面向高自由度的发动机虚拟维修考核方法设计

王海涛，翟仕奇,,，王硕，钱坤，邓庆

面向高自由度的发动机虚拟维修考核方法设计

王海涛1，翟仕奇*,1,2，王硕1，钱坤1，邓庆2

（1.陆军工程大学 野战工程学院，江苏 南京 210007；2.31619部队，江苏 镇江 212421）

在发动机虚拟维修训练考核中，为了克服传统考核模式的单一性和评判规则的固定性，引入高自由度设计规则，通过将每个虚拟维修训练模块的考核内容纳入考核全过程动态调整中，打破理论知识、形态认知、虚拟拆装、维护保养、故障排除五个模块之间的相互独立性，采用智能组卷策略，合理设计考核科目，设置了考核流程科目随机、考核内容动态调整和考核标准评判多样三种高自由度考核方法，使各模块考核内容关联化，评判规则多样化，形成紧贴实际、自由灵活、科学高效的发动机虚拟维修考核方法。

发动机；虚拟维修；考核方法设计；高自由度

发动机是机械装备的核心动力组件，其性能的发挥直接制约着装备整装性能，甚至影响装备保障任务的完成效果。随着计算机仿真技术及3D建模技术的快速发展，虚拟教学逐渐普及，为发动机维修训练提供了一种新的实现途径[1]。

发动机虚拟维修系统通过虚拟现实技术再现发动机维修过程和方法，主要使受训者对发动机具备初步的直观认识，熟悉发动机结构组成、工作原理及零部件的装配关系，并能够在虚拟系统中完成发动机的虚拟拆装、维护保养、故障排除等维修操作。训练结束后，受训者通过系统完成发动机虚拟维修考核，并由系统自动对其评价[2-3]。

在发动机维修过程中，由于维修习惯、维修方法和维修技能等方面的差异，维修人员在面对同一维修任务时，所选择的维修方法有所不同，维修步骤千差万别，维修过程存在高自由度的特点。在问题解决方案上，维修人员根据自身经验、技能水平和维修进度状况，灵活调整维修步骤，具有较高的自主选择权，尤其体现在零部件拆装、保养及故障排除方面。因此，针对发动机维修过程的高自由度特点，在进行发动机虚拟维修考核方法设计时，将高自由度特点融入到考核方法设计中，设计一种既贴近维修工作实际又符合维修规律的考核方法[4-5]。

1 发动机虚拟维修主要内容

为了使受训人员熟练掌握发动机的结构性能、工作原理、维修技能等内容，按照发动机维修工作实际，发动机虚拟维修系统设计了基础认知、结构原理、虚拟拆装、维护保养、故障排除和训练考核等六大功能模块，每个功能模块按照规范标准设置，具体内容如图1所示。

1.1 基础认知

基础认知模块主要用于展示介绍发动机的主要用途、外部形态、基本组成及配合约束关系。发动机虚拟维修系统设计以固定点位和自由视角两种方式提供漫游观察与基础认知，受训者可以在虚拟场景中漫游，沉浸式观察发动机的形态与组成。

1.2 结构原理

结构原理模块主要以视频动画、语音讲解、文字介绍等方式，展示发动机系统、零部件的组成结构、几何形态、连接关系和工作原理等。该模块让受训者在操作过程中对发动机内部的工作过程、连接关系、运动机理及力的传递等内容形成直观、形象的认知与理解。

图1 发动机虚拟维修训练内容

1.3 虚拟拆装

虚拟拆装是维修保养和故障排除的基础技能，该模块根据发动机整机、典型部件的结构原理与约束关系，分析、规划拆装序列，构建面向发动机部件的拆装矩阵与解算模型，结合方法提示、序列引导、边界约束、错误警告等辅助手段，使受训者掌握重要零部件的结构特点和拆装方法，进一步强化发动机维修技能奠定基础，其训练流程如图2所示。

1.4 维护保养

维护保养的基本任务是使发动机保持清洁完整、润滑良好、调整适当、紧固可靠的良好工作状态，以减少磨损、降低消耗、延长发动机工作寿命，该模块使受训者逐步深入熟悉和掌握发动机的维护保养时机、内容与方法[6]，其训练流程如图3所示。

图2 虚拟拆装训练流程

图3 维护保养训练流程

1.5 故障排除

故障排除是发动机维修的主要工作，该功能模块在虚拟仿真环境下运用语音、文字、高亮显示、图像仿真、仪表指示等多种方式呈现故障现象，引导受训者按照选择合适的维修操作进行故障排除。其工作界面如图4所示，故障排除训练流程如图5所示。

