基于虛擬現實技術的裝備維修訓練系統設計

賈麗 杜浩 李梓 尹航 周桃

摘? 要：隨著虛擬現實技術的不斷發展，為了彌補實裝訓練的不足，裝備虛擬維修訓練日益受到關注。該文進行了裝備虛擬維修訓練系統的基本功能與模塊設計，對關鍵技術進行分析，并構想了未來的發展方向，可為復雜裝備虛擬維修訓練系統開發提供參考與借鑒。

關鍵詞：虛擬現實? 航天裝備? 訓練

中圖分類號：TP37? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）03（b）-0011-03

Abstract： With the rapid development of the virtual reality technology，the shortcomings of the conventional real weapon equipments maintenance training can be remedied by adopting virtual maintenance training technology. This paper designs the basic functions and module design of equipments virtual maintenance training system，and reviews the significance and development status of virtual maintenance based on VR technology.And the end of the paper，we imagine the development direction of this system using in military. On the basis of above results，the system framework is designed，which can be used for the development of all kinds of equipment virtual maintenance training systems.

Key Words： VR; Aerospace Equipment; Training

故障排除和裝備維修是裝備保障中的一個重要內容，特別是當裝備在野外作戰時，如何實現故障的快速診斷和維修對于保持作戰能力至關重要。目前的方法是制定維修操作手冊，供使用人員查閱參考，但這種方法存在資料查詢不方便、無法提供實時聯動式幫助、操作實物成本高、延誤作戰時機等缺陷;而采用實際裝備進行維修操作訓練又容易對裝備帶來不必要的損耗，且難以覆蓋某些精密、貴重儀器設備的維修。利用虛擬現實（VR）技術預先開展虛擬維修訓練，以實景顯示的形式，提升使用人員的維修水平，可以有效地解決這些問題。

1? 虛擬維修技術研究現狀

虛擬維修技術將計算機仿真技術與VR技術結合，主要應用于產品維修性設計、維修流程規劃、維修操作訓練、維修仿真驗證，通過構建沉浸式、交互式的虛擬維修環境，使用戶能直觀地開展操作。在一些難操作或者容易發生危險的項目操作前，事先進行虛擬訓練可以大幅度降低維修風險。虛擬維修突破了設備維修在時間、空間上的制約，可逼真展現設備的檢驗、分解、裝配、故障診斷、更換、修理等操作;通過仿真操作過程，還能為規劃維修任務、配置保障人員、選擇修理工具、確定拆卸順序、預留維修空間和預計保障費用等提供輔助決策[1]。

虛擬維修在國外起步較早，通過多年發展及實踐檢驗，取得了很大的成果。例如，在哈勃太空望遠鏡升空不久，NASA就發現其光學系統故障，無法完成預定功能，由于太空裝備的修理存在技術難度及一次成敗問題，美國預先利用虛擬現實技術搭建了一個模擬維修平臺，在該平臺上供維修人員進行預先模擬維修活動，在地面進行充分的訓練之后成功完成了太空修理任務。虛擬維修技術在美國F-16、C-130、F-22等飛機的維修訓練中得以應用[2]。中國航天員科研訓練中心在2013年搭建了一個航天員太空協同操作訓練仿真系統結構。該系統結構能支持多名航天員模擬太空協同操作訓練任務[3]。

2? 功能需求分析

利用VR技術創建維修訓練虛擬環境，通過對虛擬裝備進行排故訓練、拆裝訓練和測試訓練，掌握裝備維修的原理及操作過程，與實裝訓練相比，具有降低訓練費用、縮短訓練時間、豐富訓練種類、實現訓練考核等特點[4]。

基本功能需求分析如下：

（1）通過仿真產品的運動學和動力學等特性，實現對產品及真實維修場景的虛擬再現。

（2）實現訓練人員在不同仿真場景中的虛擬漫游。

（3）實現對于虛擬產品的拆卸、裝配等交互操作。

（4）對訓練人員的操作過程進行判斷并以日志記錄。

（5）實現對于訓練人員的故障設置。

（6）在指定模式下可實現對操作原理的實時顯示。

（7）實現維修人員數據、故障數據，知識數據、路徑規劃數據等信息管理。

（8）支持教學、自學、考核等多種訓練模式。

另外，裝備的維修由用戶自主開展是一個發展趨勢，受專業知識、維修工具、備品備件的限制，用戶方從事較為復雜的維修工作往往存在難度，新裝備的研制過程中也在向簡化用戶操作的趨勢發展。因此，系統設計時還必須考慮以下需求：

