基于虚拟现实技术的装备维修训练系统设计

贾丽 杜浩 李梓 尹航 周桃

摘  要：随着虚拟现实技术的不断发展，为了弥补实装训练的不足，装备虚拟维修训练日益受到关注。该文进行了装备虚拟维修训练系统的基本功能与模块设计，对关键技术进行分析，并构想了未来的发展方向，可为复杂装备虚拟维修训练系统开发提供参考与借鉴。

关键词：虚拟现实  航天装备  训练

中图分类号：TP37                                   文献标识码：A                          文章编号：1672-3791（2019）03（b）-0011-03

Abstract： With the rapid development of the virtual reality technology，the shortcomings of the conventional real weapon equipments maintenance training can be remedied by adopting virtual maintenance training technology. This paper designs the basic functions and module design of equipments virtual maintenance training system，and reviews the significance and development status of virtual maintenance based on VR technology.And the end of the paper，we imagine the development direction of this system using in military. On the basis of above results，the system framework is designed，which can be used for the development of all kinds of equipment virtual maintenance training systems.

Key Words： VR; Aerospace Equipment; Training

故障排除和装备维修是装备保障中的一个重要内容，特别是当装备在野外作战时，如何实现故障的快速诊断和维修对于保持作战能力至关重要。目前的方法是制定维修操作手册，供使用人员查阅参考，但这种方法存在资料查询不方便、无法提供实时联动式帮助、操作实物成本高、延误作战时机等缺陷;而采用实际装备进行维修操作训练又容易对装备带来不必要的损耗，且难以覆盖某些精密、贵重仪器设备的维修。利用虚拟现实（VR）技术预先开展虚拟维修训练，以实景显示的形式，提升使用人员的维修水平，可以有效地解决这些问题。

1  虚拟维修技术研究现状

虚拟维修技术将计算机仿真技术与VR技术结合，主要应用于产品维修性设计、维修流程规划、维修操作训练、维修仿真验证，通过构建沉浸式、交互式的虚拟维修环境，使用户能直观地开展操作。在一些难操作或者容易发生危险的项目操作前，事先进行虚拟训练可以大幅度降低维修风险。虚拟维修突破了设备维修在时间、空间上的制约，可逼真展现设备的检验、分解、装配、故障诊断、更换、修理等操作;通过仿真操作过程，还能为规划维修任务、配置保障人员、选择修理工具、确定拆卸顺序、预留维修空间和预计保障费用等提供辅助决策[1]。

虚拟维修在国外起步较早，通过多年发展及实践检验，取得了很大的成果。例如，在哈勃太空望远镜升空不久，NASA就发现其光学系统故障，无法完成预定功能，由于太空装备的修理存在技术难度及一次成败问题，美国预先利用虚拟现实技术搭建了一个模拟维修平台，在该平台上供维修人员进行预先模拟维修活动，在地面进行充分的训练之后成功完成了太空修理任务。虚拟维修技术在美国F-16、C-130、F-22等飛机的维修训练中得以应用[2]。中国航天员科研训练中心在2013年搭建了一个航天员太空协同操作训练仿真系统结构。该系统结构能支持多名航天员模拟太空协同操作训练任务[3]。

2  功能需求分析

利用VR技术创建维修训练虚拟环境，通过对虚拟装备进行排故训练、拆装训练和测试训练，掌握装备维修的原理及操作过程，与实装训练相比，具有降低训练费用、缩短训练时间、丰富训练种类、实现训练考核等特点[4]。