图4 发动机虚拟维修系统故障排除模块

图5 故障排除训练流程

1.6 训练考核

考核是发动机维修训练的最后环节，是检验受训人员训练质量好坏的重要手段。发动机虚拟维修系统训练考核主要采取理论考核和操作考核两种模式：理论考核包括理论知识考核和形态认知考核；操作考核包括虚拟拆装考核、维护保养考核和故障排除考核。系统通过智能化组卷，合理设计考核流程，全程跟踪记录考生操作信息，将操作数据与评判规则相匹配，并结合评价综合模型，客观评价考生的训练效果。

2 考核设计中高自由度涵义

自由度原本指计算某一变量时取值不受限制的个数。在数学上自由度用来表示某随机向量能被完整描述所需的最小维度数；在力学中自由度用来表示确定某种机构运动时必须给定的独立运动参数的坐标数；在统计学中自由度用来表示估计总体参数时样本统计量中独立或能自由变化的变量数。在发动机虚拟维修考核方法设计中，自由度主要指维修人员选择维修过程和维修步骤的多样性[7]。

传统虚拟训练考核提前抽组考核题目，固定设置考核流程，组卷策略简单，考核模式较为单一。本文在发动机虚拟维修考核方法设计中，引入高自由度概念，打破考核模块独立的传统模式，充分结合考核内容和考核流程，将两者融入到考核过程动态变化中。比如，任由考生选择考核顺序、采取智能化组卷策略动态调整考核试题、允许考生在符合规范的前提下选择多种操作方法等。

发动机虚拟维修考核的高自由度设计主要体现在考核流程科目随机、考核内容动态调整、考核标准评判多样三个方面。

2.1 考核流程科目随机

在传统虚拟维修考核流程中，考生只能按照设定好的流程，根据考核过程引导逐项完成考核内容，考生自身没有自主选择性。本文设计考核流程科目随机的高自由度，允许考生在考核过程中具有选择考核科目顺序的自主性。

发动机虚拟维修系统在虚拟车间分散设置考核科目，当考生进入虚拟考核环境后，根据考生漫游路径，系统考核环境提示考生是否就当前考核科目接受考核，其考核流程示意图如图6所示。比如，如果考生先漫游至虚拟拆装考区，系统提示考生是否接受此科目考核，此时，考生具有自主选择权，若考生接受此科目考核，则优先进行虚拟拆装考核。该科目考核结束后，考生再随机漫游至其他考区，直至完成所有考核。

因此，在具有科目随机高自由度的考核流程中，随着考生的能力水平、漫游路径、个人习惯、临考状态的不同，科目考核顺序也会产生较大区别。这种个性化和差异化的考核设计，使考生具有较高的自主选择性，可以根据自己的实际情况作出适合自己的选择，由此打破了考核科目顺序固定的传统模式。

图6 考核流程科目随机的高自由度设计

2.2 考核内容动态调整

传统考核模式考前完成抽组试题，其组卷策略大多采取随机抽取法，虽能基本按照知识点分布情况分配试题，但是此方法较为简单呆板，无法满足现今多变的考核要求[8]。考核内容动态调整的高自由度设计随着考核过程的动态发展调整题目内容，只在当前科目考核完毕后、确定后续考核科目前进行抽组。一方面，由于考核流程科目随机的高自由度设计，考生选择考核科目顺序不同，考核知识点有所差异，组卷依据的知识点关联度发生变化，直接影响后续考题抽取；另一方面，系统分析考核成绩，实时更新数据依据，优化组卷模型约束条件，保证试题抽取的适应性。因此，系统设计时按照考核顺序依次抽组试卷，根据考核内容动态调整，其组卷流程如图7所示。

图7 考核内容动态调整组卷流程

本文建立题目难易度、知识点关联度以及错误率等多项约束条件，采取遗传算法组卷策略[9]。该组卷算法将题目的属性分为：试卷总分、答题总时间、题型分布、知识点关联度、试卷难度分布，题目难易度值划分如表1所示。

表1 题目难易度值

表2 发动机虚拟维修考核组卷约束条件

根据表2发动机虚拟维修考核组卷约束条件，建立目标矩阵：

该矩阵中，为一套试卷总题目数，每一行代表一道题目，行元素代表每道题目的约束条件。当目标矩阵符合所有约束条件时，试卷抽组才算完成，否则要优化约束条件，不断回溯继续抽组，直到条件满足为止[10]。

