陳展鱗

（中山大學(xué)腫瘤防治中心，廣東 廣州 510060）

現(xiàn)代化科研水平的提升，使大型裝備的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，與此同時(shí)，設(shè)備造價(jià)費(fèi)用也越來越高。為避免高精度設(shè)備在使用中出現(xiàn)故障，通常會(huì)采用增加設(shè)備維修投入的方式，進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行保障。現(xiàn)階段，虛擬維修技術(shù)已經(jīng)成為適應(yīng)我國大型機(jī)械生產(chǎn)制造企業(yè)發(fā)展的全新技術(shù)，并初步實(shí)現(xiàn)了在試點(diǎn)單位與相關(guān)科研領(lǐng)域內(nèi)推廣使用。

但在深入此方面內(nèi)容的研究中發(fā)現(xiàn)，虛擬維修技術(shù)在醫(yī)學(xué)設(shè)備維修領(lǐng)域的應(yīng)用仍然存在空白。以醫(yī)用直線加速器為例，此儀器是一種用于醫(yī)療腫瘤放射性化療的大型設(shè)備，使用此儀器可以產(chǎn)生大量的電子線與X射線，使用此射線對(duì)人體內(nèi)的腫瘤進(jìn)行照射，可以起到消除或縮小腫瘤、癌細(xì)胞分布的效果。此儀器在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用價(jià)值極高，因此，本文將在此次研究中，設(shè)計(jì)一種基于虛擬維修技術(shù)的醫(yī)用直線加速器維修方法，為虛擬維修技術(shù)在市場(chǎng)內(nèi)的大規(guī)模推廣使用提供技術(shù)支持與幫助。

1 虛擬維修技術(shù)分析

虛擬維修技術(shù)是一種面向產(chǎn)品零件安裝、拆卸的技術(shù)，可以認(rèn)為此項(xiàng)技術(shù)集成了計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)產(chǎn)品展開的一種仿真維修操作行為。利用此項(xiàng)技術(shù)，可以將產(chǎn)品與故障樣機(jī)置于虛擬化環(huán)境中，對(duì)其進(jìn)行維修過程的仿真處理。但由于其本質(zhì)屬于一種工程應(yīng)用技術(shù)，因此，技術(shù)在使用中對(duì)其精度也有著較高要求。

利用虛擬維修技術(shù)可以為前端技術(shù)人員創(chuàng)設(shè)一個(gè)相對(duì)真實(shí)的訓(xùn)練環(huán)境，此時(shí)，操作者可以在“身臨其境”的環(huán)境下進(jìn)行故障判別與處理。但在此過程中，應(yīng)注意技術(shù)的使用要滿足下述五個(gè)方面的要求：所構(gòu)建的場(chǎng)景能夠較逼真地反映產(chǎn)品保障環(huán)境及其維修實(shí)現(xiàn)過程；具有多種功能仿真模擬性能；能夠滿足人機(jī)交互或可視化操作需求；具有高性能的合訓(xùn)能力；可以實(shí)現(xiàn)對(duì)技術(shù)的保障性給予正確評(píng)估；能夠?qū)Σ僮髦械钠钚袨?、錯(cuò)誤行為、干涉行為給予及時(shí)預(yù)警。

2 基于醫(yī)用直線加速器維修的虛擬維修系統(tǒng)分析

2.1 虛擬維修系統(tǒng)構(gòu)建

為實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)用直線加速器故障的精準(zhǔn)處理，引進(jìn)虛擬維修技術(shù)，進(jìn)行虛擬維修系統(tǒng)的構(gòu)建。構(gòu)建過程中，建立多個(gè)開放式功能模塊，在模塊中進(jìn)行開發(fā)醫(yī)用直線加速器維修構(gòu)件單元模型。使用3D Max建模軟件，進(jìn)行構(gòu)件尺寸的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，利用模型中的布爾運(yùn)算，對(duì)故障構(gòu)件的點(diǎn)、線、面進(jìn)行空間局部布局優(yōu)化。此過程如下計(jì)算公式所示。

式中，δ表示為故障構(gòu)件的點(diǎn)、線、面進(jìn)行空間局部布局設(shè)計(jì)單元模型；λ表示為三維場(chǎng)景；Z表示為場(chǎng)景映射空間；θ表示為空間偏移角度。

按照上述方式，完成對(duì)醫(yī)用直線加速器構(gòu)件的空間布局設(shè)計(jì)后，考慮到模型中不同構(gòu)件基于視覺效果較為粗糙。因此，還需要在現(xiàn)有工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行構(gòu)件的平滑處理。處理過程如下計(jì)算公式所示：

式中，M表示為構(gòu)件的平滑處理；B表示為；T表示為構(gòu)件視覺粗糙度；?表示為空間渲染；H表示為表面特征；T′表示為小波轉(zhuǎn)換后構(gòu)件視覺粗糙度。將完成處理的構(gòu)件在模型中進(jìn)行虛擬交互，集成輔導(dǎo)文件與Visual C++編程程序，通過此種方式，完成對(duì)醫(yī)用直線加速器虛擬維修系統(tǒng)的構(gòu)建。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

虛擬維修系統(tǒng)是一個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的輔助維修系統(tǒng)，此系統(tǒng)在應(yīng)用中最主要的優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)了維修過程中人機(jī)的交互。可將維修過程中兩個(gè)參與者表示為主體與客體，對(duì)兩者的描述如圖1所示。

