虚拟机务培训系统设计与实现

高 华

0 引言

目前飞机机务培训主要采用教员结合文本、挂图讲解，学员到真机上实际操作的培训模式。首先，讲解本身缺乏直观性和生动性，另外对于新研制的机型，不能投入大量真机用于维修培训。其次，在真机上进行培训存在受时间和场地限制、训练成本高、易损坏飞机等弊端。

虚拟机务培训是虚拟维修训练的重要组成部分，虚拟机务培训系统可分为桌面式、沉浸式、增强式和分布式。国外从20世纪90年代，对虚拟维修培训技术的应用做了大量研究。新加坡南洋理工大学的Li等研究了桌面式虚拟现实系统 V-REALISM 用于维修培训[1]。意大利萨勒诺大学的Abate等研究了一种应用于航空工业中基于触觉的虚拟维修训练方法，实现了高交互性的虚拟环境[2]。国内对虚拟维修培训系统的研究起步较晚，但发展迅速。军械工程学院的郝建平等人对系统设计方法进行了研究，提出了一种基于Multi-Agent的虚拟维修训练系统(VMTS)结构框架，对复杂装备虚拟维修培训技术的研究具有重要意义。

虚拟机务培训以维修培训为研究对象，以虚拟现实为基础，利用多维的网络平台，多元的信息接口，为飞机维修培训建立起一个“实装”、“实地”和“实战”的仿真环境[3]。依据机务培训相关法律法规，利用模拟结果实现对机务人员的训练、考核、评估。系统最基本的功能是对机务人员进行培训，使其在进行实物维修前就能掌握相关机型的维修知识、具备一定维修和维修指挥能力，对于改进培训效果、降低培训费用具有极大的促进作用[4]。

1 系统开发的总体方案

本文针对飞机机务培训的实际需求,构建虚拟机务培训系统。基于仿真的机务培训系统的开发过程，可以认为是从底层数据出发，经过功能模块对数据进行分析、处理得到相应的结果，最终将这些结果通过用户界面传达到应用层，并以与用户交互的手段达到训练和考核的目的。因此，系统实现框架可以分为底层数据库、构件层和应用层3个层面加以描述，如图1所示：

图1 系统框架图

该系统为飞机机务培训和飞机运行技术保障等提供高效的平台，为提早飞机维修开展计划、缩短维修培训时间、提高维修效率、节约维修成本、保障维修培训的安全性创造有利条件。培训机构对机务人员进行培训时，采用类似于CAVE三维虚拟环境，为学员营造身临其境的训练氛围。同时为了便于受训人员完成课后复习，进行针对性训练，提高受训人员的专业知识和维修技能，系统经过简单设置后受训人员可在PC上利用桌面式三维虚拟环境进行维修培训课程的自我训练。

2 关键技术

2.1 场景优化技术

场景优化的方法，主要包括模型数据轻量化和多分辨率绘制，这两种方法是提高图像绘制性能非常有效的技术。模型数据轻量化主要是对模型冗余信息的去除和对三角网格模型的简化。前者主要是去除零件的建模过程信息及零部件间的装配关系，后者主要是减少三维网格的顶点、边和面片的数量。多分辨率技术以网格简化为基础,通过构造原始网格模型的多个逼近表示,结合硬件资源的绘制能力和绘制误差选择最优的细节层次( level-of-detail ,LOD)[5]进行绘制。该技术既能保证场景的视觉效果,又能提高场景的绘制帧速,大大改善系统的实时性。

2.2 基于Virtools的虚拟维修交互操作的实现

在完成模型的导入后, 首先需要在 Virtools环境下对模型进行调整, 包括光线、材质、显示比例、坐标等模型属性。同时利用 Virtools 强大的交互功能实现对模型的交互操作,在Virtools中实现对模型的控制, 可以通过直接调用行为模块库中的内置BB( Behavior B locks), Virtools本身提供了500多个BB并提供了行为输入、行为输出、参数输入、参数输出4个接口, 因此可以在BB 资源库方便的调用BB 并利用BB对模型进行相应的控制[6]。在实现模型的虚拟维修交互操作之后, 需要将模型发布成 VMO 文件供系统集成平台调用。

2.3 基于.Net的系统集成

将完成好的维修过程仿真文件导入 Virtools软件内完成交互开发, 形成了可供用户进行操作的VMO 文件。这些文件可以直接在IE浏览器内进行浏览和操作(在系统已经安装V irtools Web Player控件的前提下)。但这样只能实现对单个文件的交互操作, 而设备零部件的层次关系、拆卸和装配说明、维修指导等内容无法直接在IE 内与零部件的VMO 文件同时显示, 不能形成一个完整的系统, 因此需要进一步进行系统的集成。而Virtools Web Player为Window s环境下的标准COM 控件,可以通过在.Net环境下调用该控件实现对虚拟维修交互模型的集成。

3 系统开发的流程

依照信息化项目“总体规划，分布实施”的原则，系统开发采用DASSAULT SYSTEMES公司系列产品实现虚拟机务培训系统的飞机系统介绍、三维展示、维修仿真、维修培训测验等功能并完成课件的制作。具体的开发流程，如图2所示：