目标矩阵涵义如表3所示。

表3 目标矩阵涵义

试卷约束条件计算规则如下所示：

（1）约束条件1：试卷总分。

（2）约束条件2：答题总时间

（3）约束条件3：题型分布

（4）约束条件4：知识点关联度

（5）约束条件5：试卷难度

基于多种约束条件的个性化组卷策略，筛选组合题库中题目，针对不同考核者实现了智能化组卷，动态调整考核内容，保证考核内容的综合性和全面性，更加有助于对考生的虚拟维修水平进行合理评价。

2.3 考核标准评判多样

在发动机维修考核实践中，考生的各项操作步骤是否符合规范标准，主要由考官实时实地现场评判。在现场考核中，考生的所有行为可视可见，包括作风纪律和操作步骤等，均在考官注视下进行。考核时考生只要不违反操作规程，不损伤机器设备，科学合理的范围内的操作都会被允许，考核结果由考官进行综合评判。

当前虚拟维修系统考核设计时，大多按照某一操作标准设置了固定序列，考生唯有严格按照此序列操作，才能完成考核。这种考核设计内容设置简单，评价规则相对单一，可供考生选择的方法不具有多样性，也不符合客观实际。因此，面向高自由度的发动机虚拟维修考核，需要根据实际操作规程和维修考核经验，设置多种操作序列，提供考生多样化选择并予以合理评判。

（1）虚拟拆装的高自由度设计

零部件拆卸存在先后顺序，用拆卸优先关系来表示，得到所有零部件的拆卸优先关系图DA，设DA＝{,}，为零件集合，为有向边集合，对于有向边e∈表示零件优先于零件拆卸[11]。

在一般的零部件拆卸优先关系图中引入稳定性因素：零部件间存在重力支撑关系以保证结构稳定的连接为稳定性连接，用增强邻接矩阵表达具有稳定连接性的拆卸优先关系，设＝{l}，表示零件对零件具有稳定性约束。如果有向边e存在，则l＝１，即零件优先于零件拆卸；零件、间存在稳定性连接关系，则l＝2，即零件需紧接零件拆卸，否则导致部件不稳定；有向边e不存在，则l＝0，即零件、之间不存在直接的优先关系，如表5所示。

表5 增强邻接矩阵取值涵义

在机械机构中，部件越复杂，存在的约束关系也就越复杂。虚拟拆装设计时，考虑到零件的高自由度特点，其拆装的优先关系存在着较大的差异。当前研究者侧重于寻求最优拆装路径算法，如蚁群算法、遗传算法、离散布谷鸟算法等，但对于高自由度的拆装设计鲜有涉及[12-14]。

以虚拟拆卸为例，根据零部件几何约束关系，本文通过蚁群算法求得最优序列，并以拆卸方向、工具改变次数和过程稳定性为评价指标，建立虚拟拆卸序列评价目标函数为：

式中：f()为单次拆卸操作评价指标；min∑f()为拆卸序列最优化时的目标函数值。

式中：ω（＝1, 2, 3）为权重系数；s（＝1, 2, 3）为目标影响因子。当c＝2时，1＝0.1；否则1＝1。拆卸序列→，如果拆卸方向相同，则2＝0.1；否则2＝1。拆卸序列→，拆卸工具相同，则3＝0.1；否则3＝1，具体计算方法参照基于蚁群算法的选择性拆卸序列规划研究。

同理，虚拟分解、虚拟装配和虚拟安装按照此方法建立相应的评价目标函数。虚拟拆装的高自由度设计，模拟真实零部件约束关系，使考生在虚拟环境操作中有充分的自由选择，更加符合拆装实际。

（2）维护保养的高自由度设计

维护保养考核中，其高自由度的设计主要体现在保养任务完成顺序方面，即在规范条件下，允许考生自由选择保养任务完成的先后顺序。但是考虑到过高的自由度设计会给系统的实现和运行带来困难，因此，在符合实际需求条件下，在完成每项保养任务时不再设置操作的自由度，考生需按照规定步骤完成具体保养任务。

（3）故障排除的高自由度设计

在故障排除考核中，发动机故障的原因是多方面的，因此在设计自由度时在排除故障原因顺序之间设置自由度，也就是允许考生自由选择故障排除完成的先后顺序。同样考虑到系统设计繁杂的原因，对具体故障排除步骤不再进行高自由度的设计，考生亦需按照规范要求的步骤完成故障排除。

