李博南+陳虎

摘 要：針對(duì)艦艇柴油機(jī)實(shí)裝維修訓(xùn)練存在的諸多局限，提出對(duì)柴油機(jī)采用虛擬維修訓(xùn)練的方法，探討了虛擬維修系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)框架，研究了虛擬維修系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的若干關(guān)鍵技術(shù)，從而為其他裝備的現(xiàn)代化維修訓(xùn)練手段提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī) 虛擬現(xiàn)實(shí) 虛擬維修 人機(jī)交互

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）08（b）-0066-02

柴油機(jī)是提供艦艇動(dòng)力的核心裝置，其穩(wěn)定性和可靠性對(duì)于艦艇機(jī)動(dòng)性能的發(fā)揮具有重要影響。由于受到維修費(fèi)用和維修條件限制，目前維修人員很難結(jié)合實(shí)際裝備進(jìn)行有針對(duì)性的反復(fù)訓(xùn)練[1]。而采用虛擬維修裝備是解決這一問(wèn)題的有效途徑。

虛擬維修是以計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為依托，在由計(jì)算機(jī)生成的、包含了產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)與維修人員3D（三維）人體模型的虛擬場(chǎng)景中，通過(guò)驅(qū)動(dòng)人體模型（包含采用人在回路的方式）來(lái)完成整個(gè)維修過(guò)程仿真的綜合性應(yīng)用技術(shù)[2]。作為一種對(duì)維修操作過(guò)程仿真的新式維修技術(shù)，在提高裝備維修的針對(duì)性、快速性以及降低維修訓(xùn)練費(fèi)用方面起了明顯的效果。文章在虛擬維修相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出某型柴油機(jī)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并研究了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 虛擬維修國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代初期，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于維修性分析與維修訓(xùn)練已被美國(guó)工程院列為工程領(lǐng)域的前沿研究。

美國(guó)宇航員在美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）為其建立的虛擬太空環(huán)境中進(jìn)行了多種模擬維修訓(xùn)練，訓(xùn)練結(jié)果對(duì)哈勃望遠(yuǎn)鏡的進(jìn)行太空維修提供了重要參考，是虛擬維修訓(xùn)練領(lǐng)域的典范[3]。

為提供適合于隊(duì)員訓(xùn)練的虛擬環(huán)境，RTI開(kāi)發(fā)了針對(duì)坦克、軍用車輛以及反坦克導(dǎo)彈系統(tǒng)的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在該訓(xùn)練系統(tǒng)中可進(jìn)行故障檢測(cè)和故障排除工作。該系統(tǒng)與其他虛擬維修系統(tǒng)的差別在于，受訓(xùn)者不是處于所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境中，而是通過(guò)窗口觀察虛擬世界[4]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)虛擬維修仿真技術(shù)的研究同發(fā)達(dá)國(guó)家相比，還有一定的差距，目前處于探索開(kāi)發(fā)階段。

軍械工程學(xué)院進(jìn)行了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在設(shè)備維修訓(xùn)練、維修性設(shè)計(jì)分析領(lǐng)域的應(yīng)用研究。經(jīng)過(guò)近10年的努力，解決了虛擬維修技術(shù)領(lǐng)域的若干問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的某型導(dǎo)彈裝備沉浸式虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)和交互式桌面型虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)，這些維修系統(tǒng)和訓(xùn)練平臺(tái)都起到了良好的使用效果。楊軍等人，分析研究了某型炮射導(dǎo)彈虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的總體構(gòu)成和過(guò)程仿真模型以及基于HLA分布式裝備虛擬維修訓(xùn)練聯(lián)邦成員結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，并提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能故障診斷專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、推理機(jī)制以及系統(tǒng)構(gòu)建的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

2 柴油機(jī)虛擬維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

柴油機(jī)虛擬維修系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有沉浸性、交互性和自主性等虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基本特征，同時(shí)該系統(tǒng)還應(yīng)對(duì)艦員在虛擬維修系統(tǒng)中的主動(dòng)地位進(jìn)行充分突出，可以讓受訓(xùn)艦員主觀能動(dòng)性得到充分發(fā)揮，從而能改善在傳統(tǒng)訓(xùn)練中艦員只能被動(dòng)接受知識(shí)的狀況。鑒于此，需要從以下幾方面對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行考慮。