图2 系统开发流程图

3.1 三维模型的构建

3.1.1 维修场景的建模

1)三维模型采用CATIA 和3DS MAX联合建模的方法。CATIA 是一款具有强大造型功能和分析功能的 CAD 软件，具有基于特征的参数化建模功能，适合飞机各系统中精细零部件模型的创建。另外CATIA模型可保存成3dxml数据格式直接进入 VIRTOOLS,其材质信息也不会丢失。对精度要求不高的维修场景模型的创建本文利用 3DS MAX 建模软件。CATIA建立某商用飞机发动机的三维模型和 3DS MAX建立的飞机机库模型，如图3所示：

图3 三维模型效果图

2）虚拟人模型直接采用DELMIA的Human Builder模块建立，并用Human Measurements Edit模块对其进行尺寸的重新定义，以符合中国成年人的人体尺寸标准。

3.1.2 场景模型的优化

模型的优化直接关系着系统的运行效率和使用性，本文分别从缩减文件体积和提高文件运行效率两个方面进行优化。对模型体积的优化分为两个阶段：在使用建模软件制作模型阶段，通过减面运算的方法进行优化；在编辑文件阶段，通过压缩运算的方法进行优化。对模型运行效率的优化同样分两个阶段进行，在使用建模软件制作模型阶段，通过设置光源、优化纹理等方法进行优化，在编辑文件阶段，则通过优化细节层次和优化碰撞检测的方法进行优化。

3.2 维修过程的仿真

维修过程仿真是通过维修场景和虚拟人的行为来实现维修有关活动或过程的模拟。通过运动控制对虚拟人行为进行调整来仿真虚拟人行为，更新维修场景的状态，响应虚拟人行为仿真请求，实现维修场景的约束运动仿真，并对维修仿真的结果输出进行记录和处理，形成仿真过程文件。

维修过程仿真是实现维修训练的基础，主要包括两个部分：维修对象拆装规划和拆装操作仿真。维修对象拆装规划是对维修拆卸过程的分析，包括对维修人员的身体指标、维修人员的数量、维修工具的种类和数量、维修设备的种类、拆装路径、拆装顺序的规划。拆装操作仿真是基于案例的维修活动仿真，是维修训练系统底层的核心工作和实现最终应用的基础。拆装操作仿真是依据AMM手册的要求，在虚拟环境中，利用虚拟人完成整个维修活动。拆装操作仿真的工作重点是维修对象的拆卸过程实现，包括维修准备、故障隔离、拆卸、更换、安装、检测、调校、检验。基于DELMIA软件的虚拟人维修过程仿真，如图4所示：

图4 基于DELMIA软件的虚拟人维修过程仿真

3.3 仿真结果的后处理

维修过程仿真完成了整个维修工程的数据化、可视化，但是场景逼真度不够高，为了达到更好的训练效果，便于数据的集成，实现良好的交互式操作，需要对仿真结果实施优化处理。另外为提高训练效果，加深学员对重要信息的印象，让受训人员及时了解维修的操作进程，在关键的操作位置，能及时给出警示语音或者警示文字。作为重要的辅助训练手段，语音信息、文字信息的添加可以更好的实现理论学习与实践的结合。Virtools中进行后期处理的部分脚本，如图 5所示：

图5 Virtools后期处理脚本

4 系统的实现

基于前文所述的开发方案以及根据实际需求，我们将该虚拟机务培训系统分成3个子系统来描述，如图6所示：

图6 虚拟机务培训系统划分示意图

其中，学习子系统和在线帮助子系统采用多媒体方式，描述系统导航信息和飞机系统资料信息。资料采取分层次存储，按功能关系和装配关系智能检索，并根据用户信息推断用户寻求资料条目，建立更加适人化的人机操作界面。训练操作子系统提供逼真的视景仿真，完成对某型商用飞机的虚拟维修训练，并对训练效果和总体质量进行评估和预测。

5 结论

采用虚拟现实技术建立虚拟机务培训系统，可有效地降低机务培训成本，大大提高培训质量。本文以维修工程理论为基础, 通过虚拟现实开发平台 Virtools，构建了系统的实现框架，研究并解决了相关的关键技术，同时以此框架开发了虚拟机务培训系统。该系统不仅能满足航空公司对机务人员培训的需要，同时该系统的实现框架，也为其他复杂装备虚拟维修训练系统的开发，提供了一种较新的思路。

[1]Qing-Hui Wang, Jing-Rong Li, Bao-Li Wu，et al.Live parametric design modifications in CAD-linked virtual environment[J].Int J Adv Manuf Technol，2010，50:859～869

[2]Abate A F, Guida M, Leoncini P, et al.A haptic-based approach to virtual training for aerospace industry[J].Journal of Visual Languages and Computing，2009，20(5): 318～325

[3]刘鹏远，张锡恩，刘玉海.虚拟维修训练中基于知识的操作响应机制研究与实现.[J]计算机工程，2003，29（1）：253～255

[4]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

[5]张亚萍, 熊华, 姜晓红，等.大型网格模型简化和多分辨率技术综述[J].计算机辅助设计与图形学学报，2010，22(4)：559～568

[6]刘明昆，三维游戏设计师宝典—Virtools开发工具篇[M].四川出版集团，2005：41～42.