3 发动机虚拟维修考核科目设计

发动机虚拟维修考核设计总共设置五个考核单元，分别为理论知识、形态认知、虚拟拆装、维护保养、故障排除。每个考核单元既相互独立，又互有关联度，考核内容和考核顺序随着考核进度动态调整。

3.1 理论知识考核设计

理论知识单元是对原理示教内容的考核，主要考查考生对发动机工作原理和组成结构的掌握情况，题型分为单项选择题、多项选择题、判断题三种题型，组卷方法为智能化组卷策略。主要采取两种考核方式：一是试卷问答，考生需集中时间完成试卷；二是随机问答，将理论知识穿插在其他单元考核过程中，根据系统环节设置随机提问，答题方式依然为选择与判断的形式。

3.2 形态认知考核设计

发动机各组成部件的形态认知是虚拟拆装和故障维修的基础，考生只有熟练辨别每个零部件才能更好地完成其他复杂的科目。该考核单元主要分为部件识别和零件识别，采取百分制。考核采取选择题的形式，由系统显示需要判别的零部件，考生可控制模型进行360度漫游观察，在规定时间内完成判断。形态认知采取两种考核方式：一是组卷考核，考生需在集中时间内连续完成识别；二是随机问答，在虚拟拆装过程中随机设置形态识别，需要考生对拆下的零件进行判别。

3.3 虚拟拆装考核设计

发动机拆装是发动机维修的基础工作和必备技能，是虚拟维修训练的重要内容之一，对维修能力的生成产生直接影响。虚拟拆装考核单元主要分为四个内容：虚拟拆卸、虚拟分解、虚拟装配、虚拟安装。在该单元考核设计时，不仅设置有发动机整装的虚拟拆装，还有重点部件的拆装（比如高压柴油泵、燃油泵、柱塞泵等）。同时充分考虑虚拟拆装过程中的高自由度特点，允许考生选择不同的拆装方法，并对于不同的拆装序列进行评价。

3.4 维护保养考核设计

维护保养考核单元根据其保养规范设置了五项内容：清洁、紧定、调整、润滑、防腐。参照保养标准，虚拟维修系统将保养流程存储在系统数据库，对考生的每一步操作流程进行识别判断并评价。但发动机结构复杂，每个系统或部件都有很多保养项目，每个项目都有一定的技术要求。因此，系统在进行保养考核设计时，必须使保养内容严格按照技术要求进行，避免掺杂过多的主观因素。

3.5 故障排除考核设计

故障排除考核是检验考生发现故障能力和解决故障能力的重要单元。系统通过设置发动机典型故障排除案例，以此检验考生的维修能力。按照故障排除的逻辑思维步骤，主要考查考生的故障分析、故障判断、故障定位、故障排除等四个方面的内容。故障排除考核设计主要考虑以下几个方面的因素：

（1）维修工具的选择、使用方法和归置秩序；

（2）故障部位的识别与定位；

（3）故障情况的检查方法；

（4）维修操作的实施步骤；

（5）维修效果的评价。

4 发动机虚拟维修考核流程设计

根据发动机维修考核实践经验，结合系统设计的高自由度特点，灵活设置考核内容和考核顺序。当考生进入考核系统后，经用户身份验证进入虚拟考核环境，考生可自由漫游至各个考区，根据自身情况选择考核顺序。当考生到达相应考核单元时，系统提示考生是否接受该单元考核，此时考生具有自主选择性。当考生完成某项考核后，系统提示考核完成，而后考生继续漫游至其他考区，直至完成所有考核。

在进行虚拟拆装、维护保养和故障排除三项操作考核过程中，系统穿插进行理论知识和形态识别的随机问答，同时根据已考单元考核内容，动态调整后续试卷考题，避免考核内容的重复性。

考核全部结束后，根据考核评判标准和操作行为记录，系统对每项评价指标进行赋值打分，经评价模型解算，给出最终的发动机虚拟维修等级水平，并提供各个评价指标所得分值和对应等级的查询。发动机虚拟维修系统考核过程部分工作界面如图8所示。

图8 发动机虚拟维修考核过程工作界面

5 结论

根据发动机虚拟维修的涵义和主要内容，对发动机虚拟维修考核的高自由度设计进行了考核流程科目随机、考核内容动态调整和考核标准评判多样等三个方面的阐述，明确了理论知识、形态认知、虚拟拆装、维护保养和故障排除五个模块的考核内容和考核规则，最后设计了发动机虚拟维修考核的总体流程，并得到以下结论：

（1）考核流程科目随机设置个性化和差异化特点，能够适应不同考生的考核需求。

（2）考核内容动态调整通过智能化组卷方式，合理调整考核内容，使考核方法更加科学。

（3）考核标准评判多样设置多种操作序列，提供考生多样化选择，使考核评价更加合理。

（4）发动机虚拟维修考核方法的高自由度设计，创新了虚拟训练考核模式，方式新颖，设计科学，能够客观评价考生的训练效果。

[1]李甜甜，姜丽娜. 基于理实一体化教学的课程和考核模式改革与实践—以《工程机械柴油机装调与维修》课程为例[J]. 教育现代化，2019，6（44）：70-71，80.

