虛擬維修在維修教學(xué)中的應(yīng)用

郭磊 單向前

【摘要】闡述了虛擬維修的定義，分析了虛擬樣機、維修過程規(guī)劃、維修性驗證對維修教學(xué)的啟發(fā)和促進作用；以及將虛擬維修技術(shù)應(yīng)用于機械設(shè)備維修教學(xué)的重要意義和可解決的現(xiàn)實困難，它可以有效解決教學(xué)中場地、數(shù)量和型號的限制以及安全性、可擴展性等問題。

【關(guān)鍵詞】虛擬維修；虛擬樣機；教學(xué)；訓(xùn)練

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大型機械設(shè)備朝著模塊化，小型化發(fā)展，結(jié)構(gòu)布局極其緊湊，部件或分系統(tǒng)有的被深埋在最底層，或安置在其它機構(gòu)的背后，給維修帶來諸多不便，同時也給設(shè)備維修教學(xué)帶來很大困難。現(xiàn)在的教學(xué)多是運用多媒體課件動畫演示和實物教學(xué)的手段，存在可視化水平低，受地點、時機等條件的限制，同時還具有一定的危險性。在設(shè)備操作訓(xùn)練過程中，從目前采用的主要技術(shù)手段來看，主要是在維修資料和維修動畫錄像的支持下利用實裝或者模擬器進行展開，這又受到實裝器材配置的數(shù)量場地和時間的限制，影響訓(xùn)練效果。

虛擬維修技術(shù)是利用計算機建模、仿真和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為產(chǎn)品建立起一個逼真的、具有視聽觸等多種感知的虛擬環(huán)境，用戶通過使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流。將虛擬維修技術(shù)運用于設(shè)備教學(xué)，可以很大程度上緩解費效矛盾，降低訓(xùn)練費用，保障安全，而且不受場地和時間等環(huán)境條件限制，從而改進訓(xùn)練效果、提高訓(xùn)練質(zhì)量。

1、什么是虛擬維修

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(shù)，維修性工程師可進入到虛擬環(huán)境中，對虛擬產(chǎn)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(wù)所需的大概時間等信息均可以借助VR技術(shù)來進行評估。

一般來說，虛擬維修是實際維修過程在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn)，即依托計算機建模、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，首先由計算機系統(tǒng)構(gòu)造虛擬維修場景、設(shè)備和虛擬人模型，通過交互設(shè)備實現(xiàn)真實維修過程的再現(xiàn)，可用于設(shè)備維修性的分析、驗證，維修過程的規(guī)劃，維修操作訓(xùn)練等領(lǐng)域。虛擬維修的一大特點是人（利用外設(shè)）參與到虛擬環(huán)境中，解決的是加入維修人員后涉及的可達、可視、操作空間、人素等維修性定性問題和維修時間等維修性定量問題以及維修過程規(guī)劃等分析。尤其對維修性定性分析問題的反饋更為直觀和清晰。

2、在維修教學(xué)中的運用

2.1發(fā)揮虛擬樣機的優(yōu)勢，實現(xiàn)設(shè)備3D模式下的可視化展示

王松山博士對于維修領(lǐng)域的虛擬維修樣機的定義如下：【虛擬維修樣機】是一個產(chǎn)品實物的計算機仿真，它能夠替代“真實產(chǎn)品”用于分析和測試產(chǎn)品與維修有關(guān)的各個方面，如維修性設(shè)計、分析、評估，維修檢查與驗證，維修訓(xùn)練等等。虛擬維修樣機一定程度上具有與物理樣機相似的幾何與功能真實度，具有支持維修活動過程的空間、時間、自由度約束的運動特性和物理特性，包含了特定的維修作業(yè)信息。結(jié)合虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，可以實現(xiàn)維修有關(guān)活動或過程的模擬即虛擬維修仿真，進行維修訓(xùn)練、維修性分析與評估等。

