通用舰船装备虚拟维修训练系统开发平台研究

朱晓军，彭 飞，闵少松

(海军工程大学，湖北 武汉 430033)

0 前言

舰船维修是作战舰船的重要技术保障。通过对舰船进行及时而有效的维修，能使舰船在最短的时间内恢复战斗能力，而要实现快速有效的维修，就离不开技能娴熟、具有丰富维修经验的维修人员。因此，针对维修人员的维修技能培训是提高舰船装备技术保障能力的重要途径。目前的维修训练方式主要是由学员在实装或专门为特定的装备建立的实物模型或仿真模型上进行实际维修操作的方式。这种训练方式的好处是受训人员可以真实的使用实际装备，对维修工作有一个很直观的认识，但是，随着海军现代化的加速和装备复杂程度的提高这种训练方式也暴露出诸多缺点，具体表现在以下几个方面:①舰船装备的种类变得越来越多，培训设施无法适应每一种装备;②舰船装备更新周期越来越短，原有的训练方式无法跟上更新;③装备维修培训中心通常都是被限制在某一个地点;④维修培训效果有限，维修培训专家资源有限;⑤舰船装备的生产费用昂贵，基于实装的训练会造成装备损坏。

因此，针对以上问题，迫切需要一种现代化的培训和训练手段来解决目前存在的问题，而利用虚拟现实技术进行维修仿真是一种目前最有效的替代方法。虚拟维修训练是以虚拟现实技术为基础，以计算机及其相应的硬件设备为培训手段，为复杂装备的维修训练建立起一个维修的仿真环境，它可有效的解决装备操作、维修训练中的“性能”，“安全”和“成本”问题，一旦建立起该平台，就可以通过不断开发升级各种装备的相应虚拟维修训练系统，真正实现一次投资、多方受益。

关于虚拟维修训练系统，国外多家研究机构已经进行过研究，如洛克希德·马丁公司和GE公司共同建立了一个用于美军F－16战斗机和C130运输机维修训练的虚拟维修训练系统，并同时应用到了F－22和联合攻击战斗机 (JSF)X－33的研制过程中，用于检验维修性问题［1］。在国内，北京航空航天大学，以杨宇航为首的研究小组应用虚拟现实技术建立了基于虚拟样机的虚拟维修训练系统［2］。皮兴忠和何嘉武则分别提出了一种通用的虚拟维修训练平台的架构［3－4］。王国辉和赵育良分别针对具体的装备研制了虚拟维修训练系统［5－6］。

本文针对舰船装备的特点，主要叙述了一种面向舰船装备的通用虚拟维修训练开发平台软件SVMTP。SVMTP提供合理的体系结构、交互仿真处理机制、开发接口等，它用一种规范的通用概念模型来描述不同的虚拟维修训练应用;可以方便的辅助用户针对具体的装备快速完成虚拟维修应用系统的开发。

1 SVMTP概述

SVMTP的设计目标是支持不同舰船虚拟维修训练应用系统开发的通用软件平台。图1所示是SVMTP的系统层次结构图，从图1中可以看出，SVMTP是在成熟的应用开发工具库的基础上，结合自定义工具库进行构建的，它屏蔽和封装了各种工具软件的功能实现细节，依靠抽象的概念模型、体系结构、各模块之间的接口及运行机制等功能来帮助用户快速完成一个具体VR应用的开发。

图1 SVMTP层次图

根据多种虚拟维修训练的的需求分析，SVMTP设计为具有如下主要功能，功能结构图如图2所示。

1.1 仿真功能

1)增强的交互功能。多种典型的VR交互方式都可以采用，如虚拟手势识别、三维菜单等。当用于双手抓取物体时，用户必须仍然能够有一种方式向计算机发出指令，这时候就可以采用语音识别来完成。

2)系统可视化配置功能。SVMTP系统提供可视化配置工具，可进行仿真环境配置、交互式硬件设备参数配置、虚拟维修训练方案配置、维修操作帮助信息配置等等。

3)模型数据导入功能。能够将多种格式的舰船装备模型导入到系统中，缩短系统开发时间。

图2 SVMTP功能结构图

1.2 维修训练功能

1)培训方案定制功能。系统可按照培训目标和受训者个人信息 (熟练程度)建立个性化的培训方案。具体实现时，可将一个复杂的培训目标进行分解，用对应的目标树来表示，然后建立培训任务到培训目标的映射关系，用培训任务和培训目标状态形成模型，系统依据模型数据来生成定制的培训方案。

2)维修培训方案模板。可建立面向培训任务的培训剧本模型。为减少培训剧本模型和分析的复杂性，对于每一个任务，可以构造对应的培训剧本。

3)训练效果评估功能。系统可用于维修操作人员的考核、评比和维修训练、战场抢修的质量评估以及战时修理力量的效能评估，为决策提供可靠依据。

4)维修操作辅助提示功能。在虚拟维修训练中，该模块能使用文字或声音，实时的对受训人员的误操作进行提醒。

5)培训文档输出功能。如果某一个特定的培训任务不能完成，那么其原因应该能够由系统分析出来，同时相应的数据可以进行归档记录，在受训者进行拆卸装备的操作过程中，每一个部件的路径都应该能够被记录和编辑，被保存的数据还可以被回放。

