虚拟维修训练系统关键技术分析

卫国华 宋殿义＊ 黄 昉 陈玉峰 覃中信

（国防科技大学军事基础教育学院，湖南 长沙 410072）

0 引言

装备维修训练是保障装备性能的重要手段，现有装备维修训练主要是通过维修资料、动画录像、实装训练和模拟训练器等手段实现，运用实际装备和模拟器虽然能够产生良好的训练效果，但受场地、数量和时间限制，同时保障和维护费用较高，采用资料学习、动画或视频录像等方式可以降低学习费用，方便广泛配发学习，但很难达到训练效果和学以致用的目的。

虚拟维修训练系统的出现有效解决了现有问题，系统中可以建立虚拟的“实地”和“实景”，受训人员在虚拟环境中产生较好的沉浸感，可有效提升训练效果，提高训练质量，大幅降低训练费用，保障训练安全。

1993年，美国哈勃望远镜（HST）的虚拟维修训练是虚拟维修应用的典型案例，为实现在HST上进行维修，NASA建立了相应的虚拟环境，在该环境下模拟其故障，并进行相应的各种维修活动，期间共有105名宇航员参加了维修训练，平均每个宇航员都进行了超过200个小时的训练，这也是人类历史上第一次大规模地采用虚拟维修训练技术完成实际维修任务。1995年，洛克希德·马丁通过虚拟维修进行维修性分析与人因工程分析，同时应用虚拟维修技术的应用还缩短了研制周期。此外，英国、法国、德国、澳大利亚、韩国等国家也对虚拟维修技术的应用进行了大量的研究。

虚拟维修技术在国外军事和航空部门的快速发展及成功应用已经引起了国内科研工作者的高度重视，国内一些院校和科研院所也积极投入这一领域的研究中。海军工程大学提出了基于桌面沉浸的虚拟训练系统方案，并开发了相应的虚拟教学训练系统，同时，国防科技大学、南京理工大学、华中科技大学等院校也开展了虚拟维修系统的研究，并在实际的教学和训练应用中取得了较好的效果。目前，国内关于保障训练原理演示的研究与应用，总体上还处于技术与方法的基础应用与探索阶段，尚未形成实用的、完整的理论与技术体系，也没有研制出大型的应用系统。尤其是在工程装备保障虚拟技术方面，目前尚处于桌面式系统的研究与初步应用阶段，沉浸式及其他类型系统还处于探索阶段。

1 虚拟维修训练技术

随着虚拟现实技术的不断发展，虚拟维修训练技术逐渐形成，该项技术将计算机仿真、虚拟现实和智能训练等技术有机结合，合理规划维修阶段，为维修作业开展提供良好的支撑，结合实际情况创建有着交互式特征的虚拟维修条件。对于安全性要求高、抢修速度要求快的装备来讲，做好维修训练以及考核尤为重要，虚拟维修可克服维修场地、装备数量和时间等限制，方便结构拆装和故障诊断训练，同时，虚拟维修技术还可在规范性操作方面提供良好的支持，比如维修工具的选取、部件拆卸安装和维修费用预算估计等。

虚拟维修训练的要素包括人机交互、虚拟训练场景、维修训练内容和训练监控四项，通过虚拟维修训练技术将这些要素构成了虚拟维修训练过程。依据虚拟维修训练的要素重点解决以下三类问题：一是目标与内容，即针对受训人员的特点，进行需求分析，明确受训人员需要达到的知识和技能目标，根据装备特点进行训练内容的细化和设计，确定具体的训练科目；二是支撑环境，即场景的构建与维修数据的开发，重点是维修知识与维修过程的描述，训练要素之间关系的界定，维修场景的优化与确定等，这是维修训练系统开发的基础；三是维修训练的实施方法，即虚拟维修训练执行、评估和管理，这是保证训练效果的关键环节。

2 虚拟维修训练系统开发框架的构建

2.1 虚拟维修训练系统的开发框架

虚拟维修训练系统主要是结合实际装备建立可供维修训练的装备三维模型，将三维模型导入系统，设置维修训练场景，利用训练过程数据或定义脚本控制训练状态，实现人与装备、场景的交互。

