虛擬維修訓練系統關鍵技術分析

衛國華 宋殿義＊ 黃 昉 陳玉峰 覃中信

（國防科技大學軍事基礎教育學院，湖南 長沙 410072）

0 引言

裝備維修訓練是保障裝備性能的重要手段，現有裝備維修訓練主要是通過維修資料、動畫錄像、實裝訓練和模擬訓練器等手段實現，運用實際裝備和模擬器雖然能夠產生良好的訓練效果，但受場地、數量和時間限制，同時保障和維護費用較高，采用資料學習、動畫或視頻錄像等方式可以降低學習費用，方便廣泛配發學習，但很難達到訓練效果和學以致用的目的。

虛擬維修訓練系統的出現有效解決了現有問題，系統中可以建立虛擬的“實地”和“實景”，受訓人員在虛擬環境中產生較好的沉浸感，可有效提升訓練效果，提高訓練質量，大幅降低訓練費用，保障訓練安全。

1993年，美國哈勃望遠鏡（HST）的虛擬維修訓練是虛擬維修應用的典型案例，為實現在HST上進行維修，NASA建立了相應的虛擬環境，在該環境下模擬其故障，并進行相應的各種維修活動，期間共有105名宇航員參加了維修訓練，平均每個宇航員都進行了超過200個小時的訓練，這也是人類歷史上第一次大規模地采用虛擬維修訓練技術完成實際維修任務。1995年，洛克希德·馬丁通過虛擬維修進行維修性分析與人因工程分析，同時應用虛擬維修技術的應用還縮短了研制周期。此外，英國、法國、德國、澳大利亞、韓國等國家也對虛擬維修技術的應用進行了大量的研究。

虛擬維修技術在國外軍事和航空部門的快速發展及成功應用已經引起了國內科研工作者的高度重視，國內一些院校和科研院所也積極投入這一領域的研究中。海軍工程大學提出了基于桌面沉浸的虛擬訓練系統方案，并開發了相應的虛擬教學訓練系統，同時，國防科技大學、南京理工大學、華中科技大學等院校也開展了虛擬維修系統的研究，并在實際的教學和訓練應用中取得了較好的效果。目前，國內關于保障訓練原理演示的研究與應用，總體上還處于技術與方法的基礎應用與探索階段，尚未形成實用的、完整的理論與技術體系，也沒有研制出大型的應用系統。尤其是在工程裝備保障虛擬技術方面，目前尚處于桌面式系統的研究與初步應用階段，沉浸式及其他類型系統還處于探索階段。

1 虛擬維修訓練技術

隨著虛擬現實技術的不斷發展，虛擬維修訓練技術逐漸形成，該項技術將計算機仿真、虛擬現實和智能訓練等技術有機結合，合理規劃維修階段，為維修作業開展提供良好的支撐，結合實際情況創建有著交互式特征的虛擬維修條件。對于安全性要求高、搶修速度要求快的裝備來講，做好維修訓練以及考核尤為重要，虛擬維修可克服維修場地、裝備數量和時間等限制，方便結構拆裝和故障診斷訓練，同時，虛擬維修技術還可在規范性操作方面提供良好的支持，比如維修工具的選取、部件拆卸安裝和維修費用預算估計等。

虛擬維修訓練的要素包括人機交互、虛擬訓練場景、維修訓練內容和訓練監控四項，通過虛擬維修訓練技術將這些要素構成了虛擬維修訓練過程。依據虛擬維修訓練的要素重點解決以下三類問題：一是目標與內容，即針對受訓人員的特點，進行需求分析，明確受訓人員需要達到的知識和技能目標，根據裝備特點進行訓練內容的細化和設計，確定具體的訓練科目；二是支撐環境，即場景的構建與維修數據的開發，重點是維修知識與維修過程的描述，訓練要素之間關系的界定，維修場景的優化與確定等，這是維修訓練系統開發的基礎；三是維修訓練的實施方法，即虛擬維修訓練執行、評估和管理，這是保證訓練效果的關鍵環節。

2 虛擬維修訓練系統開發框架的構建

2.1 虛擬維修訓練系統的開發框架

虛擬維修訓練系統主要是結合實際裝備建立可供維修訓練的裝備三維模型，將三維模型導入系統，設置維修訓練場景，利用訓練過程數據或定義腳本控制訓練狀態，實現人與裝備、場景的交互。