（1）瀏覽或交互虛擬場(chǎng)景中的維修對(duì)象及其零部件。系統(tǒng)需要提供對(duì)維修對(duì)象及其零部件進(jìn)行實(shí)時(shí)瀏覽或交互的功能，以及對(duì)虛擬場(chǎng)景中的維修對(duì)象進(jìn)行類似實(shí)時(shí)的拖動(dòng)、縮放以及旋轉(zhuǎn)的交互操作，從而可以讓用戶對(duì)維修對(duì)象零部件結(jié)構(gòu)形成直觀的了解。

（2）便于拆裝操作。為了對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行虛擬維修，系統(tǒng)應(yīng)具備實(shí)現(xiàn)對(duì)故障源部件的虛擬拆裝功能，并且還要對(duì)柴油機(jī)的拆裝過(guò)程進(jìn)行分析，從而得到故障源部件最易的拆裝序列以提高維修效果。

（3）瀏覽圖片及進(jìn)行動(dòng)畫演示。為了能充分調(diào)動(dòng)艦員的思維、運(yùn)動(dòng)以及感覺(jué)等各通道，故需要提供圖片、動(dòng)畫等多種信息的展示方式。

（4）實(shí)現(xiàn)故障診斷。此系統(tǒng)開(kāi)發(fā)不僅是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)艦員進(jìn)行維修技能方面的培訓(xùn)，同時(shí)還要將以往的裝備維修經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行整合，從而輔助維修診斷。

2.2 系統(tǒng)功能模塊劃分

文章研究的某型柴油機(jī)虛擬維修系統(tǒng)主要應(yīng)用于艦船機(jī)電人員的艦員級(jí)維修保障培訓(xùn)環(huán)節(jié)，使艦員能通過(guò)該系統(tǒng)達(dá)到掌握柴油機(jī)的日常保養(yǎng)和在遠(yuǎn)航時(shí)應(yīng)急維修相關(guān)知識(shí)。為達(dá)到上述要求，建立某型柴油機(jī)虛擬維修系統(tǒng)應(yīng)主要包括以下幾個(gè)功能模塊。

2.2.1 用戶管理模塊

登陸用戶分為兩類：一是管理員用戶；二是普通用戶。管理員用戶負(fù)責(zé)系統(tǒng)所有功能的管理和維護(hù)，如用戶的管理和權(quán)限的設(shè)置等；普通用戶只能利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行虛擬維修操作。

2.2.2 基本結(jié)構(gòu)模塊

該模塊包括冷卻系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、速度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、主要固定件系統(tǒng)、換氣系統(tǒng)、啟動(dòng)停車系統(tǒng)、主要運(yùn)動(dòng)件系統(tǒng)及配氣機(jī)構(gòu)?；窘Y(jié)構(gòu)模塊以圖片、視頻以及動(dòng)畫的方式介紹柴油機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)。

2.2.3 日常保養(yǎng)模塊

該模塊的設(shè)計(jì)需要參照船員級(jí)維修保障大綱中的日常保養(yǎng)項(xiàng)目，以文字、視頻、動(dòng)畫等方式介紹其保養(yǎng)規(guī)程，并需要視情況提供技術(shù)指導(dǎo)。

2.2.4 遠(yuǎn)航應(yīng)急維修模塊

該模塊的設(shè)計(jì)需要通過(guò)調(diào)研的方式搜集該柴油機(jī)在遠(yuǎn)航過(guò)程中常見(jiàn)故障及其維修方法，提供用戶虛擬維修訓(xùn)練功能。

2.2.5 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

整個(gè)柴油機(jī)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的后臺(tái)支撐平臺(tái)是數(shù)據(jù)庫(kù)模塊，用來(lái)存儲(chǔ)柴油機(jī)各零部件的三維模型、拆裝信息數(shù)據(jù)和故障信息數(shù)據(jù)，從而為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行提供后臺(tái)數(shù)據(jù)支持。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

此文所構(gòu)建的柴油機(jī)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖1所示。

3.1 面向虛擬維修的柴油機(jī)三維模型的建立

面向虛擬維修的柴油機(jī)建模是系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。模型的優(yōu)劣將對(duì)虛擬維修系統(tǒng)后續(xù)工作的效率產(chǎn)生直接影響，因此，建立一個(gè)信息完善和集成化程度高的柴油機(jī)模型具有非常重要的意義。在CATIA環(huán)境中，模型是按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)的形式進(jìn)行表達(dá)的，這樣裝配件與子裝配件、子裝配件與零部件、零部件與其物理屬性等裝配信息均以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)的方式存在，并可以以一定的格式進(jìn)行輸出。因此在建模及裝配的過(guò)程中，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)中就需定義好模型信息之間的關(guān)系，這樣可以使模型滿足面向于虛擬維修的需要，并減少重復(fù)工作，提高系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的效率。

