虛擬維修技術綜述

冉躍龍，閆英敏，呂秀平

（軍械工程學院 河北 石家莊 050003）

隨著計算機技術的不斷進步，人們一直在探索怎樣在虛擬的計算機世界里再現真實世界的現象及規律。這種探索的成果是喜人的，沉浸于虛擬世界中的人甚至不能區分自己到底是在哪個世界。誕生不久的虛擬維修理論更是以其巨大的經濟、軍事及社會效益吸引著越來越多的人投身其中。虛擬維修主要涉及以下兩方面。

首先，傳統的維修訓練中，對于危險的，或昂貴的，或不可用于培訓的，或僅在特定的地方才有的設備，維修訓練難以進行或根本無法進行。然而，通過虛擬維修，上述問題就迎刃而解了，受訓人員可以在逼真的仿真環境中練習裝備的維修，熟悉維修過程，同時，不必擔心實際操作時發生的各種意外[1]。

其次，復雜設備在設計時，往往需要考慮其維修性，運用虛擬維修技術，可以在產品的論證階段就找到其中純在的設計缺陷，從而避免把維修缺陷帶入最終產品。

文中將對虛擬維修進行概述，介紹其設計原理與流程，并針對上述兩個方面論述其國內外的發展研究現狀，最后對其未來的發展方向進行展望。

1 虛擬維修概述

1.1 虛擬維修的定義

虛擬維修（Virtual Maintenance，VM）最早由美國在20世紀90年代提出，1997年美國軍用手冊MIL-HDBK-470A中指出：“使用VR技術，維修性工程師可進入到虛擬環境中，對虛擬產品進行維修。這樣，部件的可達性、部件分配空間的合理性以及完成特定維修任務所需的大概時間等信息均可以借助VR技術來進行評估[2]。”

至今，有關虛擬維修技術的應用研究雖然已經廣泛開展，但仍然沒有一個確切的定義來描述它。國外有人將虛擬維修定義為使用虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術來仿真維修工作，這種定義方式只是突出了虛擬現實技術的地位，而忽視了虛擬維修涉及的其他技術。也有人將通過遠程網絡連接來傳遞文本、聲音、圖片、視頻等信息輔助維修工作的系統，稱作虛擬維修系統。從本質上看，這種系統并沒有涉及對象的維修性問題，可以定義為一種遠程維修支援系統。文獻[3]對虛擬維修給出如下定義：“虛擬維修是以計算機技術與虛擬現實技術為依托，在由計算機生成的、包含了產品數字樣機與維修人員三維人體模型的虛擬場景中，通過驅動人體模型（包括采用人在回路的方式）來完成整個維修過程仿真的綜合性應用技術”。從此定義可以看出虛擬維修包含了維修對象、維修人員、維修工具、設備與設施，維修作業過程信息等基本要素。

