裝備虛擬維修培訓系統設計與實現

(1.航天長征國際貿易有限公司，北京 100071； 2.上海精密計量測試研究所，上海 201109)

0 引言

裝備故障維修是一項非常重要又十分繁瑣的工作，部隊在這方面需要花費大量人力和財力。對裝備實施維修訓練，有利于維修人員熟練掌握其結構及原理，能顯著提高維修效率，保證裝備戰備完好性。尤其是最新研制的裝備，技術含量日益提高，維修過程訓練顯得更加重要。傳統訓練模式存在諸多問題：1)裝備結構復雜、維修訓練成本高，難以在實裝上進行維修訓練；2)目前采用多媒體教材、交互式電子技術手冊等維修訓練手段，這些手段雖然在表現形式和查閱效率上有了一定的提升，但沒能擺脫維修人員只能通過被動學習的方式去理解缺乏實際操作，嚴重影響了維修訓練的效率。

隨著虛擬維修技術日益成熟，其廣泛應用于裝備數字設計制造、維修培訓等領域中，采用虛擬維修技術，進行裝備培訓，能有效地克服傳統訓練方式的不足，提高學習效率，降低費效比。國內空軍工程大學防空反導學院梅朝、舒濤等人設計了武器裝備虛擬維修訓練系統[1]，軍械工程學院蘇群星、劉鵬遠等人開發了面向裝備維修的虛擬拆卸系統[2]。這些維修訓練系統基本上是利用虛擬維修技術實現了維修過程的再現，但缺少學員和虛擬維修部件之間的交互控制，以及對培訓效果的記錄，不能對培訓效果進行測評。

本文在虛擬維修技術研究的基礎上開發了可以工程應用的裝備維修培訓系統，課件具備內容演示、訓練、考核等過程，為實裝培訓提供了有效支持，具備通用性。

1 裝備虛擬維修培訓系統需求分析

裝備虛擬維修培訓系統主要通過虛擬現實技術在計算機上復現裝備的維修過程，同時可以通過人機交互手段對維修過程進行模擬操作，并可以對其過程進行記錄評估，已到達對維修器材、備件及過程熟練掌握，提高用戶在實際維修訓練中的工作效率。系統需要具備以下功能。

1)維修演示：用戶通過觀看虛擬維修過程演示，對維修過程中涉及的安全條件備品工具使用情況以及維修步驟進行了解，為虛擬維修訓練打基礎。

2)維修訓練：用戶通過使用鼠標鍵盤等外設實現維修器材和工具的拾取，并實現與維修部件的碰撞觸發相應的維修步驟，同時具備一定的維修過程提示功能，使用戶主動掌握完整的維修方法。

3)維修過程記錄：能夠對維修過程信息進行記錄，使用戶能自我檢驗維修訓練效果，對所學內容進行深化和鞏固。

4)系統管理：能夠實現對維修科目的管理、角色管理以及用戶管理等功能。

系統功能組成圖如1所示。

圖1 系統功能組成圖

2 虛擬維修培訓系統總體設計

虛擬維修培訓系統的應用人群包括以下三類：第一類是裝備操作及維護維修人員；第二類是裝備保障方面的專家；第三類是系統運維人員。維修人員(即學員)主要是通過該系統對具體裝備維修科目進行學習和訓練。專家(即教員)主要是對系統中的維修科目進行指導和審核，確保訓練內容正確性以及對學員訓練結果進行評估。系統管理員主要是對系統進行維護，包括維修科目管理，用戶的管理，用戶訓練信息的管理。

2.1 學員角色

學員在進行實際訓練科目之前，根據自己的實際情況進行基礎知識的學習，包括裝備的理論知識、虛擬場景的漫游、各關鍵分系統的虛擬維修演示，之后進入系統虛擬維修訓練部分在相關提示下對檢修過程步驟及工藝手動操作進行反復訓練。系統管理員會在學員自主訓練結束后下達考核任務，并在考核結束后將考核情況整理發給專家進行評判。

2.2 教員角色

教員主要負責管理考卷，包括管理維修科目、分配考生、對學員的考核情況進行評判。

2.3 系統管理員角色

系統管理員主要負責管理學員、教員用戶及相應的虛擬維修資源，并給相應用戶分配權限。除了管理系統之外，系統管理員還需及時發現管理系統存在的缺陷，并將缺陷問題反饋給開發虛擬檢修培訓考核系統的技術人員。

3 虛擬維修設計方法

虛擬維修設計架構如圖2所示，輸入部分是三維模型的準備階段，包括：素材準備、三維建模及優化、模型渲染；過程部分是虛擬維修的設計階段，包括：維修工具的規劃、維修過程序列化的規劃以及維修過程的信息記錄；輸出部分是虛擬維修發布階段，包括：虛擬維修演示、訓練、考核三種模式，在訓練/考核模式中可以采集訓練/考核開始時間、結束時間、已完成訓練內容以及標準訓練內容，并記錄到數據庫中。

