某型艦用柴油機虛擬維修技術研究

袁先徳，羅運同，王 建，謝有志

(1.海軍湛江地區裝備修理監修室，廣東 湛江 524009;2.92854部隊，廣東湛江 524000)

0 引言

某型艦用柴油機結構復雜、技術含量高，給艦員的日常管理使用和維修保障工作帶來很大難度，如何使其盡快形成戰斗力，是海軍目前訓練任務的一個重要課題。傳統的實裝訓練方法一方面受到裝備數量和訓練場地的限制，受訓時間和質量難以得到保證，另一方面由于裝備結構復雜、造價昂貴，訓練過程中需要大量的工具、零件和材料的消耗，訓練成本非常高。因此傳統的訓練方法難以滿足現實需求。本文針對某型艦用柴油機，用計算機三維建模代替實際裝備，用虛擬維修過程代替實際維修過程，實現人機交互訓練，提供維修決策支持。不僅能夠滿足維修任務的需要，而且為海軍裝備現代化維修訓練和保障提供一定的參考，具有非常重要的軍事意義和深遠的現實意義。

1 虛擬維修技術簡介

虛擬維修技術就是借助于虛擬現實技術，在計算機生成的虛擬環境中，進行維修工程活動。在維修實踐中，使用虛擬維修訓練系統能大大提高訓練和維修效果，節約訓練經費，提供較為準確的維修決策。因此，虛擬維修技術作為虛擬現實、多媒體、人工智能等新型技術與維修訓練這一傳統項目相結合的產物，是裝備維修訓練保障發展的新方向。

2 柴油機虛擬維修技術的實現

2.1 系統框架的構建

在對虛擬維修技術在國內外的發展情況進行充分調研的基礎上，結合現有的計算機軟硬件平臺，綜合考慮各方面的條件、可實現性、完善性，設計某型艦用柴油機虛擬維修支持系統，如圖1所示。該系統基于Solidworks三維建模軟件和VB系統開發平臺，采用Access數據庫技術，實現了柴油機的虛擬現實，可方便快捷的瀏覽、查詢、添加和刪除設備的三維模型、工程圖、故障案例、維修標準等信息;實現拆裝維修的指導和交互操作，柴油機維修數據和備件的管理，維修決策支持等。

圖1 系統功能框架圖

2.2 三維模型的建立

考慮到CAD建模平臺的建模功能以及后期模型轉換的可行性和精度要求，本系統利用Solidworks軟件對艦船機電設備進行標準三維建模、交互式動畫制作及部分工程圖制作。Solidworks是基于Windows系統開發的三維機械CAD軟件，它以參數化特征造型為基礎，設計者利用它可以進行零件設計、曲面建模、鈑金設計、裝配體設計以及運用Solidworks自帶插件 (高級動畫工具Animator)制作設備的交互式動畫。

通過三維建模，模型渲染，最后輸出3DXML文件。圖2為該型柴油機噴油器的三維模型。

圖2 噴油器三維模型

2.3 開放式數據庫的設計

本文采用關系型數據庫來實現，通過將建立的對象模型向關系數據庫模式的映射，最終將對象間的關系轉化為二維表及表間關系。

該數據庫具有以下3個特點:①具有可修改能力，以適應設備系統不同壽命階段技術狀態的變化;②中立格式，數據對象的內容和格式必須分離定義，以確保不同的顯示系統或其他的信息系統能夠共享信息資源;③標準格式，確保具有數據交換的能力。

通過Access軟件設計了數據庫，對柴油機每個系統設備進行編組分類排序，實現柴油機設備二維矢量圖紙、三維模型和對應的維修決策高效管理。

由于目前所掌握的柴油機設備資料、故障維修資料有限，數據庫中難免存在著不足，因此允許用戶進行更改和保存，在登錄權限設計上設置了2種模式:管理員模式和普通用戶模式，管理員擁有更改模型數據庫和維修資料數據庫的權限，普通用戶只能對模型進行虛擬維修操作及維修資料的瀏覽和學習。

2.4 虛擬維修交互操作的實現

交互式平臺采用eDrawings軟件，這一控件在整個虛擬平臺開發過程中有著廣泛的應用。通過它可以實現系統對數據庫中二維矢量圖紙和三維模型的訪問、查看。在完成三維模型數據的導入后，可以對三維模型進行相應的處理，包括模型精度、比例、燈光、材質等，使其按照虛擬維修操作的要求在虛擬現實軟件中進行腳本編譯和程序編譯，以實現交互式虛擬維修操作的需要。同時eDrawings軟件提供了相應的控件，能方便地瀏覽設備三維模型，可以從對模型進行剖視、任意方位的旋轉、放大或縮小、移動單個零部件、測量以及透明效果觀看模型內部結構。實現三維模型的放大、縮小、移動、拆卸、測量等一系列虛擬操作。

2.5 系統的集成和界面的開發

系統的集成過程中主要是通過特定的開發環境實現將虛擬維修操作模型及數據庫等后臺程序集成到一個平臺，以方便用戶使用。

本文采用VB程序開發軟件，設計系統主界面，實現數據庫和虛擬現實軟件之間接口對接。該主界面包括:標題欄、菜單欄、工具欄、樹狀結構欄、顯示窗口和狀態欄。標題欄是用來顯示文件的標題;菜單欄用來調用各零件的各種特征;樹狀結構欄用來顯示零件的所屬系統結構;顯示窗口用來顯示當前所選零件;狀態欄用來顯示當前的狀態;工具欄用來實現零件的快捷操作。

菜單欄中包括用戶管理、設備視圖、修理標準、故障處理、搶修預案、編輯、查詢、幫助、退出9個菜單。用戶管理菜單可以幫助用戶實現對窗口的管理功能;設備視圖中羅列出所選零件所具有的視圖屬性;修理標準菜單規定了所選零件在修理的過程中所要達到的標準;故障處理菜單羅列出所選零件的常見故障的解決方法;搶修預案菜單羅列出搶修方法以及注意事項。

工具欄中包括三維圖、工程圖、拆裝視頻、拆卸、測量、平移、還原、播放、停止、退出10個工具欄選項圖標，通過這些快捷按鈕可以輕松實現對柴油機的虛擬拆卸維修操作。

3 總結

某型艦用柴油機虛擬維修系統不僅能夠實現該型柴油機設備的虛擬拆裝操作訓練，而且能夠實現對拆裝過程中維修決策支持的功能，同時具備用戶權限管理功能及對虛擬維修模型和維修決策支持數據庫更新功能，因此該系統具備了虛擬維修訓練功能。同時該系統作為一個通用的虛擬維修保障與決策支持平臺，具有可移植性、可擴展性、可升級性，可供其它虛擬維修保障與決策支持平臺參考使用，對促進海軍裝備維修訓練的發展具有重要的意義。

［1］輝華，王航宇，盧發興，張密.基于面向對象的交互式電子技術手冊數據庫建模 ［J］.計算機工程，2003(6):187.

［2］黃金波，杜曉明，呂劍鋒.交互式電子技術手冊數據庫模型的設計 ［J］.網絡與信息技術，2006(11):53－54.

［3］姜宇鋒，吳曉平，付鈺.基于IETM的艦船裝備維修指導系統的分析與設計 ［J］.艦船電子工程，2008，28(7):131－133.