基本功能需求分析如下：

（1）通过仿真产品的运动学和动力学等特性，实现对产品及真实维修场景的虚拟再现。

（2）实现训练人员在不同仿真场景中的虚拟漫游。

（3）实现对于虚拟产品的拆卸、装配等交互操作。

（4）对训练人员的操作过程进行判断并以日志记录。

（5）实现对于训练人员的故障设置。

（6）在指定模式下可实现对操作原理的实时显示。

（7）实现维修人员数据、故障数据，知识数据、路径规划数据等信息管理。

（8）支持教学、自学、考核等多种训练模式。

另外，装备的维修由用户自主开展是一个发展趋势，受专业知识、维修工具、备品备件的限制，用户方从事较为复杂的维修工作往往存在难度，新装备的研制过程中也在向简化用户操作的趋势发展。因此，系统设计时还必须考虑以下需求：

（1）人机交互简单，界面显示简洁。

（2）重点关注在用户层面开展的关键维修操作，需返厂维修的项目不训练。

（3）仿真的装配关系必须与实际装备一致。

（4）仿真维修操作流程必须与实际装备一致。

3  虚拟维修训练系统设计

3.1 系统框架

采用MVC的开发模式，将系统设为模型层、视图层、控制层3层架构，降低各模块之间的耦合联系，做成一个通用的、产品化的、可适用于多种装备的维修训练系统。如图1所示为虚拟维修训练系统的基本框架。

模型层用来管理系统中用到的各种数据，如三维模型、维修流程、故障数据、用户数据、知识数据等;视图层主要是执行人机交互操作，维修人员可直观获取装备模型图、维修过程及原理，开展训练操作;控制层作为视图层及模型层之间的数据传输交换接口，是整个系统的核心。它接收从视图层发来的训练指令，判断要执行的动作，执行指令，调用模型层中数据，实现零部件模型读取、训练过程记录及训练效果评价计算，最终将训练结果提交到视图层，并对模型层数据的修改进行存储更新。

3.2 软硬件模块设计

在确定系统需求及总体框架后，将功能实现分为虚拟场景构建、维修操作仿真、辅助维修、信息管理等4个功能模块。各功能模块之间的交换关系如图2所示。

3.2.1 虚拟场景构建模块

该模块是整个系统中最基本的模块，用来演示装备系统、分系统、子系统、单机及零部组件的三维视图。训练过程中通过简单的手势操作，可实现虚拟场景中维修人员视角的转换以及虚拟场景视野的缩放。

3.2.2 维修操作仿真模块

通过操作界面接收操作指令，实现对维修设备三维模型的操作，如模型整体或者部分零部件的移动、旋转、缩放。

为满足不同种类训练需求，主要分为3种操作模式：在教学模式下能够实现自动拆装功能，按照步骤向维修人员演示正确连续的拆卸、更换、装配过程。自学模式下，系统通过流程式的引导和提示，帮助维修人员完成自主学习。当维修操作顺序错误时，无法进行到后续步骤，系统给出错误信息。考核模式下，维修人员可随意进行维修操作，系统后台记录维修过程，利用一定的考核算法实现训练科目评估。

3.2.3 辅助维修模块

在进行训练之前，操作人员通过选择故障库中的不同故障类型，实现故障机理的深层学习，系统可提供当前或者即将进行的拆装步骤信息及当前零部件原理，流程化地实现辅助维修训练。

3.2.4 信息管理模块

实现维修人员信息、故障数据，拆装序列规划和移动路径规划等信息管理。维修人员信息的管理包括人员单位、所属部门、训练科目、训练成绩等。故障数据维护包括装备的故障库的增删改查，并可根据考核的需要设置故障数据。拆装序列规划即根据维修手册规范，确定产品拆装先后顺序，生成与实际相符的动作序列。移动路径规划，即拆装过程中产品的移动路线，应尽量避免在零部件移动过程中发生遮挡、穿透、重叠等问题。