2.2 開發框架構建的難點

其一，利用交互設備加深受訓人員與虛擬場景內三維模型的交互程度，對于三維模型的選取和控制，為了確保移動期間場景的逼真，禁止發生各項模型相互穿透情況。

其二，符合用戶視覺效果要求，既需要保持模型的真實性，還必須與計算機基本處理要求相符合，提升計算機處理效率，避免場景模型的渲染速度大幅下降。

其三，規范維修訓練腳本，虛擬維修訓練系統內包含裝備的維修操作與拆裝訓練，涉及多類交互控制腳本，規范管理腳本極為重要，是實施裝配體和其他實體交互式控制管理的基礎，也是實現虛擬維修訓練系統功能的關鍵。

3 虛擬維修訓練系統開發

3.1 系統設計要求

隨著各種新型裝備不斷配發，新型裝備數量不斷增加，其對應的裝備保障訓練和教學顯得尤為重要，研制配套的裝備維修訓練系統或訓練器材既能節約大量的訓練經費，又能提高訓練效益與質量。虛擬維修系統設計要求概括如下：

（1）符合訓練大綱對維修人員的能力和素質要求。該系統一般應具有嚴密的邏輯性和豐富知識體系，總體設計必須與訓練大綱規定的訓練內容與要求相符合，利用虛擬維修訓練系統進行組訓與考核時應與裝備的實際保障模式一致，重點解決因缺乏訓練手段導致的大綱訓練內容無法落實等問題。因此，重點是使維修人員掌握裝備的結構組成、工作原理，了解常見故障現象及排除方法，以全面提高其維修保障能力。

（2）實現利用信息化訓練手段解決復雜裝備的維修訓練難題。綜合運用半實物仿真技術、虛擬現實技術、計算機技術，研究裝備保障信息化訓練手段的研發配套，大力推進基地訓練、網絡訓練、模擬訓練、野戰訓練手段建設，滿足使用分隊、修理部（分）隊、訓練機構、院校的教學訓練需求，適用于使用分隊、修理分隊、各類技術人員學習掌握其裝備保障相關知識，同時維修訓練系統的研究思路與開發方法，應能為大型復雜裝備的維修保障訓練系統建設提供參考。

（3）節約訓練經費，提高訓練效益。基于計算機技術的虛擬維修訓練是解決實裝訓練安全隱患多、資源消耗大、訓練效果不高的重要手段。目前，與裝備配套的裝備維修訓練系統各成體系、互不兼容，制約了訓練效益提升，并由此導致資源不能共享及基礎設施的重復建設。因此，在虛擬維修訓練系統開發過程中統一模擬訓練接口，便于按照綜合集成的要求，對眾多技術手段進行系統集成、綜合運用，實現訓練保障資源的優化配置和資源共享，提高訓練效益。

3.2 系統設計思路

現有裝備的維修保障多是在裝備發生故障后進行以修代訓，修理人員的受訓數量和時間難以保證，致使裝備保障訓練難以開展，導致裝備的維修保人員障能力難以有效形成，裝備一旦出現故障往往依托廠家進行維修。因此，維修訓練系統的設計應圍繞下述內容進行：

（1）滿足通用性需求。系統應具有統一的數據接口和通信協議，不同裝備的維修保障訓練僅需要連接相應的專用適配器，即可實現與通用演示終端進行數據信息交互和裝備作業及操縱狀態的實時演示，解決現有工程裝備維修訓練平臺通用性不強、無法進行資源共享的“煙囪”林立問題。

（2）滿足數據建立的需求。結合裝備的各項戰技術性能綜合分析其構造，全面掌握其工作原理，建立電、液、氣路邏輯回路數據庫；結合原理繪制其故障樹，利用模糊分析方法，確定該裝備發生故障的類型、發生概率，建立故障數據庫；熟悉裝備的操作使用以及各部分元件功能，開發裝備的三維建模，建立元件數據庫。

（3）滿足方便性要求。根據各操作元件的尺寸，合理各元器件的綜合布局；綜合考慮部隊使用、場地限制等因素，設計綜合平臺的外形尺寸、框架結構；根據軟件和硬件的使用需求確定相應的通信協議；對綜合平臺布局進行優化設計，便于部隊根據訓練場所的實際情況自行布局、安裝和調整。

