面向復雜裝備維修的虛擬現實集成平臺

華錢鋒，屠 立

（浙江機電職業技術學院實訓中心，浙江 杭州 310053）

傳統的結合實裝復雜裝備維修訓練方式，存在裝備快速服役難以提供實踐訓練樣機、系統結構復雜、裝備故障現象抽象和故障檢測訓練缺失、維修操作限于分解結合、訓練效率低下、成本高企等不足，因此亟需利用虛擬維修訓練平臺技術以探索新型的、智能的復雜裝備維修訓練方法、技術手段和實踐模式。

1 復雜裝備維修的虛擬現實關鍵技術

面向復雜裝備維修的虛擬現實集成平臺，主要包括復雜裝備虛擬維修集成教學平臺共享云教學資源挖掘提取技術、人機交互多情景跟隨融合技術、多元學習與訓練策略設計技術、案例重構與多向反饋評估方法、集成化教學平臺構建等。

1.1 虛擬維修集成平臺共享云資源挖掘提取技術[1-2]

（1）共享性虛擬樣機模型構建技術

針對裝備數字化模型中的裝配關系、約束關系表達，提取數字化幾何模型的拓撲信息和工程語義，與面片模型進行關聯和映射，改進虛擬樣機模型；對虛擬樣機幾何模型添加紋理、材質等細節信息進行渲染；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，實現場景虛擬環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，對維修任務知識進行描述，研究順序、并行、選擇、互斥、開關等子任務分解方法；研究維修知識描述網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；構建虛擬維修知識庫和虛擬維修知識挖掘方法，實現知識的提取和管理。

1.2 虛擬維修集成平臺人機交互多情景跟隨融合技術[3-4]

（1）虛擬環境人機交互情景構建技術

構建虛擬環境人機交互場景模型，對人機交互的行為特征進行分類，將狀態約束和事件驅動都看作對象行為發生的條件，并將其與對象行為相關聯；分析農機產品故障類型，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；通過產品故障設計維修過程，使其能滿足虛擬維修仿真系統的需求，實現訓練過程中的多終端接入跟隨互動。

（2）訓練情景融合的虛擬維修過程仿真方法

通過虛擬維修預維修、維修過程及仿真，確立維修操作優先關系的判斷準則，對維修操作的合法性進行有效判斷；基于維修知識描述網自頂向下構建虛擬維修網，對所有的訓練任務采用基本動作描述，建立不同維修操作之間所有可能的約束條件；開發操作—響應的專家系統，制定生產式系統的推理控制策略，滿足不同維修任務的需求。通過預維修及維修過程歷史數據收集回溯，使用狀態轉移序列來描述維修過程并進行仿真，實現訓練情景任務中的隨時融合互動。

1.3 虛擬維修集成平臺多元學習與訓練策略設計技術[5]

（1）故障驅動的虛擬維修拆卸規劃技術

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

（2）虛擬維修訓練策略設計技術

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

1.4 虛擬維修集成平臺案例重構與多向反饋評估方法[6]

（1）虛擬維修故障案例智能重構推理方法

分析虛擬維修案例特點，構建多部機多層次多領域的虛擬維修案例庫，形成復雜裝備虛擬維修案例庫架構；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，實現故障智能推理預測與維修拆卸序列的有序組織。

（2）虛擬維修訓練反饋評估方法

通過虛擬樣機模型庫、案例庫、工具庫等資源的訓練使用方法，確立考慮維修過程、維修結果、訓練成果的虛擬維修訓練效應評價指標體系；構建維修訓練評價模型，分析多種評價指標之間的耦合關聯關系，通過指標評價分析與綜合評價目標的均衡決策，實現對復雜裝備虛擬維修訓練的反饋評估。

