基于VR的大型設備虛擬維修系統設計

鐘建強

摘要：針對技術文檔查閱不便，利用實裝難以開展維修訓練等不足，基于VR技術設計一套大型設備虛擬維修系統，通過構建具有高度沉浸感的操作場景和虛擬設備，實現大型設備的全系統維修仿真。該系統具有輔助故障診斷、維修指導、技能訓練、理論學習和考核評價等功能，既可用于野外快速診斷故障，也可用于平時的維修技能訓練和考核，對于快速形成學生的維修技能具有重要意義。

關鍵詞：VR;大型設備;虛擬維修

大型設備在國民經濟和軍事中應用十分廣泛。由于大型設備往往集機、電、液于一體，技術密集，結構復雜，設備昂貴，對職業院校維修保障相關專業學生維修技能的形成構成了巨大挑戰。為此，采用虛擬現實技術開發一套“基于VR的大型設備虛擬維修系統”，實現對設備故障的快速定位和維修訓練。

一、總體組成與功能設計

“基于VR的大型設備虛擬維修系統”主要由軟件、硬件和數據庫等組成，如圖1所示。

該系統主要功能設計如下：

1.故障快速診斷：能夠根據用戶輸入的故障現象，快速的對故障進行分析定位，診斷結果以圖形、文字和語音的形式加以呈現;

2.故障維修指導：對定位的設備故障，以圖形、文字和語音的方式指導用戶逐步排除故障;

3.維修技能訓練：在所構建的沉浸式場景中，用戶通過操作虛擬設備，達到維修實際裝備的真實體驗;

4.理論學習：形象直觀的演示大型設備整體及各分系統結構組成、工作原理，使用戶快速掌握設備性能機理;

5.考核評價：既可以對用戶的故障分析、定位及維修能力水平進行考核，也可以對某用戶某段時間內的考核成績進行統計分析，輔助學習調控;

6.數據庫管理：可對維修任務、人員、考核數據和設備等數據進行管理;

7.信息查詢：包括人員信息查詢、維修任務及狀態查詢、考核成績查詢。

二、硬件設計

硬件系統包括VR設備、加固計算機和綜合顯示設備等。

VR設備主要用于為用戶提供具有高度沉浸感的環境，能夠直觀的復現故障，并在系統的引導下逐步定位并排除故障，實現維修技能訓練功能。VR設備主要包括VR頭盔和手柄，實現人與虛擬環境的有效融合，為操作用戶提供虛擬操作的交互手段，可滿足多場景、多任務的操控需求。

加固計算機為便攜式加固一體機，主要用于接收虛擬設備的信息，包括用戶動作和位置等，運行實時同步管理軟件，采用同步技術，將多臺VR終端進行同步控制，實現多人或多設備同圖;運行導調管理軟件，實現任務、數據管理及導調控制等。

綜合顯示設備包括視頻控制設備、液晶電視和音響設備，主要用于顯示整個仿真場景，也可根據加固計算機設置顯示某一視角，同時實現三維音效功能。

三、軟件設計

軟件系統包括主控管理模塊、故障診斷模塊、維修指導模塊、技能訓練模塊、理論學習模塊、考核評價模塊等。

主控管理模塊主要包括導調控制和綜合管理兩部分。導調控制部分主要用于系統使用前、使用過程中的導調控制。綜合管理主要為系統提供一個有效的資源存儲數據整合平臺，并完成系統管理服務等工作。綜合管理系統通過網絡與各虛擬終端連接，通過導調系統實時控制用戶訓練進程和狀態。

故障診斷模塊用于根據故障現象，通過讀取故障信息庫判斷故障原因，從而對故障進行定位。用戶可以通過在搜索框輸入文字或在虛擬場景中拾取故障設備并選擇故障現象等方式輸入故障現象。

維修指導模塊用于對既定的故障，按照維修流程逐步導引用戶進行故障處置和維修。導引方式包括語音、文字和圖形等三種方式。

技能訓練模塊用于單個或多個用戶配合訓練，根據加固計算機設置的故障現象，按照排故流程逐步對故障進行定位和維修。

理論學習模塊用于形象直觀的演示大型設備的結構組成、安裝方式以及關鍵的工作原理等。其中，對結構組成通過語音和三維動畫的方式展示，工作原理通過二維動畫和三維動畫相結合的方式進行演示，進一步增強原理與設備的結合。

考核評價模塊用于對用戶的故障分析、處置與維修技能進行可視化考核。用戶在虛擬環境中，根據加固計算機自動抽選的故障庫，按照排故流程逐一對故障進行定位并維修。

四、數據庫設計

系統數據庫包括設備數據庫、故障信息庫、模型數據庫、用戶數據庫、原理數據庫、訓練數據庫等。

裝備數據庫是在系統梳理大型設備裝備結構組成和邏輯關系的基礎上形成的數字化武器系統，是整個系統運行的基礎。根據結構可將大型設備組件劃分為系統級、分系統級、設備級、部件級、元器件級五個層次。

故障信息庫是在基于實例和系統仿真的故障特征提取的基礎上，所建立的故障知識庫。通過收集整理設備故障實例，同時從系統模型和原理分析的角度出發，在研究大型設備系統構造及工作原理的基礎上，運用軟件流程仿真、電路仿真、故障樹分析等方法完成對原理性故障的獲取，科學建立故障信息格式。

模型數據庫主要包括設備模型和維修工具、環境等實體模型。由于在三維引擎中三維模型采用的是類似OpenFlight的樹狀層次化儲存結構，因此在制作各模型時，需要按照層級結構對各模型命名，并在場景中根據隸屬關系建立各模型之間的父子關系。

用戶數據庫部署于主控處理機，用于記錄用戶個人信息，如姓名、性別、出生年月、級別、崗位、單位、權限等。通過主控管理模塊可以增加、刪除或修改個人信息。

原理數據庫主要包括裝備結構組成的三維動畫和關鍵工作過程、電氣原理的二維動畫和三維動畫，并輔助語音解說，以多種方式加快用戶學習消化。

訓練數據庫主要包括與訓練、考核相關的信息，如訓練時間、科目、用戶、考核標準、成績等。

基于以上設計，本系統既可以用于野外對裝備故障進行快速診斷，也可用于平時的維修技能訓練和考核，對快速故障定位、提高學生維修技能具有重要作用。