（1）人機交互簡單，界面顯示簡潔。

（2）重點關注在用戶層面開展的關鍵維修操作，需返廠維修的項目不訓練。

（3）仿真的裝配關系必須與實際裝備一致。

（4）仿真維修操作流程必須與實際裝備一致。

3? 虛擬維修訓練系統設計

3.1 系統框架

采用MVC的開發模式，將系統設為模型層、視圖層、控制層3層架構，降低各模塊之間的耦合聯系，做成一個通用的、產品化的、可適用于多種裝備的維修訓練系統。如圖1所示為虛擬維修訓練系統的基本框架。

模型層用來管理系統中用到的各種數據，如三維模型、維修流程、故障數據、用戶數據、知識數據等;視圖層主要是執行人機交互操作，維修人員可直觀獲取裝備模型圖、維修過程及原理，開展訓練操作;控制層作為視圖層及模型層之間的數據傳輸交換接口，是整個系統的核心。它接收從視圖層發來的訓練指令，判斷要執行的動作，執行指令，調用模型層中數據，實現零部件模型讀取、訓練過程記錄及訓練效果評價計算，最終將訓練結果提交到視圖層，并對模型層數據的修改進行存儲更新。

3.2 軟硬件模塊設計

在確定系統需求及總體框架后，將功能實現分為虛擬場景構建、維修操作仿真、輔助維修、信息管理等4個功能模塊。各功能模塊之間的交換關系如圖2所示。

3.2.1 虛擬場景構建模塊

該模塊是整個系統中最基本的模塊，用來演示裝備系統、分系統、子系統、單機及零部組件的三維視圖。訓練過程中通過簡單的手勢操作，可實現虛擬場景中維修人員視角的轉換以及虛擬場景視野的縮放。

3.2.2 維修操作仿真模塊

通過操作界面接收操作指令，實現對維修設備三維模型的操作，如模型整體或者部分零部件的移動、旋轉、縮放。

為滿足不同種類訓練需求，主要分為3種操作模式：在教學模式下能夠實現自動拆裝功能，按照步驟向維修人員演示正確連續的拆卸、更換、裝配過程。自學模式下，系統通過流程式的引導和提示，幫助維修人員完成自主學習。當維修操作順序錯誤時，無法進行到后續步驟，系統給出錯誤信息。考核模式下，維修人員可隨意進行維修操作，系統后臺記錄維修過程，利用一定的考核算法實現訓練科目評估。

3.2.3 輔助維修模塊

在進行訓練之前，操作人員通過選擇故障庫中的不同故障類型，實現故障機理的深層學習，系統可提供當前或者即將進行的拆裝步驟信息及當前零部件原理，流程化地實現輔助維修訓練。

3.2.4 信息管理模塊

實現維修人員信息、故障數據，拆裝序列規劃和移動路徑規劃等信息管理。維修人員信息的管理包括人員單位、所屬部門、訓練科目、訓練成績等。故障數據維護包括裝備的故障庫的增刪改查，并可根據考核的需要設置故障數據。拆裝序列規劃即根據維修手冊規范，確定產品拆裝先后順序，生成與實際相符的動作序列。移動路徑規劃，即拆裝過程中產品的移動路線，應盡量避免在零部件移動過程中發生遮擋、穿透、重疊等問題。

