通用艦船裝備虛擬維修訓練系統(tǒng)開發(fā)平臺研究

朱曉軍，彭 飛，閔少松

(海軍工程大學，湖北 武漢 430033)

0 前言

艦船維修是作戰(zhàn)艦船的重要技術(shù)保障。通過對艦船進行及時而有效的維修，能使艦船在最短的時間內(nèi)恢復(fù)戰(zhàn)斗能力，而要實現(xiàn)快速有效的維修，就離不開技能嫻熟、具有豐富維修經(jīng)驗的維修人員。因此，針對維修人員的維修技能培訓是提高艦船裝備技術(shù)保障能力的重要途徑。目前的維修訓練方式主要是由學員在實裝或?qū)ｉT為特定的裝備建立的實物模型或仿真模型上進行實際維修操作的方式。這種訓練方式的好處是受訓人員可以真實的使用實際裝備，對維修工作有一個很直觀的認識，但是，隨著海軍現(xiàn)代化的加速和裝備復(fù)雜程度的提高這種訓練方式也暴露出諸多缺點，具體表現(xiàn)在以下幾個方面:①艦船裝備的種類變得越來越多，培訓設(shè)施無法適應(yīng)每一種裝備;②艦船裝備更新周期越來越短，原有的訓練方式無法跟上更新;③裝備維修培訓中心通常都是被限制在某一個地點;④維修培訓效果有限，維修培訓專家資源有限;⑤艦船裝備的生產(chǎn)費用昂貴，基于實裝的訓練會造成裝備損壞。

因此，針對以上問題，迫切需要一種現(xiàn)代化的培訓和訓練手段來解決目前存在的問題，而利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行維修仿真是一種目前最有效的替代方法。虛擬維修訓練是以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機及其相應(yīng)的硬件設(shè)備為培訓手段，為復(fù)雜裝備的維修訓練建立起一個維修的仿真環(huán)境，它可有效的解決裝備操作、維修訓練中的“性能”，“安全”和“成本”問題，一旦建立起該平臺，就可以通過不斷開發(fā)升級各種裝備的相應(yīng)虛擬維修訓練系統(tǒng)，真正實現(xiàn)一次投資、多方受益。

關(guān)于虛擬維修訓練系統(tǒng)，國外多家研究機構(gòu)已經(jīng)進行過研究，如洛克希德·馬丁公司和GE公司共同建立了一個用于美軍F－16戰(zhàn)斗機和C130運輸機維修訓練的虛擬維修訓練系統(tǒng)，并同時應(yīng)用到了F－22和聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機 (JSF)X－33的研制過程中，用于檢驗維修性問題［1］。在國內(nèi)，北京航空航天大學，以楊宇航為首的研究小組應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建立了基于虛擬樣機的虛擬維修訓練系統(tǒng)［2］。皮興忠和何嘉武則分別提出了一種通用的虛擬維修訓練平臺的架構(gòu)［3－4］。王國輝和趙育良分別針對具體的裝備研制了虛擬維修訓練系統(tǒng)［5－6］。

本文針對艦船裝備的特點，主要敘述了一種面向艦船裝備的通用虛擬維修訓練開發(fā)平臺軟件SVMTP。SVMTP提供合理的體系結(jié)構(gòu)、交互仿真處理機制、開發(fā)接口等，它用一種規(guī)范的通用概念模型來描述不同的虛擬維修訓練應(yīng)用;可以方便的輔助用戶針對具體的裝備快速完成虛擬維修應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。

1 SVMTP概述

SVMTP的設(shè)計目標是支持不同艦船虛擬維修訓練應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的通用軟件平臺。圖1所示是SVMTP的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖，從圖1中可以看出，SVMTP是在成熟的應(yīng)用開發(fā)工具庫的基礎(chǔ)上，結(jié)合自定義工具庫進行構(gòu)建的，它屏蔽和封裝了各種工具軟件的功能實現(xiàn)細節(jié)，依靠抽象的概念模型、體系結(jié)構(gòu)、各模塊之間的接口及運行機制等功能來幫助用戶快速完成一個具體VR應(yīng)用的開發(fā)。

