面向復(fù)雜裝備維修的虛擬現(xiàn)實集成平臺

華錢鋒，屠 立

（浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院實訓(xùn)中心，浙江 杭州 310053）

傳統(tǒng)的結(jié)合實裝復(fù)雜裝備維修訓(xùn)練方式，存在裝備快速服役難以提供實踐訓(xùn)練樣機、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝備故障現(xiàn)象抽象和故障檢測訓(xùn)練缺失、維修操作限于分解結(jié)合、訓(xùn)練效率低下、成本高企等不足，因此亟需利用虛擬維修訓(xùn)練平臺技術(shù)以探索新型的、智能的復(fù)雜裝備維修訓(xùn)練方法、技術(shù)手段和實踐模式。

1 復(fù)雜裝備維修的虛擬現(xiàn)實關(guān)鍵技術(shù)

面向復(fù)雜裝備維修的虛擬現(xiàn)實集成平臺，主要包括復(fù)雜裝備虛擬維修集成教學(xué)平臺共享云教學(xué)資源挖掘提取技術(shù)、人機交互多情景跟隨融合技術(shù)、多元學(xué)習(xí)與訓(xùn)練策略設(shè)計技術(shù)、案例重構(gòu)與多向反饋評估方法、集成化教學(xué)平臺構(gòu)建等。

1.1 虛擬維修集成平臺共享云資源挖掘提取技術(shù)[1-2]

（1）共享性虛擬樣機模型構(gòu)建技術(shù)

針對裝備數(shù)字化模型中的裝配關(guān)系、約束關(guān)系表達，提取數(shù)字化幾何模型的拓撲信息和工程語義，與面片模型進行關(guān)聯(lián)和映射，改進虛擬樣機模型；對虛擬樣機幾何模型添加紋理、材質(zhì)等細節(jié)信息進行渲染；通過支持虛擬維修活動過程的空間、時間、自由度約束等運動屬性特性和物理屬性特性分析，實現(xiàn)場景虛擬環(huán)境中裝備樣機模型運動和物理屬性的抽象表達。

（2）面向共享推送的裝備虛擬維修知識挖掘方法分析虛擬維修知識和故障表達方法，對維修任務(wù)知識進行描述，研究順序、并行、選擇、互斥、開關(guān)等子任務(wù)分解方法；研究維修知識描述網(wǎng)在分解過程中的屬性保持，對模型可達性、活性、邊界性、安全性和可逆性進行校驗；構(gòu)建虛擬維修知識庫和虛擬維修知識挖掘方法，實現(xiàn)知識的提取和管理。

1.2 虛擬維修集成平臺人機交互多情景跟隨融合技術(shù)[3-4]

（1）虛擬環(huán)境人機交互情景構(gòu)建技術(shù)

構(gòu)建虛擬環(huán)境人機交互場景模型，對人機交互的行為特征進行分類，將狀態(tài)約束和事件驅(qū)動都看作對象行為發(fā)生的條件，并將其與對象行為相關(guān)聯(lián)；分析農(nóng)機產(chǎn)品故障類型，并對維修過程進行描述；采用人工交互的方法完善虛擬維修樣機模型，用于需求分析所要求的模型特點；通過產(chǎn)品故障設(shè)計維修過程，使其能滿足虛擬維修仿真系統(tǒng)的需求，實現(xiàn)訓(xùn)練過程中的多終端接入跟隨互動。

（2）訓(xùn)練情景融合的虛擬維修過程仿真方法

通過虛擬維修預(yù)維修、維修過程及仿真，確立維修操作優(yōu)先關(guān)系的判斷準則，對維修操作的合法性進行有效判斷；基于維修知識描述網(wǎng)自頂向下構(gòu)建虛擬維修網(wǎng)，對所有的訓(xùn)練任務(wù)采用基本動作描述，建立不同維修操作之間所有可能的約束條件；開發(fā)操作—響應(yīng)的專家系統(tǒng)，制定生產(chǎn)式系統(tǒng)的推理控制策略，滿足不同維修任務(wù)的需求。通過預(yù)維修及維修過程歷史數(shù)據(jù)收集回溯，使用狀態(tài)轉(zhuǎn)移序列來描述維修過程并進行仿真，實現(xiàn)訓(xùn)練情景任務(wù)中的隨時融合互動。

1.3 虛擬維修集成平臺多元學(xué)習(xí)與訓(xùn)練策略設(shè)計技術(shù)[5]

（1）故障驅(qū)動的虛擬維修拆卸規(guī)劃技術(shù)

針對產(chǎn)品拆卸序列規(guī)劃的特點，構(gòu)建虛擬樣機產(chǎn)品結(jié)構(gòu)網(wǎng)，通過故障源頭目標驅(qū)動，確定零部件的拆卸順序，獲取拆卸混合圖模型；建立裝配約束關(guān)系形成對產(chǎn)品的物理約束關(guān)系和空間干涉約束，生成可拆卸序列。利用粒子全局和局部信息尋找全局最優(yōu)解，檢驗拆卸序列的可行性、正確性。