1.3 扩展功能

系统可通过组装和维修的虚拟模拟，来开发最优的生产流程和反馈出产品设计阶段的隐患，为维修性、可靠性设计提供及时可靠的信息和可行的建议，使得产品的动态设计成为现实。

2 SVMTP的系统结构

由以上需求可知，系统可以由接口模块、虚拟模型对象库、维修过程模型库、维修任务计划模型库、任务在线辅助模块、任务评估模块和仿真模块组成。图3是SVMTP的各组成模块之间的关系图。

图3 SVMTP的系统结构图

由图3可以看到，SVMTP系统中的核心模块是维修任务计划模型库和维修过程模型库。

1)维修任务计划模型库。此模块负责为受训者形成虚拟培训方案。为了生成合适并且能够完全达到培训目标的培训计划，可以使用决策表来表示从培训目标 (子目标)到培训任务的一个映射。所有的培训目标都带有复杂层次信息，同时培训任务也带有任务复杂层次信息，这两个部分组合成一个目标——任务决策表。每一个任务的复杂层次数值用于帮助进一步唯一的确定问题状态，使其满足受训者培训需求。根据受训人员的熟练程度，制定不同的培训目标，然后形成培训目标——任务决策模型库，利用模型库，可以方便的对受训人员的培训过程进行控制，使其达到培训目标的要求。

2)维修过程控制模型。维修过程模型库则用于在受训者操作过程中对操作流程进行控制，为了控制复杂的维修过程，表示各种不同的复杂维修任务，将相关的过程分解为基本的任务元素，清晰的定义任务之间的相互关系是非常重要的。同样，在系统的开发过程中，需要确定一个具有灵活的任务关系的结构，以便于在系统中进行快速的修改，重新定义。这个过程可以用Petri网来实现，利用Petri网，可以有效的表示一系列基本的维修任务和条件，并在装配拆卸过程中执行它［3］。

3 SVMTP的主流程

图4是SVMTP主流程示意图，可以方便地支持不同维修训练应用的开发。

图4 SVMTP应用程序开发流程图

各步骤的主要功能介绍如下。

Pre－Initialize:预初始化，为系统正常运行初始化底层环境;执行Performer的初始化操作配置3D图形运行环境，设置路径等。

Load:读取配置文件，配置文件包括虚拟场景配置、维修培训计划方案、维修过程Petri网等初始化数据，Load过程中也可直接编码生成自己的特殊对象。

Initialize:初始化过程，系统依据配置文件生成系统的场景静态结构和维修计划、维修过程的数据缓冲区，各子系统及其内部对象，利用系统的思想，建立各子系统对象之间的各种联系，形成整体，为具体的仿真作准备。

Update:依据用户输入数据和维修计划数据、维修过程Petri网数据在虚拟环境中完成一个仿真步骤。SVMTP将循环执行Update过程，直到接收到退出的命令。

Clean:完成仿真任务后，清理运行过程中产生的数据，重置系统数据，为下一轮的仿真做好了准备。

4 基于SVMTP的开发实例

本文针对船用减速齿轮箱的维修培训过程，利用SVMTP建立了一个基本的虚拟环境下的维修训练系统，该系统能够有效的帮助学员在拆装过程中进一步观察了解减速器的各零部件的结构、相互间配合的性质、零件的精度要求、定位尺寸、装配关系及齿轮、轴承润滑、冷却的方式及润滑系统的结构和布置;输出、输入轴与箱体间的密封装置及轴承工作间隙调整方法及结构等。

5 结束语

目前SVMTP功能不够完善，仍需大量的工作进行完善和实例验证，其中关于维修过程控制模型主要是由Petri网来实现，但当训练任务复杂时，模型将变得非常复杂，不利于进行分析，因此下一阶段的研究方向就是利用结构化层次化思想简化Petri模型，使其更适用于培训任务描述的需要。

［1］Rosenberg Barry.Lockheed martin demonstrates virtual maintenance software ［J］.Aviation weeks＆space technology，2002，156(14):89.

［2］杨宇航，庚红，杨东晓，等.装备虚拟维修训练系统工程研究［J］.计算机工程与设计，2002，23(4):34－41.

［3］皮兴忠，范秀敏，严隽琪.VR Flier:一个面向虚拟现实通用应用开发的软件平台 ［J］.系统仿真学报，2005，17(5):1157－1162，1167.

［4］何嘉武，赖煜坤.武器装备虚拟维修训练系统设计与实现 ［J］.科技导报，2010(24):73－76.

［5］王国辉，邓威，李向荣，等.基于虚拟现实的自动装弹机虚拟维修训练系统 ［J］.火炮发射与控制学报，2011(3):29－32.

［6］赵育良，苏媛媛.基于虚拟仿真技术的某型航空相机虚拟维修训练系统［J］.兵工自动化，2009(1):89－91，94.