圖1 虛擬維修系統(tǒng)主體與客體之間的關(guān)系

在VR技術(shù)的支撐下，創(chuàng)設(shè)一個(gè)相對(duì)真實(shí)的操作故障維修操作環(huán)境，按照指定的端口進(jìn)入預(yù)設(shè)的場(chǎng)景后，維修人員可以身臨其境地進(jìn)行設(shè)備操作，通過此種方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)用直線加速器故障的精準(zhǔn)處理。為滿足設(shè)計(jì)過程中的交互性需求，可按照?qǐng)D2所示內(nèi)容，進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

圖2 醫(yī)用直線加速器虛擬維修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述圖2所示的內(nèi)容可知，數(shù)字化處理樣機(jī)主要用于模擬設(shè)備構(gòu)件；人體結(jié)構(gòu)模型主要用于仿真人員在故障處理中的行為；外設(shè)虛擬現(xiàn)實(shí)工具可以提供主體與客體之間的交互接口；編程軟件與工具主要用于描述維修過程中的操作行為。

2.3 技術(shù)流程分析

從目前的設(shè)備維護(hù)實(shí)踐來看，應(yīng)先找出設(shè)備的類型，找出故障部位，進(jìn)行拆裝、更換。在此過程中，為系統(tǒng)操作提供技術(shù)支撐，是指對(duì)設(shè)備故障構(gòu)件拆卸、裝配等功能模擬。圖3展示了虛擬維護(hù)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)流程。

圖3 虛擬維護(hù)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)流程

在處理過程中，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人機(jī)交互技術(shù)作為支撐，通過對(duì)故障構(gòu)件的瀏覽、行為的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的識(shí)別與故障維修方案的生成與故障處理工作全面優(yōu)化。

3 虛擬維修技術(shù)在醫(yī)用直線加速器維修上的應(yīng)用分析

3.1 模擬訓(xùn)練

為實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)用直線加速器故障的精準(zhǔn)維修，應(yīng)在完成對(duì)虛擬維修的構(gòu)建后，將醫(yī)用直線加速器在運(yùn)行中的技術(shù)參數(shù)錄入虛擬維修系統(tǒng)，對(duì)技術(shù)參數(shù)進(jìn)行模擬訓(xùn)練。錄入?yún)?shù)，如表1所示。

表1 西門子M型醫(yī)用直線加速器技術(shù)參數(shù)錄入

完成對(duì)醫(yī)用直線加速器技術(shù)參數(shù)的錄入后，對(duì)參數(shù)進(jìn)行迭代處理，對(duì)不同項(xiàng)目參數(shù)在不同取值下的工況進(jìn)行模擬。此過程如下計(jì)算公式所示。

式中，y表示為醫(yī)用直線加速器運(yùn)行工況模擬；ω表示為技術(shù)參數(shù)；z表示為參數(shù)取值情況；m表示為核心構(gòu)件重要性；i表示為錄入?yún)?shù)數(shù)量；j表示為故障組合次數(shù)。完成上述處理后，將模擬的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)Exit模塊，在此模塊進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)的訓(xùn)練。訓(xùn)練過程如下計(jì)算公式所示。

式中，α表示為模擬數(shù)據(jù)的訓(xùn)練處理過程；β表示為數(shù)據(jù)傳輸渠道；n表示為訓(xùn)練系數(shù)；r表示為數(shù)據(jù)維度。通過此種方式，提高模擬數(shù)據(jù)的精度，為醫(yī)用直線加速器故障維修決策提供指導(dǎo)與幫助。

3.2 故障檢修與定位

對(duì)存在故障的醫(yī)用直線加速器進(jìn)行故障檢修與故障構(gòu)件的定位處理。當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)屬性被觸發(fā)后，需要進(jìn)入醫(yī)用直線加速器的運(yùn)行控制界面，進(jìn)行故障在虛擬場(chǎng)景中的映射，根據(jù)映射結(jié)果進(jìn)行故障的檢修與定位，此過程如下計(jì)算公式所示。

式中，f(x)表示為故障構(gòu)件在醫(yī)用直線加速器中的空間位置；C表示為虛擬場(chǎng)景映射；p表示為醫(yī)用直線加速器的運(yùn)行控制界面；A表示為指令性約束條件。按照上述方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)醫(yī)用直線加速器在運(yùn)行中故障的診斷、決策與定位。

3.3 維修檢驗(yàn)與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在制定維修方案后，按照預(yù)設(shè)的方案進(jìn)行醫(yī)用直線加速器故障維修，對(duì)完成維修后的醫(yī)用直線加速器進(jìn)行運(yùn)行檢驗(yàn)。檢驗(yàn)過程包括對(duì)模擬設(shè)備的安裝、拆卸、調(diào)試等操作。確保維修后醫(yī)用直線加速器不存在異常運(yùn)行反饋后，完成對(duì)儀器的維修檢驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)維修過程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，通過對(duì)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，以了解維修過程中遇到的各種障礙，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)維修工作進(jìn)行有效的檢查和評(píng)估。通過對(duì)虛擬樣機(jī)對(duì)象的分析，可以及時(shí)地找到問題，并對(duì)其成因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決措施。

4 結(jié)語

建立基于虛擬維修技術(shù)的設(shè)備維修系統(tǒng)，不但可以節(jié)約維修成本，還可以通過智能的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，改變以往的海量、零散的數(shù)據(jù)積累。在進(jìn)行虛擬維修時(shí)，可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和預(yù)防設(shè)備的進(jìn)一步損壞，尤其是在遠(yuǎn)程技術(shù)的指導(dǎo)下，充分發(fā)揮專家的作用，可以確保設(shè)備長時(shí)間、穩(wěn)定地工作。