現(xiàn)代教學(xué)充分利用2D模型或動畫進行設(shè)備的可視化展示。利用虛擬樣機，可以實現(xiàn)3D模式下實時觀察設(shè)備零部件的結(jié)構(gòu)特點和連接關(guān)系，精確化的虛擬樣機可以實現(xiàn)外力作用下的運動關(guān)系，一目了然的形象化展示必然極大的促進學(xué)員對設(shè)備構(gòu)造的理解，這對于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、增強實裝實訓(xùn)前的技能強化都是很有幫助的。

2.2利用維修過程的規(guī)劃，啟發(fā)學(xué)員思考，實現(xiàn)自助式學(xué)習(xí)。

虛擬維修要求維修人員沉浸于計算機虛擬環(huán)境中，模擬維修操作的整個過程。在整個過程中，學(xué)員可以嘗試按照自己的思路去分解和裝配部件，受虛擬樣機零部件自由度約束的控制，可以獨立找出可行的分解和裝配路徑，從而實現(xiàn)對維修過程的規(guī)劃。在教學(xué)過程中，教的重點就轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)員自主的對設(shè)備的研究，教學(xué)的直觀性、啟發(fā)性更強。

2.3開展維修訓(xùn)練

虛擬維修訓(xùn)練是虛擬維修的高層次應(yīng)用。一個完整的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，不僅有學(xué)習(xí)、訓(xùn)練，還有監(jiān)控和評價等。對施訓(xùn)者、受訓(xùn)者、訓(xùn)練內(nèi)容、訓(xùn)練信息之間的交互作用進行虛擬仿真實現(xiàn)。替代或部分替代實裝以及實際維修訓(xùn)練環(huán)境，達到形成、保持或提高受訓(xùn)人員維修知識和技能水平的目的。人多設(shè)備少是機械設(shè)備教學(xué)中的一個矛盾，這直接影響維修訓(xùn)練尤其是實裝訓(xùn)練的效果。利用虛擬維修訓(xùn)練，不受場地時間的限制，訓(xùn)練科目可以按照學(xué)員特點自主控制，這種菜單式的學(xué)習(xí)增強了學(xué)員學(xué)習(xí)的針對性。

2.4對產(chǎn)品設(shè)計的反饋以及新技術(shù)、維修工具設(shè)備的驗證

機械設(shè)備維修性的不斷提高都是一個發(fā)現(xiàn)問題——解決問題的過程，利用虛擬維修技術(shù)，可以評價產(chǎn)品維修過程中的可達性、可視化水平、以及人的適應(yīng)性等等因素，這些評價結(jié)果都是定性的，將直接對設(shè)備維修性的改進提出意見。同時，使用新技術(shù)，研制新的維修工具設(shè)備等等，其可行性如何，都可以在虛擬維修環(huán)境中得到驗證。

3.虛擬維修在教學(xué)中的優(yōu)勢

3.1安全系數(shù)高。虛擬仿真環(huán)境中不適當(dāng)?shù)牟僮鞑粫斐扇藛T傷亡和設(shè)備損壞。

3.2擴展性強，重復(fù)利用率高。能大幅度降低教學(xué)費用，針對機械設(shè)備的升級改造只需更改虛擬樣機模型，具有很強的可重用性。

3.3針對復(fù)雜設(shè)備，可彌補數(shù)量上的不足，提前形成維修能力。

3.4仿真中可以加入評估模塊，實現(xiàn)對教學(xué)效果的實時評估。

參考文獻：

[1]馬曉軍 等 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工程裝備教學(xué)訓(xùn)練中的應(yīng)用[J]《微計算機信息》2010年 第4期

[2]何嘉武 等 武器裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]科技導(dǎo)報2010，28（24）

[3]楊瓊 航空維修中虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)展望[J]價值工程2012年第23期

[4]譚繼帥 郝建平 王松山 裝備虛擬維修訓(xùn)練研究與發(fā)展綜述[J]兵工自動化2007（05）

[5]王松山 郝建平 虛擬維修樣機系統(tǒng)及建模技術(shù)[J]《系統(tǒng)仿真學(xué)報》2005年05期