2 復雜裝備維修虛擬現實平臺研發的內容與方法

2.1 樣機模型的建立

針對現有CAD數字化模型，提取幾何數據、裝配特征的配合關系等信息，對虛擬環境中產品零部件進行顯示；重新構建樣機模型的層次結構，從功能和結構進行分解，將產品分解為若干子裝配系統，采用樹狀結構對層次結構進行表達，根節點為總裝配體，其它節點分別表示零部件，然后進行CAD幾何數據轉換與簡化處理，完成虛擬樣機的幾何建模；在虛擬環境中的建模開始，將時間、長度、質量、力等物理量進行抽象處理后，與虛擬環境中的基本元素幀、坐標系、部件等結合起來，建立虛擬維修樣機部件物理屬性的樣機模型。

2.2 模型的快速動態更新

利用多Agent技術對虛擬維修仿真中的訓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境系統的特殊要求；將產品部件的約束運動簡化為平動、轉動、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；假定產品故障，包括產品的故障模式、故障原因、排除方法與步驟并設計維修過程，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描述文件保存起來，使其支持在設計過程中產品裝配模型修改后的快速動態更新。

2.3 維修過程的描述與變遷

采用Petri網工具和層次分解方法對虛擬維修任務進行描述，利用子網來代替維修知識描述網（MKDN）中的變遷或者庫所。根據維修任務的需求，在系統中定義“順序子網”，用以描述一系列連續的任務或者動作或者行為；定義“并行子網”n個任務或者動作或者對象的行為在同一時間觸發；設定“選擇子網”表示一個連續任務、動作或對象行為的 n個選擇，即給定的一個條件或一組條件允許庫所產生多種相互競爭的變遷，或者一個事件有多個后繼操作；設定“互斥子網”，描述在庫所中的兩個事件或者操作只有一個能夠發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的虛擬維修訓練計劃描述網，將其作為MKDN運動和行為模型中第一個層次的描述，對每一個操作任務進行分解為若干子任務，直到網絡中所有的訓練任務都用基本動作來描述；識別判斷維修操作之間的優先關系，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，通過優先關系約束提高庫所所描述的知識；建立操作—響應模型的專家系統，將維修規程、邏輯關系描述、狀態描述結合起來，形成產生式系統的規則，根據維修行為特點合理確定產生式系統的推理控制策略。

2.5 維修案例庫的建立與檢索

抽取虛擬維修訓練過程中的待求解問題的特征及特征間的關系，并將其輸入系統；根據問題的特征，從案例庫中檢索與當前問題相對應的已有類似案例；通過對該案例中求解方案的調整和修改，使之適合于求解當前問題；對新的求解方案與結果的實施效果或滿意程度進行評價與檢驗；當前問題所求解的過程與結果形成新的案例，根據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

根據虛擬場景下的裝備故障現象分析故障產生原因，確定故障零部件，對復雜裝備虛擬樣機產品模型進行預處理并提取約束信息，添加強物理約束和空間約束，構建出拆卸混合圖模型。以拆卸混合圖為基礎，利用目標驅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，則無須求取最優解，否則以局部拆卸圖為基礎串行地初始化粒子群，利用PSO尋求最優拆卸解。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 維修結果的智能評價

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

3 復雜裝備維修虛擬現實平臺的框架與系統界面

復雜裝備維修虛擬現實平臺開發采用算法實現、軟件系統開發與示范應用相結合的方法，結合典型復雜裝備（高精臥式坐標鏜床TGK46100）維修進行應用，主體框架如圖1所示。

圖1 復雜裝備虛擬維修集成教學平臺總體框架

開發形成的平臺界面如圖2所示。數控鏜床底盤裝調與維修界面如圖3所示。應用過程中從圖2中點擊界面左上角任務工具欄，可選擇相應任務，如點選數控鏜床底盤裝調與維修任務后進入圖3界面，在該界面中點選相應工具后即可進行相應裝調與維修實訓。

圖2 復雜裝備虛擬維修集成教學平臺界面

圖3 數控鏜床底盤裝調與維修界面

4 結論

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