圖2 虛擬維修設計框架圖

3.1 三維模型設計

通過三維建模獲得裝備幾何模型數據，同時利用虛擬引擎提供的文件輸出功能轉化為所需要的文件格式，然后在虛擬引擎中，通過數據簡化，對幾何模型的層級結構從新進行劃分，同時獲得裝配約束、部件的質量材質等基本信息，為虛擬維修交互式設計提供基礎。為達到模型輕量化目的，本文提出雙向多層次的建模方法。A-向為高精度幾何建模，該部分主要是在工業建模軟件中實現，主要包括維修部件的各零件細節建模。B-向為低精度幾何建模，該部分主要是在3D MAX中實現，主要從維修任務出發，對維修場景、維修對象、維修工具外形上進行建模，如圖3所示。然后，通過烘焙的方法把高精度模型上的細節用貼圖渲染出來，然后把渲染出來的貼圖貼到低精度的模型上，使得低精度的模型外觀有了高精度模型的細節效果。這樣不但增強仿真效果，同時對幾何模型達到了輕量化的目的，從而降低了虛擬仿真對計算機硬件的性能要求，提高了虛擬仿真的效率。

圖3 三維建模

3.2 虛擬維修過程設計

虛擬維修過程設計的重點是在維修工具、維修工序規劃設計基礎上如何開展合理的用戶與虛擬場景交互，實現對場景中部件的操作，并通過信息記錄模塊記錄維修過程數據。

維修工具模塊主要實現針對不同的維修科目設計工具庫，為每個工具設定唯一的id，并與對應的三維模型關聯，方便工具的調取。

維修序列模塊主要實現按照一定的規則，合理規劃維修序列的過程。在維修過程中要反復涉及到零部件的拆裝，如果零部件較多，可供選擇拆裝組合就會特別多，可能會出現拆裝序列組合爆炸的問題。這些拆裝組合都受到設備中零部件之間的位置關系、拆裝關系以及零部件的約束關系的制約。因此維修序列模塊在虛擬維修中的一個重要環節。本文采用基于GB/T21654-2008《順序功能圖用GRAFCE規范語言》進行拆裝過程建模，它以Petri網格理論為基礎，采用圖形表示，用步與轉換描述過程，具有很強的邏輯描述和分析能力。GRAFCE規范基本元素包括以下三種。

1)表示組件拆裝過程中，當前組件所處狀態。

2)轉換，由一步到另一步，轉換由一條垂直于兩步之間有向連接線表示，在這個過程中需要對維修工具進行約束。

常見轉換模型如圖4所示。

圖4 常見過程構型

1)順序：表示當前拆卸狀態完成即可進入下一個狀態；

2)And分支：表示當前拆卸狀態完成可以同時進入下幾個狀態；

3)And交匯：表示當前幾個拆卸狀態必須都完成才可進入下一個狀態；

4)Or分支：表示當前狀態完成可以進入以下幾個狀態中的其中一個；

5)Or交匯：表示當前幾個狀態有其中一個完成即可進入下一個狀態。

這樣步驟與步驟之間構成了條件_事件的關系，即后一個操作是在前一個操作完成的基礎上進行。

在虛擬維修過程中學員會出現誤拿工具或者違反維修流程的操作，因此在該過程設計中加入了違反維修流程時系統會報出錯誤提示。該功能點的設計原理是在條件_事件中加入錯誤提醒，同時滿足工具和標準序列條件時進入下一步操作，否則調用錯誤提醒。此外，為保證后續程序的正常運行，在每步操作結束時應對觸發條件進行歸零設置。

3.3 交互方式設計

虛擬場景中的三維交互任務包括場景的控制、工具的選擇和維修部件的操作。場景控制是指在場景中可對維修部件進行旋轉、縮放和平移。工具選擇是指可以通過人工在工具庫中對工具進行選取。操作是指改變維修對象當前的狀態，主要是當前的位置關系。不論采用什么交互設備，其交互手段都是服務于維修任務。虛擬維修訓練系統中的三維交互手段和命令應滿足用戶常規的操作習慣。維修訓練系統的發布多集中在PC端上實現，因此本文主要采取鼠標設備實現與虛擬場景的交互。主要過程如下：

首先通過鼠標拾取維修工具，移動工具到達維修部位，通過工具與零件的碰撞檢測的定位維修零件。本文主要采取的是層次包圍盒法實現物體之間的碰撞檢測。主要原理是通過使用體積略大但幾何特性簡單的包圍盒來近似描述各個維修零件通過對包圍盒之間的相交測試來進行工具與維修零件間的檢測，此種方法比較典型的例子有軸向層次包容盒和方向層次包容盒等。

然后系統按照約束特征對工具和零部件進行匹配檢測；檢測通過后，系統調用維修序列模塊中的信息，確定工具盒零部件的連接狀態；

最后激活拆卸動作，并調用動畫庫中的特定的維修動畫。交互過程如圖5所示。

圖5 虛擬維修中人機交互過程

3.4 信息記錄模塊

本文通過對虛擬維修訓練過程信息進行記錄，通過對訓練過程的記錄不僅可以判斷學員是否完成全部維修訓練內容，還可以對學員的維修技能的熟練程度進行評估，提高訓練質量。其方法是：