3.2 柴油機(jī)三維模型的預(yù)處理及3DXML格式輸出

在構(gòu)建柴油機(jī)模型時(shí)，采用的平臺(tái)是CATIA V5，CATIA V5R支持3DXML格式文件的輸出，同時(shí)Virtools中有3DXML的導(dǎo)入選項(xiàng)，因此可以實(shí)現(xiàn)將CATIA中的模型輸出到Virtools中。在輸出的過(guò)程中需要對(duì)復(fù)雜的模型做相應(yīng)的簡(jiǎn)化以便于在Virtools中的交互處理，具體設(shè)置如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，在CATIA V5R16平臺(tái)上可以實(shí)現(xiàn)3種精度的模型文件輸出：Exact（精確）、Tessellation（表現(xiàn)鑲嵌）、以及Compressed Tessellation（壓縮表面鑲嵌），選擇不同精度的模型輸出在Virtools中模型的多邊形數(shù)不同，產(chǎn)生的文件大小及操作的流暢程度也因此不同。因此可以根據(jù)模型的大小和復(fù)雜程度，選擇相應(yīng)的精度標(biāo)準(zhǔn)的輸出模型。

3.3 柴油機(jī)三維模型的導(dǎo)入

將柴油機(jī)三維模型從CATIA環(huán)境中導(dǎo)入，是在Virtools平臺(tái)上進(jìn)行虛擬維修交互功能開(kāi)發(fā)之前的必要工作。由于兩個(gè)軟件平臺(tái)擁有共同的中間格式3DXML，故只需將CATIA中輸出的3DXML文件導(dǎo)入即可。在Virtools環(huán)境下導(dǎo)入3DXML的模型設(shè)置界面中，能夠?qū)?dǎo)入的柴油機(jī)模型進(jìn)行材質(zhì)、光線、視角等參數(shù)的設(shè)置，通過(guò)這些參數(shù)設(shè)置以滿足模型進(jìn)行交互的需要。

3.4 Virtools環(huán)境下交互操作的實(shí)現(xiàn)

在柴油機(jī)虛擬維修系統(tǒng)中，模型交互控制的原則為：能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)顯示柴油機(jī)各個(gè)零部件的名稱；當(dāng)選中某個(gè)零部件時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)零部件的拆卸操作；當(dāng)完成拆卸任務(wù)時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)部件的裝配任務(wù)；能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)柴油機(jī)部件的移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放的操作；所有的交互操作能夠通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤事件實(shí)現(xiàn)；方便與系統(tǒng)平臺(tái)的集成。綜合考慮上述原則，直接調(diào)用行為模塊庫(kù)中的內(nèi)置BB（Behavior Blocks）可實(shí)現(xiàn)在Virtools中對(duì)模型的控制。Virtools提供了可供調(diào)用的500多個(gè)BB，每個(gè)BB都是提供了行為輸入、行為輸出、參數(shù)輸入，以及參數(shù)輸出4個(gè)接口的行為控制函數(shù)，使用者可以利用在資源庫(kù)中調(diào)用BB對(duì)模型進(jìn)行相應(yīng)的控制。

3.5 交互控制模型的發(fā)布

首先通過(guò)Virtools的發(fā)布功能將交互模型生成VMO文件，然后在客戶端安裝IE的瀏覽控件——Virtools Web Player，就能實(shí)現(xiàn)在IE環(huán)境下對(duì)虛擬維修模型進(jìn)行瀏覽及交互操作。

4 結(jié)語(yǔ)

為解決船用柴油機(jī)維修訓(xùn)練的方式單一、損耗大的問(wèn)題，筆者開(kāi)發(fā)了某型柴油機(jī)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)。文章構(gòu)建了虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的功能模塊，分析研究了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的若干關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)此文的研究，船用柴油機(jī)維修訓(xùn)練的靈活性和經(jīng)濟(jì)性將在很大程度上得到提高。

參考文獻(xiàn)

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