（2）虛擬維修訓(xùn)練策略設(shè)計技術(shù)

構(gòu)建智慧環(huán)境下的虛擬維修訓(xùn)練平臺，分析受訓(xùn)者共性與個性的行為特征，形成受訓(xùn)者所持能力的智能捕捉方法與知識水平評估算法；構(gòu)建虛擬維修訓(xùn)練過程的情境模型，形成虛擬維修模塊下的情境推理機制與方法；制定個性化訓(xùn)練策略，并根據(jù)學(xué)習(xí)效應(yīng)評估方法構(gòu)建多元訓(xùn)練矩陣，生成因材施教的動態(tài)訓(xùn)練策略。

1.4 虛擬維修集成平臺案例重構(gòu)與多向反饋評估方法[6]

（1）虛擬維修故障案例智能重構(gòu)推理方法

分析虛擬維修案例特點，構(gòu)建多部機多層次多領(lǐng)域的虛擬維修案例庫，形成復(fù)雜裝備虛擬維修案例庫架構(gòu)；通過維修案例相似度評價指標和案例的相似度評價方法，計算獲得最可重用的案例方案；通過虛擬維修案例重構(gòu)，實現(xiàn)故障智能推理預(yù)測與維修拆卸序列的有序組織。

（2）虛擬維修訓(xùn)練反饋評估方法

通過虛擬樣機模型庫、案例庫、工具庫等資源的訓(xùn)練使用方法，確立考慮維修過程、維修結(jié)果、訓(xùn)練成果的虛擬維修訓(xùn)練效應(yīng)評價指標體系；構(gòu)建維修訓(xùn)練評價模型，分析多種評價指標之間的耦合關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過指標評價分析與綜合評價目標的均衡決策，實現(xiàn)對復(fù)雜裝備虛擬維修訓(xùn)練的反饋評估。

2 復(fù)雜裝備維修虛擬現(xiàn)實平臺研發(fā)的內(nèi)容與方法

2.1 樣機模型的建立

針對現(xiàn)有CAD數(shù)字化模型，提取幾何數(shù)據(jù)、裝配特征的配合關(guān)系等信息，對虛擬環(huán)境中產(chǎn)品零部件進行顯示；重新構(gòu)建樣機模型的層次結(jié)構(gòu)，從功能和結(jié)構(gòu)進行分解，將產(chǎn)品分解為若干子裝配系統(tǒng)，采用樹狀結(jié)構(gòu)對層次結(jié)構(gòu)進行表達，根節(jié)點為總裝配體，其它節(jié)點分別表示零部件，然后進行CAD幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與簡化處理，完成虛擬樣機的幾何建模；在虛擬環(huán)境中的建模開始，將時間、長度、質(zhì)量、力等物理量進行抽象處理后，與虛擬環(huán)境中的基本元素幀、坐標系、部件等結(jié)合起來，建立虛擬維修樣機部件物理屬性的樣機模型。

2.2 模型的快速動態(tài)更新

利用多Agent技術(shù)對虛擬維修仿真中的訓(xùn)練場景進行自然描述，通過人與虛擬實體、虛擬實體與虛擬實體之間的交互，滿足對象的多維信息描述、對象的實時處理、對象的并發(fā)處理、對象間的多維信息通信、對象間的競爭與合作等虛擬環(huán)境系統(tǒng)的特殊要求；將產(chǎn)品部件的約束運動簡化為平動、轉(zhuǎn)動、非受限運動三類，對部件的約束運動劃分為若干類，分別進行交互特征定義；假定產(chǎn)品故障，包括產(chǎn)品的故障模式、故障原因、排除方法與步驟并設(shè)計維修過程，添加描述維修操作過程的約束和信息，將其作為一個維修任務(wù)描述文件保存起來，使其支持在設(shè)計過程中產(chǎn)品裝配模型修改后的快速動態(tài)更新。

2.3 維修過程的描述與變遷

采用Petri網(wǎng)工具和層次分解方法對虛擬維修任務(wù)進行描述，利用子網(wǎng)來代替維修知識描述網(wǎng)（MKDN）中的變遷或者庫所。根據(jù)維修任務(wù)的需求，在系統(tǒng)中定義“順序子網(wǎng)”，用以描述一系列連續(xù)的任務(wù)或者動作或者行為；定義“并行子網(wǎng)”n個任務(wù)或者動作或者對象的行為在同一時間觸發(fā)；設(shè)定“選擇子網(wǎng)”表示一個連續(xù)任務(wù)、動作或?qū)ο笮袨榈?n個選擇，即給定的一個條件或一組條件允許庫所產(chǎn)生多種相互競爭的變遷，或者一個事件有多個后繼操作；設(shè)定“互斥子網(wǎng)”，描述在庫所中的兩個事件或者操作只有一個能夠發(fā)生時提供一種互斥的機制。