系統的關鍵硬件如圖3所示。

3.3 數據庫內容設計

數據庫分為人員信息管理、故障信息管理、設備信息管理、拆裝序列與路徑規劃管理、維修信息管理5部分。

人員信息管理包括參訓單位表、人員信息表、角色分配表、權限分配表，并設定三員管理，管控人員權限信息。

故障信息管理包括故障基本信息表、故障現象表、故障原理表、故障處理流程表，管理員對該表中的故障基本信息，以及該故障導致的現象進行維護。

設備信息管理包括設備分層產品結構表、設備名稱表、設備初始化角度和位置表等。

拆裝序列與路徑規劃管理包括拆裝故障對應的拆裝序列和序列所對應的零部件的路徑規劃表。

維修信息管理包括教學科目表、自學訓練信息表、考核過程表和成績評估表等，用來對維修人員在系統中的演示、訓練和考核信息進行管理。

4? 系統關鍵技術

4.1 三維模型優化處理技術

虛擬維修訓練系統必備的基本資源包括人體模型庫、動作姿態庫、維修部件庫和維修工具庫。為了場景的逼真直觀，這些三維模型為了從各個角度詳細查看模型細節，將嚴重降低場景中三維模型的渲染速度。在確保模型數量及完整性為優先考量的基礎上，為了提高渲染速度，對三維模型進行優化處理是虛擬場景構建時應該考慮的關鍵問題。

4.2 拆裝碰撞檢測技術

系統擁有大量關系緊密的零部件，拆裝過程的訓練對于碰撞檢測的要求也就更高，不僅需要有碰撞檢測功能，還不能過于影響仿真系統的運行速度。可以先采用近似檢測排除明顯不相交的物體，然后再對可能發生碰撞的物體進行精確檢測，看其是否發生了碰撞，若發生碰撞的話再計算出發生碰撞的位置，為了訓練的真實性，還應有碰撞后的碰撞響應。

5? 未來軍事領域可研方向分析

5.1 滿足協同訓練需求，構建虛擬協同維修訓練系統

目前已經應用的虛擬維修系統大多還是局限于單人的訓練或者分布式仿真維修。單人的維修模式滿足不了大型裝備維修的實際需求;而分布式虛擬維修雖可實現多人對同一維修活動的共享，但沒有考慮多人協作操作。大型裝備的維修為一項協同工作，不能把多人協同的維修理解為單人維修的簡單擴展。從協作角度出發，構建大型裝備的協同虛擬維修系統，是一個需要研究的領域。

5.2 滿足資源共享需求，構建虛擬維修訓練云仿真平臺

現有基于HLA的分布式虛擬維修訓練系統任務和設備耦合緊密，仿真效率低下，維護起來存在難度;仿真資源僅限于短距離范圍內的共享，利用率不高[5]。以云計算及云仿真理念，構建一套虛擬維修訓練云仿真平臺，將分散的武器裝備訓練資源、仿真資源等集中到一個大型的數據中心。平臺可將裝備虛擬維修訓練仿真資源以云模式共享，實現人員對各類資源的安全按需調用、不同地點多用戶按需協同互操作，滿足大范圍分布式維修訓練仿真需求。

6? 結語

利用虛擬維修訓練系統，維修人員可以實現維修過程的重現，對難操作項目進行反復操作，在完成任務后可以對維修過程進行評估，為實際操作打下良好的基礎。與傳統的維修訓練方式相比，虛擬維修訓練既有效降低了成本，同時也大大地提高了訓練效果。

參考文獻

[1] 劉佳，劉毅.虛擬維修技術發展綜述[J].計算機輔助設計與圖形學學報，2009，21（11）：1519-1534.

[2] 高博，黃昉，侯春牧.虛擬現實技術在美軍實戰化訓練中的應用及啟示[J].國防科技，2014，35（2）：94-96.

[3] 趙博，劉鳳財，向彩霞.航空航天虛擬裝配和虛擬維修進展綜述[J].導彈與航天運載技術，2016（5）：53-57.

[4] 耿朝陽，劉德明.武器裝備虛擬維修訓練系統的設計與實現[J].電子測試，2014（1）：7-9.

[5] 朱東方，蘇群星，劉鵬遠.裝備分布式虛擬維修訓練云仿真關鍵技術[J].計算機應用，2013（10）：2778-2782.①作者簡介：賈麗（1989—），女，漢族，河北衡水人，碩士，工程師，研究方向：綜合保障總體設計。