操作數(shù)；若不相等，則給出錯(cuò)誤提示信息，并記錄錯(cuò)誤操作數(shù)。

圖3　維修過(guò)程的序列控制示意圖Fig.3　Sequence control of maintenance process

3　基于SQL Server的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

不同的虛擬維修場(chǎng)景，可能會(huì)用相同的維修工具，具有相同的故障現(xiàn)象。當(dāng)重新生成維修場(chǎng)景時(shí)，維修工具的屬性信息存在重復(fù)性問(wèn)題。采用將各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)的方式進(jìn)行管理，當(dāng)選定不同的維修場(chǎng)景時(shí)，只需從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用相關(guān)字段即可。因此，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)可以為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互提供數(shù)據(jù)來(lái)源，減少重復(fù)性工作，簡(jiǎn)化程序開(kāi)發(fā)過(guò)程。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)體包括維修場(chǎng)景、故障類型、維修工具、維修對(duì)象、考核訓(xùn)練表及人員信息，它們都有各自的屬性信息，采用實(shí)體-聯(lián)系的方法描述實(shí)體及其屬性、不同實(shí)體間的關(guān)系，將E-R圖轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫(kù)表，如表1所示。最后利用Windows控制面板中的ODBC數(shù)據(jù)源管理工具注冊(cè)數(shù)據(jù)源，通過(guò)建立的ODBC數(shù)據(jù)源，完成數(shù)據(jù)表的訪問(wèn)。

當(dāng)在系統(tǒng)界面中選擇虛擬維修場(chǎng)景時(shí)，首先使用ODBC數(shù)據(jù)源讀取場(chǎng)景表中所選場(chǎng)景的存儲(chǔ)路徑，完成場(chǎng)景的加載和顯示，再用多表查詢方式通過(guò)維修場(chǎng)景編號(hào)查找維修工具編號(hào)、維修工具名稱及故障類型名稱，并以遞歸方法向樹(shù)形控件插入維修工具名稱，向故障信息列表框加載故障類型名稱進(jìn)行顯示，完成后方可控制場(chǎng)景進(jìn)行訓(xùn)練。在訓(xùn)練過(guò)程中，系統(tǒng)將用戶操作與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的正確步驟對(duì)比，最后自動(dòng)存儲(chǔ)考核成績(jī)到數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶可對(duì)歷史訓(xùn)練成績(jī)進(jìn)行查詢。

表1　數(shù)據(jù)庫(kù)表

4　系統(tǒng)集成與發(fā)布

在完成虛擬維修訓(xùn)練仿真模塊和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，用VC++6.0開(kāi)發(fā)集成管理平臺(tái)，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)和EON與VC之間的通信機(jī)制[8]，設(shè)計(jì)用戶界面，將二維控制面板與三維操作場(chǎng)景結(jié)合，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景組成、維修工具及對(duì)象的結(jié)構(gòu)展示、維修訓(xùn)練控制的集成，使用戶在訓(xùn)練過(guò)程中可以進(jìn)行維修場(chǎng)景選擇、故障類型設(shè)置、維修操作過(guò)程控制和多視角觀測(cè)等。此外，在考核模式下，系統(tǒng)集成管理平臺(tái)能夠接收虛擬維修訓(xùn)練仿真模塊記錄的錯(cuò)誤操作數(shù)、考核用時(shí)等信息，評(píng)估用戶的訓(xùn)練效果，并將考核成績(jī)存入數(shù)據(jù)庫(kù)。VC與EON的通信原理如圖4所示。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

圖4　VC與EON通信原理Fig.4　Communication principle between VC and EON

1)在EON中創(chuàng)建InEvent(入事件)或OutEvent(出事件)節(jié)點(diǎn)。出事件接口OutEvent負(fù)責(zé)向VC發(fā)送數(shù)據(jù)，入事件接口InEvent負(fù)責(zé)接收從VC發(fā)出的信號(hào)。

2)在EON中建立Script節(jié)點(diǎn)與EventIn節(jié)點(diǎn)或EventOut節(jié)點(diǎn)的連接。

3)在VC程序中添加對(duì)虛擬場(chǎng)景OutEvent事件的數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)函數(shù)OnEventEonx()，然后為其添加相應(yīng)代碼獲取EON的數(shù)據(jù)并處理，最后將處理后的指令/數(shù)據(jù)利用接口函數(shù)SendEvent()發(fā)送到InEvent節(jié)點(diǎn)。需要注意的是EON中出事件和入事件的數(shù)據(jù)類型應(yīng)該與VC中設(shè)定的數(shù)據(jù)類型保持一致。

以某電路維修為例，依據(jù)維修規(guī)程，系統(tǒng)功能界面如圖5所示，其流程如圖6所示。選擇零槽模塊，對(duì)其進(jìn)行右視圖觀測(cè)，其零槽模塊右視圖如圖7所示。

圖5　系統(tǒng)功能界面Fig.5　Function interface of system

圖6　維修訓(xùn)練流程圖Fig.6　Flow chart of maintenance training

圖7　零槽模塊右視圖Fig.7　Right view of zero slot module

5　結(jié)束語(yǔ)

研究了虛擬維修系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)方法和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，將EON與VC++6.0結(jié)合，嵌入多種維修訓(xùn)練場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了多種維修對(duì)象及多故障排除訓(xùn)練。以某電路維修為例，對(duì)涉及的關(guān)鍵技術(shù)與方法進(jìn)行了驗(yàn)證，用戶在維修訓(xùn)練過(guò)程中，像操作真實(shí)的儀器一樣，能夠提高訓(xùn)練效率，降低成本。應(yīng)用結(jié)果證明了所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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編輯：梁王歡

Virtual maintenance training system based on 3ds Max/EON

QIN Ying, ZHU Wangchun

(School of Electronic Engineering and Automation, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China)

Due to the high cost and low efficiency of the maintenance training, a virtual maintenance training system based on 3ds Max/EON is designed. 3ds Max is used to realize modeling and optimization of the system. EON is used to build virtual maintenance scenario and develop human-computer interaction through the animation design and sequence control of the maintenance operation, then database technology is used to enhance the reusability of the system. Finally the system can be applied for more equipments and fault types in virtual maintenance training through system integration. The application results show that the virtual maintenance training system can reduce training cost and improve training efficiency.

virtual maintenance; scenario building; human-computer interaction; system integration

2015-11-19

朱望純(1976-)，男，湖南衡陽(yáng)人，副教授，研究方向?yàn)樽詣?dòng)測(cè)試總線VXI、PXI，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及軟件，虛擬儀器及可互換式虛擬儀器(IVI)，虛擬現(xiàn)實(shí)。E-mail:zhwch@guet.edu.cn

TP391.9

A

1673-808X(2016)03-0234-06

引文格式： 秦英,朱望純.基于3ds Max/EON的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2016,36(3):234-239.