2.4 維修行為的推理控制策略

采用自頂向下的方法建立基于MKDN的虛擬維修訓(xùn)練計劃描述網(wǎng)，將其作為MKDN運動和行為模型中第一個層次的描述，對每一個操作任務(wù)進行分解為若干子任務(wù)，直到網(wǎng)絡(luò)中所有的訓(xùn)練任務(wù)都用基本動作來描述；識別判斷維修操作之間的優(yōu)先關(guān)系，包括維修動作、操作工具、維修對象的合法性以及誤操作、操作延遲判斷等；對每個維修操作集用變遷描述，并使用相同的輸入和輸出庫所，對每個變遷建立一個輸入庫所描述條件謂詞，通過優(yōu)先關(guān)系約束提高庫所所描述的知識；建立操作—響應(yīng)模型的專家系統(tǒng)，將維修規(guī)程、邏輯關(guān)系描述、狀態(tài)描述結(jié)合起來，形成產(chǎn)生式系統(tǒng)的規(guī)則，根據(jù)維修行為特點合理確定產(chǎn)生式系統(tǒng)的推理控制策略。

2.5 維修案例庫的建立與檢索

抽取虛擬維修訓(xùn)練過程中的待求解問題的特征及特征間的關(guān)系，并將其輸入系統(tǒng)；根據(jù)問題的特征，從案例庫中檢索與當(dāng)前問題相對應(yīng)的已有類似案例；通過對該案例中求解方案的調(diào)整和修改，使之適合于求解當(dāng)前問題；對新的求解方案與結(jié)果的實施效果或滿意程度進行評價與檢驗；當(dāng)前問題所求解的過程與結(jié)果形成新的案例，根據(jù)一定的策略將新案例加入到案例庫中。

2.6 拆卸混合模型建立

根據(jù)虛擬場景下的裝備故障現(xiàn)象分析故障產(chǎn)生原因，確定故障零部件，對復(fù)雜裝備虛擬樣機產(chǎn)品模型進行預(yù)處理并提取約束信息，添加強物理約束和空間約束，構(gòu)建出拆卸混合圖模型。以拆卸混合圖為基礎(chǔ)，利用目標驅(qū)動遞歸推理法生成目標組件的局部拆卸圖。若目標組件可拆卸，則無須求取最優(yōu)解，否則以局部拆卸圖為基礎(chǔ)串行地初始化粒子群，利用PSO尋求最優(yōu)拆卸解。檢測待拆零部件與其他零部件之間的碰撞，確保拆卸路徑的有效性。

2.7 維修結(jié)果的智能評價

分析多領(lǐng)域知識耦合和資源庫，得到適用于訓(xùn)練的案例庫與知識庫；使用基于案例推理技術(shù)以適應(yīng)虛擬維修中的不同情境，通過算法改進以提高智能化水平；實現(xiàn)訓(xùn)練資源與維修知識的智能推送，針對不同受訓(xùn)者進行維修過程中的狀態(tài)反饋，捕捉推送時間點，并觸發(fā)不同層次的知識推送模塊，完成資源的主動、實時、契合推送，對受訓(xùn)者維修能力進行綜合評價，通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價方法，不斷訓(xùn)練追蹤結(jié)果與經(jīng)驗性知識，并結(jié)合灰色綜合評價法與層次分析法的優(yōu)勢條件，得到符合實際的智能評價結(jié)果。

3 復(fù)雜裝備維修虛擬現(xiàn)實平臺的框架與系統(tǒng)界面

復(fù)雜裝備維修虛擬現(xiàn)實平臺開發(fā)采用算法實現(xiàn)、軟件系統(tǒng)開發(fā)與示范應(yīng)用相結(jié)合的方法，結(jié)合典型復(fù)雜裝備（高精臥式坐標鏜床TGK46100）維修進行應(yīng)用，主體框架如圖1所示。

圖1 復(fù)雜裝備虛擬維修集成教學(xué)平臺總體框架

開發(fā)形成的平臺界面如圖2所示。數(shù)控鏜床底盤裝調(diào)與維修界面如圖3所示。應(yīng)用過程中從圖2中點擊界面左上角任務(wù)工具欄，可選擇相應(yīng)任務(wù)，如點選數(shù)控鏜床底盤裝調(diào)與維修任務(wù)后進入圖3界面，在該界面中點選相應(yīng)工具后即可進行相應(yīng)裝調(diào)與維修實訓(xùn)。

圖2 復(fù)雜裝備虛擬維修集成教學(xué)平臺界面

圖3 數(shù)控鏜床底盤裝調(diào)與維修界面

4 結(jié)論

復(fù)雜裝備的虛擬維修訓(xùn)練過程不是簡單、獨立的，而是一個涉及多個環(huán)節(jié)、多項技術(shù)和知識的混合過程。基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的復(fù)雜裝備維修訓(xùn)練系統(tǒng)能夠有效地克服結(jié)合實裝進行維修訓(xùn)練帶來的問題，為進行裝備維修訓(xùn)練提供先進的操作環(huán)境和模擬手段，對于改進訓(xùn)練效果、提高維修水平以及進行維修性分析具有重要作用。