圖1 SVMTP層次圖

根據(jù)多種虛擬維修訓練的的需求分析，SVMTP設(shè)計為具有如下主要功能，功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

1.1 仿真功能

1)增強的交互功能。多種典型的VR交互方式都可以采用，如虛擬手勢識別、三維菜單等。當用于雙手抓取物體時，用戶必須仍然能夠有一種方式向計算機發(fā)出指令，這時候就可以采用語音識別來完成。

2)系統(tǒng)可視化配置功能。SVMTP系統(tǒng)提供可視化配置工具，可進行仿真環(huán)境配置、交互式硬件設(shè)備參數(shù)配置、虛擬維修訓練方案配置、維修操作幫助信息配置等等。

3)模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入功能。能夠?qū)⒍喾N格式的艦船裝備模型導(dǎo)入到系統(tǒng)中，縮短系統(tǒng)開發(fā)時間。

圖2 SVMTP功能結(jié)構(gòu)圖

1.2 維修訓練功能

1)培訓方案定制功能。系統(tǒng)可按照培訓目標和受訓者個人信息 (熟練程度)建立個性化的培訓方案。具體實現(xiàn)時，可將一個復(fù)雜的培訓目標進行分解，用對應(yīng)的目標樹來表示，然后建立培訓任務(wù)到培訓目標的映射關(guān)系，用培訓任務(wù)和培訓目標狀態(tài)形成模型，系統(tǒng)依據(jù)模型數(shù)據(jù)來生成定制的培訓方案。

2)維修培訓方案模板?？山⒚嫦蚺嘤柸蝿?wù)的培訓劇本模型。為減少培訓劇本模型和分析的復(fù)雜性，對于每一個任務(wù)，可以構(gòu)造對應(yīng)的培訓劇本。

3)訓練效果評估功能。系統(tǒng)可用于維修操作人員的考核、評比和維修訓練、戰(zhàn)場搶修的質(zhì)量評估以及戰(zhàn)時修理力量的效能評估，為決策提供可靠依據(jù)。

4)維修操作輔助提示功能。在虛擬維修訓練中，該模塊能使用文字或聲音，實時的對受訓人員的誤操作進行提醒。

5)培訓文檔輸出功能。如果某一個特定的培訓任務(wù)不能完成，那么其原因應(yīng)該能夠由系統(tǒng)分析出來，同時相應(yīng)的數(shù)據(jù)可以進行歸檔記錄，在受訓者進行拆卸裝備的操作過程中，每一個部件的路徑都應(yīng)該能夠被記錄和編輯，被保存的數(shù)據(jù)還可以被回放。

1.3 擴展功能

系統(tǒng)可通過組裝和維修的虛擬模擬，來開發(fā)最優(yōu)的生產(chǎn)流程和反饋出產(chǎn)品設(shè)計階段的隱患，為維修性、可靠性設(shè)計提供及時可靠的信息和可行的建議，使得產(chǎn)品的動態(tài)設(shè)計成為現(xiàn)實。

2 SVMTP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由以上需求可知，系統(tǒng)可以由接口模塊、虛擬模型對象庫、維修過程模型庫、維修任務(wù)計劃模型庫、任務(wù)在線輔助模塊、任務(wù)評估模塊和仿真模塊組成。圖3是SVMTP的各組成模塊之間的關(guān)系圖。

圖3 SVMTP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由圖3可以看到，SVMTP系統(tǒng)中的核心模塊是維修任務(wù)計劃模型庫和維修過程模型庫。

1)維修任務(wù)計劃模型庫。此模塊負責為受訓者形成虛擬培訓方案。為了生成合適并且能夠完全達到培訓目標的培訓計劃，可以使用決策表來表示從培訓目標 (子目標)到培訓任務(wù)的一個映射。所有的培訓目標都帶有復(fù)雜層次信息，同時培訓任務(wù)也帶有任務(wù)復(fù)雜層次信息，這兩個部分組合成一個目標——任務(wù)決策表。每一個任務(wù)的復(fù)雜層次數(shù)值用于幫助進一步唯一的確定問題狀態(tài)，使其滿足受訓者培訓需求。根據(jù)受訓人員的熟練程度，制定不同的培訓目標，然后形成培訓目標——任務(wù)決策模型庫，利用模型庫，可以方便的對受訓人員的培訓過程進行控制，使其達到培訓目標的要求。