1.2 虛擬維修的功能

虛擬維修應該滿足以下幾方面的功能要求[4-5]：

1）全面逼真地反映真實的維修環境及其實現過程。

2）具有真實系統訓練功能的模擬。

3）能對具體的操作步驟做出反映，提供人機交互服務。

4）能夠指導維修過程，并且對維修過程進行優化。

5）能夠評估維修，對訓練者進行考核。

1.3 虛擬維修的組成要素及實現方式

虛擬維修的研究一般包含以下4種要素[4-5]：

1）虛擬維修對象。找到虛擬維修對象本質特征，從特性上達到對維修對象的仿真。

2）實施虛擬維修的人員。結合維修人員的特點，確定合適的維修方案。

3）虛擬維修用到的工具、設備與設施。虛擬維修同樣受到維修工具、設備的限制。選用時應考慮維修成本。

4）虛擬維修作業過程信息。虛擬維修必須能夠正確反映實際維修的過程，盡可能再現實際維修的詳細信息。

虛擬維修的實現方式大致分為2種[6]：

1）通過人體模型的控制來驅動人體模型完成維修操作仿真。這種方式稱為“虛擬人員維修虛擬產品”，如圖1所示。

圖1 虛擬人員維修虛擬產品Fig.1 A virtual person maintains the virtual product

2）引入虛擬現實外設來控制人體模型動作，即維修人員處于維修操作的回路之中。這屬于“真實人員維修虛擬產品”方式，如圖2所示。

圖2 真實人員維修虛擬產品Fig.2 A real person maintains the virtual product

1.4 虛擬維修的關鍵技術

1）維修過程仿真技術。利用計算機技術仿真維修過程的幾何特征、物理特征、和行為特征。盡可能真實的再現被維修系統的實際工作過程，使訓練人員獲得最好的維修信息。

2）虛擬視景生成技術。利用虛擬現實技術自動生成和維修相關的維修環境，使維修人員“沉浸”在虛擬環境中，使維修過程更加逼真。

3）人機交互技術。通過人機交互技術使訓練人員獲得虛擬維修的效果信息。虛擬維修系統通過人機交互設備來響應維修人員的維修操作，完成維修指令。

2 虛擬維修系統設計

由于各個研究人員對虛擬維修的理解不同，研究方向不同，提出的虛擬維修系統組成框架都不一樣，但是基本的設計原理是相同的，歸納其基本原理如圖3所示。組建虛擬維修系統，必須對裝備的維修知識、故障表示方法有一個深刻的了解。掌握了維修環境、維修過程與故障的建模技術，才能正確的對虛擬維修進行仿真。根據對維修方案和流程的分析來設計裝備維修過程管理模塊和維修知識決策模塊，對維修過程進行統一管理與控制，協調系統各個功能模塊有序運行。虛擬維修操作者通過人機交互設備加入到虛擬維修實踐中來，提高對裝備的維修經驗與能力。

圖3 虛擬維修系統設計原理Fig.3 Principles of system design

虛擬維修系統的具體設計步驟如下：

1）分析應用的需求，明確仿真的開發、數據輸入、仿真結果輸出等信息；

2）基于基本虛擬維修系統的功能，選擇外圍設備以及軟件工具；

3）進行必要的開發工作（包括建立維修過程模型、完成模型數據的轉換工作、設計實現滿足使用要求的硬件設備等）；

4）按照系統所要達到的功能進行系統的組建，將各部分模塊集成為整體。

3 國內外相關研究

美國 NASA（NationalAeronauticsand SpaceAdministration）、軍方和一些高等院校、科研機構，德國、英國、日本等軍方以及大型公司紛紛開展有關虛擬維修的研究，取得了相當重要的研究成果。在我國，國防科工委、國家自然科學基金委都已把虛擬維修系統的研究列入了研究計劃和重點資助項目，在其資助下，國內已有一些院校和科研院所積極投入了這一領域的研究。目前，這一研究主要集中在制造領域，多數是在原來的CAD（Computer Aided Design）和仿真技術基礎上進行的，如：裝備的結構設計、裝配和拆卸、人體運動模型的控制等方面。而虛擬現實應用系統的實現仍依賴于國外先進的技術平臺和國內應用環境的結合[7-8]。

從80年代中后期起，隨著虛擬現實技術的充分發展與應用，它在虛擬維修方面的研究獲得了巨大的成功。有關虛擬維修的研究主要涉及到兩個領域，一個是用于教學的維修訓練領域，另一類是用于裝備研發時的維修性設計分析領域。

3.1 維修訓練

利用計算機對真實訓練過程的模擬開展虛擬維修訓練，可以解決訓練器械、經費、場地等不足的問題。可以在新裝備到來之前提前開展維修訓練。由于計算機信息傳遞的廣泛性，虛擬維修訓練可以使維修知識得到更加廣泛和細致的傳播，并且可以到達真實訓練不易到達的部位，訓練效果更加明顯[9-10]。

美國哈勃望遠鏡的虛擬維修訓練堪稱虛擬現實技術應用于維修訓練的典范。為了讓宇航員在太空中完成對哈勃望遠鏡的維修任務，美國國家航空航天局（NASA）為執行任務的宇航員建立了虛擬的太空環境。宇航員在其中進行了各種維修模擬，并練習在虛擬的哈勃望遠鏡上安裝矯正鏡片、太陽能電池板和陀螺儀。經過訓練，哈勃望遠鏡的維修任務于1993年12月成功完成。NASA對參加該項維修工作的航天飛機上工作人員進行了廣泛的問卷調查，反饋的信息說明，虛擬環境對于維修任務的完成非常有效[11]。