首先確定記錄信息內容，包括：訓練開始時間、訓練結束時間、已訓練完畢的步驟數、標準訓練步驟數、訓練科目名稱。其中，從維修部件類型的角度對維修項目中的操作步驟進行分類：單個零件維修和多個重復零件維修。單個零件維修是指該零件在維修過程中只有一個，裝配方式獨立，從維修角度學員訓練時需要維修經驗的積累，沒有前例選擇參照，能直接體現出學員對該維修內容的熟練程度。多個重復零件維修是一個裝配體中相同的兩個或多個零件，零件的裝配關系完全相同，幾乎不要學員的維修經驗，只要會其中一個零件的維修即可完成重復零件的維修。根據上述分類可以得出下面的公式：

N=N1+N2

其中:N為維修訓練的總的步驟數；N1為單個零件維修步驟數；N2為多個重復零件維修步驟數。通過這樣定義維修步驟更能準確反應學員對維修項目的真實情況。

其次確立與數據庫的傳輸協議，本文定義的傳輸協議如下："訓練科目名稱"+""+已完成訓練步驟+""+"標準訓練步驟" +""+訓練開始時間+""+訓練結束時間+""。在維修訓練結束時將上述本次訓練的數據傳入數據庫。

3.5 虛擬維修發布

虛擬維修發布包括演示、訓練、考核三種模式：演示模式通過相應的動畫展示裝備的維修過程，達到學習的目的，該模式設計的重點就是將維修規劃通過合理的動畫展示出來。區別于演示模式，在訓練模式中用戶通過選取工具，然后與相關零部件進行碰撞檢測，執行動畫的形式。在此過程中具備邏輯判斷，例如：選擇錯誤工具時，在執行碰撞檢測時，系統會自動報警，提示選用正確工具。維修順序執行錯誤時，系統會自動提示順序錯誤。受訓人員可以實時查看操作提示，以便順利完成訓練過程。該模式設計重點是在維修過程規劃基礎上，通過維修工具和維修零部件的碰撞檢測自動判斷調取維修規劃路徑中的維修動畫。區別于訓練模式，考核模式中取消了幫助功能，完全依賴學員訓練過程的熟悉程度進行考核。在訓練/考核結束時可以記錄本次信息，包括：訓練/考核開始時間、結束時間、已完成訓練/考核內容以及標準訓練/考核內容、訓練/考核維修科目名稱。

4 實驗結果與分析

以某發射系統的拉緊裝置為例，對其日常的維修維護訓練進行了實例應用，驗證了系統的適用性。拉緊裝置主要用于在行軍過程中固定發射系統的作用是發射系統日常維護維修的重點，也是基層級維修人員必備的技能，因此該案例具備一定的典型性。

首先對該裝置進行了三維建模以及場景繪制，同時為了在主流計算機上能夠流暢運行該系統，還對場景進行了優化和改進。其次結合具體維修任務需求，建立維修過程模型，文中僅對其上蓋維修過程進行了建模，其他維修過程不做贅述，如圖6所示，第1步是準備工作，第2步開始進入維修操作，第2步與第3步間是無先后操作順序，第4/5/6/7步執行前須完成2/3步，同時在維修過程中具有工具約束。

圖6 某部件維修過程GRAFCE模型

然后讀入規劃維修任務流程，按照維修流程管理相應的工具及步驟提示，并同步記錄維修訓練過程的數據。

最后對其進行了發布。維修過程演示如圖7所示，通過相應按鈕觸發維修過程。維修過程訓練如圖8所示，通過用戶選擇相應的維修工具與拉緊裝置模型進行交互，觸發相應的維修步驟。考核信息記錄如圖9所示，教員可根據該信息給出本次訓練的評估效果。

通過本系統在某部隊用戶的應用，基本滿足部隊對裝備維修教學訓練的需求。通過虛擬維修技術設計的裝備維修培訓系統可逼真再現其結構，重要原部件的連接關系，在演示、訓練、考核多種模式下對維修任務進行模擬。設計的虛擬維修場景直觀、逼真、人機交互性強，可以對用戶的維修水平進行考核，對培訓效果起到提升和監督管理的作用。

圖7 虛擬維修演示模式

圖8 虛擬維修訓練模式

圖9 考核信息記錄

5 結束

本文對裝備虛擬維修培訓系統進行了需求分析，結合需求對系統進行了總統設計，并對系統開發過程中的關鍵技術進行研究。系統實現的虛擬維修訓練過程模型可拓展性強，可對維修任務繁多的裝備進行科學管理，高效構建虛擬維修場景，在每一步的維修仿真中，系統具備逐步提示功能，并對維修步驟進行了記錄，可有效對維修過程進行評估。以發射裝置維護維修為實驗對象驗證了整個系統的可行性。

實驗結果表明，基于文中的關鍵技術設計開發的虛擬維修培訓系統基本滿足了維修培訓的需要。通過對虛擬維修培訓系統應用避免了采用實裝訓練成本高、風險大、周期長等缺點，顯著提高了訓練效果，節省了訓練經費。本系統的實現方法具備一定的通用性。同時在分布式協同虛擬維修訓練以及維修訓練過程智能評估方面應進行更深一步的研究。