系统的关键硬件如图3所示。

3.3 数据库内容设计

数据库分为人员信息管理、故障信息管理、设备信息管理、拆装序列与路径规划管理、维修信息管理5部分。

人员信息管理包括参训单位表、人员信息表、角色分配表、权限分配表，并设定三员管理，管控人员权限信息。

故障信息管理包括故障基本信息表、故障现象表、故障原理表、故障处理流程表，管理员对该表中的故障基本信息，以及该故障导致的现象进行维护。

设备信息管理包括设备分层产品结构表、设备名称表、设备初始化角度和位置表等。

拆装序列与路径规划管理包括拆装故障对应的拆装序列和序列所对应的零部件的路径规划表。

维修信息管理包括教学科目表、自学训练信息表、考核过程表和成绩评估表等，用来对维修人员在系统中的演示、训练和考核信息进行管理。

4  系统关键技术

4.1 三维模型优化处理技术

虚拟维修训练系统必备的基本资源包括人体模型库、动作姿态库、维修部件库和维修工具库。为了场景的逼真直观，这些三维模型为了从各个角度详细查看模型细节，将严重降低场景中三维模型的渲染速度。在确保模型数量及完整性为优先考量的基础上，为了提高渲染速度，对三维模型进行优化处理是虚拟场景构建时应该考虑的关键问题。

4.2 拆装碰撞检测技术

系统拥有大量关系紧密的零部件，拆装过程的训练对于碰撞检测的要求也就更高，不仅需要有碰撞检测功能，还不能过于影响仿真系统的运行速度。可以先采用近似检测排除明显不相交的物体，然后再对可能发生碰撞的物体进行精确检测，看其是否发生了碰撞，若发生碰撞的话再计算出发生碰撞的位置，为了训练的真实性，还应有碰撞后的碰撞响应。

5  未来军事领域可研方向分析

5.1 满足协同训练需求，构建虚拟协同维修训练系统

目前已经应用的虚拟维修系统大多还是局限于单人的训练或者分布式仿真维修。单人的维修模式满足不了大型装备维修的实际需求;而分布式虚拟维修虽可实现多人对同一维修活动的共享，但没有考虑多人协作操作。大型装备的维修为一项协同工作，不能把多人协同的维修理解为单人维修的简单扩展。从协作角度出发，构建大型装备的协同虚拟维修系统，是一个需要研究的领域。

5.2 滿足资源共享需求，构建虚拟维修训练云仿真平台

现有基于HLA的分布式虚拟维修训练系统任务和设备耦合紧密，仿真效率低下，维护起来存在难度;仿真资源仅限于短距离范围内的共享，利用率不高[5]。以云计算及云仿真理念，构建一套虚拟维修训练云仿真平台，将分散的武器装备训练资源、仿真资源等集中到一个大型的数据中心。平台可将装备虚拟维修训练仿真资源以云模式共享，实现人员对各类资源的安全按需调用、不同地点多用户按需协同互操作，满足大范围分布式维修训练仿真需求。

6  结语

利用虚拟维修训练系统，维修人员可以实现维修过程的重现，对难操作项目进行反复操作，在完成任务后可以对维修过程进行评估，为实际操作打下良好的基础。与传统的维修训练方式相比，虚拟维修训练既有效降低了成本，同时也大大地提高了训练效果。

参考文献

[1] 刘佳，刘毅.虚拟维修技术发展综述[J].计算机辅助设计与图形学学报，2009，21（11）：1519-1534.

[2] 高博，黄昉，侯春牧.虚拟现实技术在美军实战化训练中的应用及启示[J].国防科技，2014，35（2）：94-96.

[3] 赵博，刘凤财，向彩霞.航空航天虚拟装配和虚拟维修进展综述[J].导弹与航天运载技术，2016（5）：53-57.

[4] 耿朝阳，刘德明.武器装备虚拟维修训练系统的设计与实现[J].电子测试，2014（1）：7-9.

[5] 朱东方，苏群星，刘鹏远.装备分布式虚拟维修训练云仿真关键技术[J].计算机应用，2013（10）：2778-2782.①作者简介：贾丽（1989—），女，汉族，河北衡水人，硕士，工程师，研究方向：综合保障总体设计。

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科学技术创新杂志社

2019-09-04