美國聯邦航空局在意識到飛機維修保障工業的復雜性和相關人機因素的重要性后，開展了人因學方面的相關研究。在維修保障領域，研究集中于飛機的檢測過程和飛機檢測人員。仿真培訓被證明是提高飛機檢測質量和可靠度的最基礎有效的手段。而仿真培訓成功的關鍵是提供飛機檢測人員合適的培訓工具和環境。為此，美國聯邦航空局開發了一個用于飛機檢測人員培訓的虛擬現實系統，并將該基于虛擬現實的培訓系統的效果與以往的基于PC的培訓系統的效果相比較。實驗數據表明，虛擬現實技術的運用極大的方便了各種與飛機維修保障相關的研究活動的開展，并加深了參加培訓的檢測人員對工效學相關因素對檢測過程影響的理解[12]。

新加坡南洋理工大學研究開發了V-REALISM維修培訓系統，系統基于桌面式的虛擬現實，采用面向對象的思想，以低成本建立。該系統并不涉及人體模型在維修仿真培訓中的應用，而將重點放在維修路徑的規劃和演示。系統用戶界面的布局為培訓者提供了良好學習環境和操作方便性，上方為常用的操作菜單，左邊為結構樹窗口，右邊為CAD模型及圖標式的操作菜單，包含了CAD軟件最常用的一些操作；下方為系統產生的消息窗口，提供系統的輸出，與培訓人員進行交互[7]。

2006年，CAE公司從國際直升機訓練公司（Helicopter Training Media International GmbH， HTMI）獲得一份合同，它將負責領導提供給德國武裝部隊的NH90直升機虛擬維修訓練器設計和研制工作。CAE公司將在主承包商HTMI的帶領下，與雷聲公司、軍事電子技術（RDE）公司和歐直公司合作，提供一種全面的維修訓練解決方案。其中，CAE公司負責研制NH90虛擬維修訓練器（VMT）軟件、基于仿真的維修訓練教程、教官工作站和訓練管理系統。

2011年，美國陸軍航空協會年度專業論壇和博覽會上，美軍展出了戰機虛擬維修系統。它使用包括一個三維空間觸摸屏的教學系統，幫助士兵學習Apache直升機故障的診斷和處理。這套系統式針對教學過程的，在接觸真實飛機之前，學生們可以方便的進行各種操作。系統中的故障是由教師為學生設定的，讓他們運用到學到的知識，加上指導，通過三維電子手冊找出來。

在我國，南京理工大學和軍械工程學院聯合開發了某型導彈裝備沉浸式虛擬維修訓練系統。該系統采用基于虛擬現實技術、虛擬樣機技術和過程仿真技術的設計方法，在Petri網的基礎上設計了維修知識描述網（MKDN），用于描述沉浸式虛擬維修訓練系統仿真控制流程。同時利用AutoCAD建立了某型導彈裝備的三維模型，并應用Jack軟件對虛擬維修場景進行驅動。該系統在維修步驟、維修動作及所見現象與實際裝備上訓練完全一致，可以借助虛擬交互設備，在視覺上獲得與在實裝上訓練一樣的感受[13]。

軍械工程學院裝備保障工程試驗室與石家莊市威特科技有限公司共同研制開發的新型虛擬維修平臺——交互式桌面型虛擬維修訓練平臺，現已在全軍進行推廣和使用，反饋良好。交互式桌面型虛擬維修訓練平臺以維修訓練需求為牽引，以虛擬訓練為主要技術手段，提供對機械、電子、液壓等類型裝備的構造原理、操作使用、分解組合、檢查調整、故障診斷五類訓練內容的學習、訓練與考核，使得受訓人員掌握相關維修知識與操作技能，達到近視實際訓練的效果。此外，維修幫助可以提供常見維修任務的操作幫助和相關資料查詢等功能。該平臺采用了最新的虛擬維修訓練模型體系和系統架構，兼容常見的虛擬現實引擎，不需要用戶編程，只需將相關維修訓練數據聚合即可生成具體裝備的虛擬維修訓練系統，給用戶提供“真實”的虛擬訓練環境。