[2]刘萃. 基于虚拟现实技术创建在线课程的实践教学研究与应用[J]. 现代职业教育，2019（14）：132-133.

[3]张玉军，邢辉，洪增. 沉浸式虚拟战场3维音效仿真研究[J]. 兵工自动化，2017，36（1）：59-63.

[4]姚寿文，常富祥，李鹏宇，等. 面向虚拟维修的零件层次结构模型[J]. 兵器装备工程学报，2019，40（5）：164-170.

[5]濮怀宇，黄家宁，韩江桂. 一种虚实结合舰船辅锅炉维修模拟训练考核平台的研制[J]. 科学技术与工程，2020，20（7）：2905-2912.

[6]鲁冬林，王海涛，曾拥华. 装备保障理论与应用[M]. 南京：陆军工程大学，2020：72-75.

[7]潘素娟，林丽钦. 概率统计中自由度的理解与应用[J]. 吉林师范大学学报（自然科学版），2013（4）：138-140.

[8]周文胜，潘中柱. 一种实用的随机组卷算法的设计思想[J]. 湖南科技学院学报，2005，26（11）：299.

[9]孟祥娟，王俊峰，曹锦梅. 利用遗传算法实现试题库自动组卷问题. 计算机系统应用，2010，19（1）：180-184.

[10]潘婷婷，詹国华，李志华. 基于知识点与错误率关联的个性化智能组卷模型[J]. 计算机系统应用，2018，27（5）：139-144.

[11]邓明星，王菊梅，唐秋华，等. 基于蚁群算法的选择性拆卸序列规划研究[J]. 武汉大学学报（工学版），2018，51（3）：257-261，267.

[12]吴昊，左洪福. 基于改进遗传算法的选择性拆卸序列规划[J]. 航空学报，2009，30（5）：952-958.

[13]张秀芬，蔚刚，王磊，等. 支持复杂产品并行拆卸序列规划的遗传算法[J]. 计算机辅助设计与图形学学报，2015，27（7）：1327-1333.

[14]居文晋，王小平，安鲁陵. 基于离散布谷鸟搜索算法的拆卸序列规划方法[J]. 组合机床与自动化加工技术，2020（10）：14-17..

Design of Engine Virtual Maintenance Assessment Method Oriented to High Degree of Freedom

WANG Haitao1，ZHAI Shiqi1,2，WANG Shuo1，QIAN Kun1，DENG Qing2

(1.College of Field Engineering, Army Engineering University of PLA, Nanjing 210007, China;2.31619 Unit of PLA, Zhenjiang 212421, China)

In the engine virtual maintenance training assessment, in order to overcome the singleness of the traditional assessment model and the fixedness of the judgment rules, a high degree of freedom design rule is introduced, and the assessment content of each virtual maintenance training module is included in the dynamic adjustment of the entire assessment process, which breaks the independence among the five modules of theoretical knowledge, morphological cognition, virtual disassembly, maintenance and troubleshooting. Intelligent strategy is adopted for the assessment, the subjects are set randomly, the content is adjusted dynamically, and the assessment rules are diversified, which is of high degree of freedom, so that the assessment content of each module is related and at the same time with diversified assessment rules, forming a virtual engine maintenance assessment method that is close to reality, free, flexible, scientific and efficient.

engine；virtual maintenance；evaluation method design；high degree of freedom

TP391

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.11.004

1006-0316 (2022) 11-0028-08

2022-03-24

装备预先研究共用技术项目：基于增强现实的装备维修辅助技术（50904040201）

王海涛（1978－），男，安徽宿松人，硕士，副教授、硕士研究生导师，主要研究方向为工程装备虚拟仿真与虚拟维修，E-mail：63208452@qq.com。*通讯作者：翟仕奇（1991－），男，安徽阜阳人，硕士研究生，主要研究方向为工程装备虚拟维修，E-mail：1193603916qq.com。