2)維修過程控制模型。維修過程模型庫則用于在受訓者操作過程中對操作流程進行控制，為了控制復(fù)雜的維修過程，表示各種不同的復(fù)雜維修任務(wù)，將相關(guān)的過程分解為基本的任務(wù)元素，清晰的定義任務(wù)之間的相互關(guān)系是非常重要的。同樣，在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，需要確定一個具有靈活的任務(wù)關(guān)系的結(jié)構(gòu)，以便于在系統(tǒng)中進行快速的修改，重新定義。這個過程可以用Petri網(wǎng)來實現(xiàn)，利用Petri網(wǎng)，可以有效的表示一系列基本的維修任務(wù)和條件，并在裝配拆卸過程中執(zhí)行它［3］。

3 SVMTP的主流程

圖4是SVMTP主流程示意圖，可以方便地支持不同維修訓練應(yīng)用的開發(fā)。

圖4 SVMTP應(yīng)用程序開發(fā)流程圖

各步驟的主要功能介紹如下。

Pre－Initialize:預(yù)初始化，為系統(tǒng)正常運行初始化底層環(huán)境;執(zhí)行Performer的初始化操作配置3D圖形運行環(huán)境，設(shè)置路徑等。

Load:讀取配置文件，配置文件包括虛擬場景配置、維修培訓計劃方案、維修過程Petri網(wǎng)等初始化數(shù)據(jù)，Load過程中也可直接編碼生成自己的特殊對象。

Initialize:初始化過程，系統(tǒng)依據(jù)配置文件生成系統(tǒng)的場景靜態(tài)結(jié)構(gòu)和維修計劃、維修過程的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，各子系統(tǒng)及其內(nèi)部對象，利用系統(tǒng)的思想，建立各子系統(tǒng)對象之間的各種聯(lián)系，形成整體，為具體的仿真作準備。

Update:依據(jù)用戶輸入數(shù)據(jù)和維修計劃數(shù)據(jù)、維修過程Petri網(wǎng)數(shù)據(jù)在虛擬環(huán)境中完成一個仿真步驟。SVMTP將循環(huán)執(zhí)行Update過程，直到接收到退出的命令。

Clean:完成仿真任務(wù)后，清理運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，重置系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為下一輪的仿真做好了準備。

4 基于SVMTP的開發(fā)實例

本文針對船用減速齒輪箱的維修培訓過程，利用SVMTP建立了一個基本的虛擬環(huán)境下的維修訓練系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效的幫助學員在拆裝過程中進一步觀察了解減速器的各零部件的結(jié)構(gòu)、相互間配合的性質(zhì)、零件的精度要求、定位尺寸、裝配關(guān)系及齒輪、軸承潤滑、冷卻的方式及潤滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和布置;輸出、輸入軸與箱體間的密封裝置及軸承工作間隙調(diào)整方法及結(jié)構(gòu)等。

5 結(jié)束語

目前SVMTP功能不夠完善，仍需大量的工作進行完善和實例驗證，其中關(guān)于維修過程控制模型主要是由Petri網(wǎng)來實現(xiàn)，但當訓練任務(wù)復(fù)雜時，模型將變得非常復(fù)雜，不利于進行分析，因此下一階段的研究方向就是利用結(jié)構(gòu)化層次化思想簡化Petri模型，使其更適用于培訓任務(wù)描述的需要。

［1］Rosenberg Barry.Lockheed martin demonstrates virtual maintenance software ［J］.Aviation weeks＆space technology，2002，156(14):89.

［2］楊宇航，庚紅，楊東曉，等.裝備虛擬維修訓練系統(tǒng)工程研究［J］.計算機工程與設(shè)計，2002，23(4):34－41.

［3］皮興忠，范秀敏，嚴雋琪.VR Flier:一個面向虛擬現(xiàn)實通用應(yīng)用開發(fā)的軟件平臺 ［J］.系統(tǒng)仿真學報，2005，17(5):1157－1162，1167.

［4］何嘉武，賴煜坤.武器裝備虛擬維修訓練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) ［J］.科技導(dǎo)報，2010(24):73－76.

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