浙江大學對分布式虛擬現實、虛擬裝備裝配及應用于工效學領域的虛擬人體模型進行了研究；國防科學技術大學研究了虛擬人行走規劃方法；北京航空航天大學、北京大學、武漢大學等研究機構也都對虛擬人體模型進行了研究，并且大都集中于工效學領域，主要針對維修訓練中的具體問題。

3.2 維修性設計分析

維修性設計分析是指產品在設計階段考慮維修的要素，盡可能使產品的維修省時、省力和高效[14]。通過虛擬維修技術，設計人員在設計的同時模擬維修操作的過程，了解維修任務是否可行，并適時的更改設計方案。減少了裝備使用后才發現維修操作難以進行再改設計方案所造成的人力、物力、資源和時間的浪費。

1992年，英國的ARRL（先進機器人研究實驗室）在工業界16家企業的支持下，提出一項虛擬現實與仿真計劃，首批項目之一就是為羅爾斯-羅伊斯公司的飛機發動機建立模型，以便在設計過程中就能評估發動機維護中容易出現的問題。利用虛擬現實技術，在相對低的成本下，就可以通過視覺和實驗，進行故障檢測和維修程序學習，而且時間比從前更快。

1995年，洛克希德馬丁戰斗機系統（LMTAS）的F-16項目面臨維修性和人因學方面的技術問題，公司首先淘汰用來支持多個F-16項目的金屬模型，轉而利用CAD進行維修性和人因學設計評估與驗證，其中涉及到通過虛擬維修進行維修性分析與人因工程分析。從經濟角度看，飛機裝置的一次重新設計和樣式翻新所需要的金屬模型的造價就會超出一個虛擬維修系統的費用。虛擬維修的其他優勢還在于它比金屬模型更能夠縮短研制進度。虛擬維修在F-16項目的首次應用是一次挑戰性的學習過程。通過利用虛擬現實技術，極大地改善了維修性設計技術手段，促進了維修性工程人員與設計人員的信息交流。該公司提出在以后的飛機維修性設計與分析中要廣泛采用虛擬現實技術[4]。

波音公司于 20世紀90年代末建立了一個虛擬現實實驗室，主要用于對“聯合攻擊機”（JSF）的保障性進行評估和試驗。該實驗室可以使設計人員在進行設計的同時就能夠了解維修任務是否可行，在飛機設計定型之前，就可以發現潛在的保障性問題。該實驗室的建成與投入使用，提高了JSF維修人員參與到設計過程早期階段的能力，有效地避免了由于設計修改導致的費用[15]。

美國空軍阿姆斯特朗實驗室（Armstrong Lab.）與賓夕法尼亞大學聯合開發的DEPTH（Design Evaluation for Personnel Training and Human Factors，人員訓練與人素的設計評估）項目，是采用可視化和虛擬現實技術進行維修與保障分析的計算機應用系統。該項目的研究主要采用數字樣機與3D人體模型技術，用以提前確定維修過程內容與過程中的人力資源需求、生成訓練輔助材料。通過將維修仿真結果輸入IETM（Interactive Electronic Technical Manual，交互式電子技術文檔），使其成為維修手冊與維修訓練資料的一部分，可以實現在一次仿真中完成多項與維修相關的任務，大大地減少了以往重復性的開發工作[5-16]。

2000年，AFRL與GE公司、Lockheed Martin公司對維護手冊的自動化開發方法進行了研究。該項目命名為SMG（Service Manual Generation），計劃為期 3年。SMG是一種面向維修性工程的新框架。通過盡早地提供浸入感更強的維修過程觀察手段，SMG能夠改進維修分析過程，使維修性工程師可以省時、高效地發現并排除嚴重的產品設計缺陷。同時，許多以往需要人工進行的維修、裝配數據獲取工作在此框架下可自動完成，進而顯著地減少了維護手冊的開發時間與費用[8]。