（4）滿足維修訓練需求。緊密結合訓練大綱要求，合理設置訓練課目。根據訓練大綱的內容與要求，系統應當包括裝備結構組成、工作原理演示、故障排除與維護保養等主要訓練模塊，按照由淺入深、由易到難、由理論到實踐的思路進行優化設計，綜合運用三維建模、虛擬現實、漫游交互和特色渲染等技術，完成電、氣、液回路作業動態的三維動態演示、模擬故障排除等教學訓練功能，形成實用性強、操作方便、層次合理、界面友好的訓練體系。

（5）滿足維修考核需求。綜合考慮對訓練效果的檢驗，根據受訓人員的不同類型，設定考核科目的難度，明確故障判排內容，確定不同內容的權重，考核學員學習情況。確定考核系統與故障設置系統的通信協議，故障設置系統調用上位機的程序以實現不同故障的分類設置與故障信號模擬。

4 虛擬維修訓練系統關鍵性技術分析

4.1 碰撞檢測技術

由于虛擬訓練系統對場景的渲染和系統的運行要求較高，因此對于碰撞檢測方面提出了十分嚴格的要求，除了有良好的碰撞檢測功能之外，還必須提升系統運行效率。在目前的虛擬維修訓練階段中，受訓人員選取某實體模型時，需依照受訓人員自身要求移動，處于該階段的各項零部件都存在與場景內其他部件產生碰撞的可能性，在出現了碰撞現象以后，模型之間不能穿透。

4.2 三維模型構建技術

三維模型是虛擬維修訓練系統資源的主體，包括人體模型、基本維修部件（元件）模型、經常使用的維修工具模型和場景模型等。人體建模是結合實際情況創建符合要求的人體可視化模型的集合，該模型包括多邊形模型和曲面模型等多方面。從維修期間運動和動作等相關需求入手，利用人體幾何模型加以構建，提升人體運動控制能力。基本部件模型和經常使用的工具模型，這類模型存在著形式多樣化特征，為了更加合理地應用，需要合理轉換模型格式，也就是做好三維模型數據的預處理。為了保持模型數據量增加和模型完善程度及系統渲染速度之間的平衡，需要對三維模型進行優化，這是創建三維模型的關鍵所在。一般情況下，縮減場景內模型總面數，加快場景內模型加載速度是最佳方式。

4.3 腳本封裝技術

在系統開發過程中，可以運用各種平臺軟件開發，但本質都是利用編輯交互動作腳本的方式來實現控制和管理場景內的三維模型。虛擬維修訓練系統包含的零部件多，各零部件間聯系密切，應用傳統方式導入腳本，可能產生導入腳本參數丟失或者連接線信息不完善現象，為保持良好功能，應當明確模塊參數，因此，應檢查連接線，從而可能導致增加系統開發時間，降低開發率，為避免過于煩瑣和重復性開發現象的發生，在系統開發期間，應遵循組件復用的理念，實施腳本封裝，探究交互控制腳本技術。通過現有分析來看，快捷方式和邏輯連線以及參數缺失形成的具體原因是參數尚未被全面保存到腳本行為圖內，基于此，在封裝腳本的過程中，除了創建完善的行為圖之外，還必須開展行為圖封裝處理，明確參數，確保準確。該項方式還可以降低虛擬維修訓練系統的開發難度，提升開發效率。

4.4 交互技術

在虛擬環境中，相關的交互技術包括行進、選擇和操縱、系統控制等多方面。行進也稱為視點運動控制，主要任務是用戶以交互的方式實現視點位置和方向在虛擬環境中的改變；選擇是用戶在虛擬場景中選取各個虛擬物體；操縱的目的是改變虛擬物體的屬性，包括改變物體的尺寸、位置、顏色、形狀等，一般選擇和操作是成對出現；系統控制是用戶向系統中發出的指令，如刪除選中的物體，改變保存的位置或增加新的模型等。虛擬維修訓練系統內的交互任務一般需專門的交互硬件支持，包括數據手套、位置跟蹤器以及三維鼠標等，也可以應用鍵盤或鼠標完成交互作業。

5 結語

通過將虛擬現實技術應用于裝備維修訓練能夠為受訓人員提供較真實、較全面的維修訓練。現有研究表明，碰撞檢測技術、維修模型構建技術、腳本封裝技術和交互技術是提升虛擬維修訓練系統功能的關鍵，可以實現對三維模型的優化，提升系統的渲染速度和系統開發效率，完善和提升相關技術對解決裝備維修訓練問題具有重要意義。