2.2 开发框架构建的难点

其一，利用交互设备加深受训人员与虚拟场景内三维模型的交互程度，对于三维模型的选取和控制，为了确保移动期间场景的逼真，禁止发生各项模型相互穿透情况。

其二，符合用户视觉效果要求，既需要保持模型的真实性，还必须与计算机基本处理要求相符合，提升计算机处理效率，避免场景模型的渲染速度大幅下降。

其三，规范维修训练脚本，虚拟维修训练系统内包含装备的维修操作与拆装训练，涉及多类交互控制脚本，规范管理脚本极为重要，是实施装配体和其他实体交互式控制管理的基础，也是实现虚拟维修训练系统功能的关键。

3 虚拟维修训练系统开发

3.1 系统设计要求

随着各种新型装备不断配发，新型装备数量不断增加，其对应的装备保障训练和教学显得尤为重要，研制配套的装备维修训练系统或训练器材既能节约大量的训练经费，又能提高训练效益与质量。虚拟维修系统设计要求概括如下：

（1）符合训练大纲对维修人员的能力和素质要求。该系统一般应具有严密的逻辑性和丰富知识体系，总体设计必须与训练大纲规定的训练内容与要求相符合，利用虚拟维修训练系统进行组训与考核时应与装备的实际保障模式一致，重点解决因缺乏训练手段导致的大纲训练内容无法落实等问题。因此，重点是使维修人员掌握装备的结构组成、工作原理，了解常见故障现象及排除方法，以全面提高其维修保障能力。

（2）实现利用信息化训练手段解决复杂装备的维修训练难题。综合运用半实物仿真技术、虚拟现实技术、计算机技术，研究装备保障信息化训练手段的研发配套，大力推进基地训练、网络训练、模拟训练、野战训练手段建设，满足使用分队、修理部（分）队、训练机构、院校的教学训练需求，适用于使用分队、修理分队、各类技术人员学习掌握其装备保障相关知识，同时维修训练系统的研究思路与开发方法，应能为大型复杂装备的维修保障训练系统建设提供参考。

（3）节约训练经费，提高训练效益。基于计算机技术的虚拟维修训练是解决实装训练安全隐患多、资源消耗大、训练效果不高的重要手段。目前，与装备配套的装备维修训练系统各成体系、互不兼容，制约了训练效益提升，并由此导致资源不能共享及基础设施的重复建设。因此，在虚拟维修训练系统开发过程中统一模拟训练接口，便于按照综合集成的要求，对众多技术手段进行系统集成、综合运用，实现训练保障资源的优化配置和资源共享，提高训练效益。

3.2 系统设计思路

现有装备的维修保障多是在装备发生故障后进行以修代训，修理人员的受训数量和时间难以保证，致使装备保障训练难以开展，导致装备的维修保人员障能力难以有效形成，装备一旦出现故障往往依托厂家进行维修。因此，维修训练系统的设计应围绕下述内容进行：

（1）满足通用性需求。系统应具有统一的数据接口和通信协议，不同装备的维修保障训练仅需要连接相应的专用适配器，即可实现与通用演示终端进行数据信息交互和装备作业及操纵状态的实时演示，解决现有工程装备维修训练平台通用性不强、无法进行资源共享的“烟囱”林立问题。

（2）满足数据建立的需求。结合装备的各项战技术性能综合分析其构造，全面掌握其工作原理，建立电、液、气路逻辑回路数据库；结合原理绘制其故障树，利用模糊分析方法，确定该装备发生故障的类型、发生概率，建立故障数据库；熟悉装备的操作使用以及各部分元件功能，开发装备的三维建模，建立元件数据库。

（3）满足方便性要求。根据各操作元件的尺寸，合理各元器件的综合布局；综合考虑部队使用、场地限制等因素，设计综合平台的外形尺寸、框架结构；根据软件和硬件的使用需求确定相应的通信协议；对综合平台布局进行优化设计，便于部队根据训练场所的实际情况自行布局、安装和调整。