德國寶馬公司在業務流程重組 （Business Process Reengineering）中，研究了為驗證裝配和維修過程而將虛擬現實技術（VR）應用于虛擬原型（VP）所需的步驟。通過對汽車原型目前的業務流程的回顧，討論了CAD-VR的數據集成，并確定了設計質量的最新要求。對車門等幾個新的交互式的范例（interaction paradigms）進行了深入研究，以便工程人員和設計人員能夠更自然地對產品原型進行試驗。最后，采用用戶調查方法，對其中的一些范例和關鍵流程的虛擬原型的可接受程度和可行性進行了評估。結果表明在不久的將來，VR技術將在VP中扮演十分重要的角色[17]。

英國索爾福德大學的虛擬環境中心基于CAD模型研發了針對大規模機械產品裝配、維修任務仿真和分析需求的沉浸式虛擬環境，建有設備部件之間的約束庫以此實現精確操作，設置維修庫以此自動生成設備的拆裝序列，與VICON光學式動作捕捉系統向結合使科研人員在設計階段就能夠切身體驗到維修操作流程，將不可預見的缺陷消除在設計階段[18]。

在我國，由浙江大學CAD國家重點實驗室研制的沉浸式虛擬裝配系統是基于三維的輸入設備，在沉浸式虛擬現實設備中開發的完全沉浸式虛擬設計與虛擬裝配環境，為應用CAD技術研究裝備開發全生命周期和并行工程實現提供了強有力的支持；空軍學院研究了靈境技術在設備維修中的應用[19]；海軍工程大學做了虛擬維修技術在軍械保障訓練中的應用[20]；軍械工程學院對于虛擬人、虛擬裝配以及虛擬訓練場景做了研究[21，22]；東北林業大學對于數控機床的虛擬訓練和維修開展了研究[23]；華中科技大學對于注塑機及機電產品的虛擬維修做了相應研究[24，25]。這些研究都在裝備的維修保障設計分析上取得了較好的成果。

4 結 論

虛擬維修技術是一門新穎并且充滿生命力的技術，它有著強烈的應用需求與發展潛力。本文對目前的虛擬維修技術的相關內容和國內外發展情況進行了回顧和總結。國內外的研究表明，虛擬維修技術能有效地提高經濟和社會效益。為了更加深入開展虛擬維修工程，針對當前的研究和應用特點，對國內虛擬維修未來的發展趨勢進行了以下展望：

1）與增強現實技術相結合。增強現實（Augmented Reality，AR）技術是在虛擬現實基礎上發展起來的一種新興計算機應用和人機交互技術。它借助光電現實技術、交互技術、多傳感器技術和計算機圖形與多媒體技術將計算機生成的虛擬環境與用戶周圍的真實場景相融合，使用戶從感官效果上確信虛擬環境是其周圍真實場景的組成部分。虛擬現實讓用戶完全沉浸于計算機生成的虛擬環境中，而增強現實實現了虛擬圖像和真實環境的無縫融合，從而可以增強虛擬維修的沉浸性和交互性。

2）系統功能多樣化、設計所需軟件開源化。目前，國內虛擬維修仿真系統基本上是通過Delmia、Jack商用軟件提供的接口進行二次開發。不僅軟件的價格昂貴，而且開發單一性，無法滿足系統功能多樣化的需求。OSG（Open Scene Graph）等開源性軟件成為了我國虛擬維修仿真技術發展的突破口，可基于此類軟件研制出具有我國自主知識產權的軟件平臺。

3）整合電路仿真功能。目前，虛擬維修領域中的研究主要針對裝備機械部件的拆裝進行的，沒有涉及到裝備更加深層次的內部電氣方面，尤其是針對電路的仿真。未來的研究方向，應該著眼于將電路級的維修訓練融入到虛擬維修訓練系統中，以此來完善虛擬維修系統，使得裝備技術人員能夠通過虛擬維修系統得到更加全面的培訓。Spice是得到廣泛應用的通用電路仿真開源軟件，便于進行改造與擴展。因此，可以將Spice整合到虛擬維修系統中，從而實現電路仿真功能。

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