（4）满足维修训练需求。紧密结合训练大纲要求，合理设置训练课目。根据训练大纲的内容与要求，系统应当包括装备结构组成、工作原理演示、故障排除与维护保养等主要训练模块，按照由浅入深、由易到难、由理论到实践的思路进行优化设计，综合运用三维建模、虚拟现实、漫游交互和特色渲染等技术，完成电、气、液回路作业动态的三维动态演示、模拟故障排除等教学训练功能，形成实用性强、操作方便、层次合理、界面友好的训练体系。

（5）满足维修考核需求。综合考虑对训练效果的检验，根据受训人员的不同类型，设定考核科目的难度，明确故障判排内容，确定不同内容的权重，考核学员学习情况。确定考核系统与故障设置系统的通信协议，故障设置系统调用上位机的程序以实现不同故障的分类设置与故障信号模拟。

4 虚拟维修训练系统关键性技术分析

4.1 碰撞检测技术

由于虚拟训练系统对场景的渲染和系统的运行要求较高，因此对于碰撞检测方面提出了十分严格的要求，除了有良好的碰撞检测功能之外，还必须提升系统运行效率。在目前的虚拟维修训练阶段中，受训人员选取某实体模型时，需依照受训人员自身要求移动，处于该阶段的各项零部件都存在与场景内其他部件产生碰撞的可能性，在出现了碰撞现象以后，模型之间不能穿透。

4.2 三维模型构建技术

三维模型是虚拟维修训练系统资源的主体，包括人体模型、基本维修部件（元件）模型、经常使用的维修工具模型和场景模型等。人体建模是结合实际情况创建符合要求的人体可视化模型的集合，该模型包括多边形模型和曲面模型等多方面。从维修期间运动和动作等相关需求入手，利用人体几何模型加以构建，提升人体运动控制能力。基本部件模型和经常使用的工具模型，这类模型存在着形式多样化特征，为了更加合理地应用，需要合理转换模型格式，也就是做好三维模型数据的预处理。为了保持模型数据量增加和模型完善程度及系统渲染速度之间的平衡，需要对三维模型进行优化，这是创建三维模型的关键所在。一般情况下，缩减场景内模型总面数，加快场景内模型加载速度是最佳方式。

4.3 脚本封装技术

在系统开发过程中，可以运用各种平台软件开发，但本质都是利用编辑交互动作脚本的方式来实现控制和管理场景内的三维模型。虚拟维修训练系统包含的零部件多，各零部件间联系密切，应用传统方式导入脚本，可能产生导入脚本参数丢失或者连接线信息不完善现象，为保持良好功能，应当明确模块参数，因此，应检查连接线，从而可能导致增加系统开发时间，降低开发率，为避免过于烦琐和重复性开发现象的发生，在系统开发期间，应遵循组件复用的理念，实施脚本封装，探究交互控制脚本技术。通过现有分析来看，快捷方式和逻辑连线以及参数缺失形成的具体原因是参数尚未被全面保存到脚本行为图内，基于此，在封装脚本的过程中，除了创建完善的行为图之外，还必须开展行为图封装处理，明确参数，确保准确。该项方式还可以降低虚拟维修训练系统的开发难度，提升开发效率。

4.4 交互技术

在虚拟环境中，相关的交互技术包括行进、选择和操纵、系统控制等多方面。行进也称为视点运动控制，主要任务是用户以交互的方式实现视点位置和方向在虚拟环境中的改变；选择是用户在虚拟场景中选取各个虚拟物体；操纵的目的是改变虚拟物体的属性，包括改变物体的尺寸、位置、颜色、形状等，一般选择和操作是成对出现；系统控制是用户向系统中发出的指令，如删除选中的物体，改变保存的位置或增加新的模型等。虚拟维修训练系统内的交互任务一般需专门的交互硬件支持，包括数据手套、位置跟踪器以及三维鼠标等，也可以应用键盘或鼠标完成交互作业。

5 结语

通过将虚拟现实技术应用于装备维修训练能够为受训人员提供较真实、较全面的维修训练。现有研究表明，碰撞检测技术、维修模型构建技术、脚本封装技术和交互技术是提升虚拟维修训练系统功能的关键，可以实现对三维模型的优化，提升系统的渲染速度和系统开发效率，完善和提升相关技术对解决装备维修训练问题具有重要意义。