某型柴油機虛擬維修系統(tǒng)研究

李博南+陳虎

摘 要：針對艦艇柴油機實裝維修訓(xùn)練存在的諸多局限，提出對柴油機采用虛擬維修訓(xùn)練的方法，探討了虛擬維修系統(tǒng)開發(fā)的結(jié)構(gòu)框架，研究了虛擬維修系統(tǒng)實現(xiàn)過程中的若干關(guān)鍵技術(shù)，從而為其他裝備的現(xiàn)代化維修訓(xùn)練手段提供了一定的參考。

關(guān)鍵詞：柴油機 虛擬現(xiàn)實 虛擬維修 人機交互

中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（b）-0066-02

柴油機是提供艦艇動力的核心裝置，其穩(wěn)定性和可靠性對于艦艇機動性能的發(fā)揮具有重要影響。由于受到維修費用和維修條件限制，目前維修人員很難結(jié)合實際裝備進行有針對性的反復(fù)訓(xùn)練[1]。而采用虛擬維修裝備是解決這一問題的有效途徑。

虛擬維修是以計算機技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)為依托，在由計算機生成的、包含了產(chǎn)品數(shù)字樣機與維修人員3D（三維）人體模型的虛擬場景中，通過驅(qū)動人體模型（包含采用人在回路的方式）來完成整個維修過程仿真的綜合性應(yīng)用技術(shù)[2]。作為一種對維修操作過程仿真的新式維修技術(shù)，在提高裝備維修的針對性、快速性以及降低維修訓(xùn)練費用方面起了明顯的效果。文章在虛擬維修相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出某型柴油機虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計方案，并研究了系統(tǒng)實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

1 虛擬維修國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)90年代初期，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于維修性分析與維修訓(xùn)練已被美國工程院列為工程領(lǐng)域的前沿研究。

美國宇航員在美國國家航空航天局（NASA）為其建立的虛擬太空環(huán)境中進行了多種模擬維修訓(xùn)練，訓(xùn)練結(jié)果對哈勃望遠(yuǎn)鏡的進行太空維修提供了重要參考，是虛擬維修訓(xùn)練領(lǐng)域的典范[3]。

為提供適合于隊員訓(xùn)練的虛擬環(huán)境，RTI開發(fā)了針對坦克、軍用車輛以及反坦克導(dǎo)彈系統(tǒng)的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在該訓(xùn)練系統(tǒng)中可進行故障檢測和故障排除工作。該系統(tǒng)與其他虛擬維修系統(tǒng)的差別在于，受訓(xùn)者不是處于所創(chuàng)造的虛擬環(huán)境中，而是通過窗口觀察虛擬世界[4]。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國虛擬維修仿真技術(shù)的研究同發(fā)達國家相比，還有一定的差距，目前處于探索開發(fā)階段。

軍械工程學(xué)院進行了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在設(shè)備維修訓(xùn)練、維修性設(shè)計分析領(lǐng)域的應(yīng)用研究。經(jīng)過近10年的努力，解決了虛擬維修技術(shù)領(lǐng)域的若干問題，開發(fā)了基于虛擬樣機技術(shù)的某型導(dǎo)彈裝備沉浸式虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)和交互式桌面型虛擬維修訓(xùn)練平臺，這些維修系統(tǒng)和訓(xùn)練平臺都起到了良好的使用效果。楊軍等人，分析研究了某型炮射導(dǎo)彈虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的總體構(gòu)成和過程仿真模型以及基于HLA分布式裝備虛擬維修訓(xùn)練聯(lián)邦成員結(jié)構(gòu)和設(shè)計，并提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能故障診斷專家系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、推理機制以及系統(tǒng)構(gòu)建的具體實現(xiàn)過程。

2 柴油機虛擬維修系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

柴油機虛擬維修系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有沉浸性、交互性和自主性等虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征，同時該系統(tǒng)還應(yīng)對艦員在虛擬維修系統(tǒng)中的主動地位進行充分突出，可以讓受訓(xùn)艦員主觀能動性得到充分發(fā)揮，從而能改善在傳統(tǒng)訓(xùn)練中艦員只能被動接受知識的狀況。鑒于此，需要從以下幾方面對系統(tǒng)設(shè)計進行考慮。

（1）瀏覽或交互虛擬場景中的維修對象及其零部件。系統(tǒng)需要提供對維修對象及其零部件進行實時瀏覽或交互的功能，以及對虛擬場景中的維修對象進行類似實時的拖動、縮放以及旋轉(zhuǎn)的交互操作，從而可以讓用戶對維修對象零部件結(jié)構(gòu)形成直觀的了解。

（2）便于拆裝操作。為了對柴油機進行虛擬維修，系統(tǒng)應(yīng)具備實現(xiàn)對故障源部件的虛擬拆裝功能，并且還要對柴油機的拆裝過程進行分析，從而得到故障源部件最易的拆裝序列以提高維修效果。

（3）瀏覽圖片及進行動畫演示。為了能充分調(diào)動艦員的思維、運動以及感覺等各通道，故需要提供圖片、動畫等多種信息的展示方式。

（4）實現(xiàn)故障診斷。此系統(tǒng)開發(fā)不僅是為了實現(xiàn)對艦員進行維修技能方面的培訓(xùn)，同時還要將以往的裝備維修經(jīng)驗進行整合，從而輔助維修診斷。

2.2 系統(tǒng)功能模塊劃分

文章研究的某型柴油機虛擬維修系統(tǒng)主要應(yīng)用于艦船機電人員的艦員級維修保障培訓(xùn)環(huán)節(jié)，使艦員能通過該系統(tǒng)達到掌握柴油機的日常保養(yǎng)和在遠(yuǎn)航時應(yīng)急維修相關(guān)知識。為達到上述要求，建立某型柴油機虛擬維修系統(tǒng)應(yīng)主要包括以下幾個功能模塊。

2.2.1 用戶管理模塊

登陸用戶分為兩類：一是管理員用戶；二是普通用戶。管理員用戶負(fù)責(zé)系統(tǒng)所有功能的管理和維護，如用戶的管理和權(quán)限的設(shè)置等；普通用戶只能利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫進行虛擬維修操作。

2.2.2 基本結(jié)構(gòu)模塊

該模塊包括冷卻系統(tǒng)、燃油供給系統(tǒng)、速度調(diào)節(jié)機構(gòu)、潤滑系統(tǒng)、主要固定件系統(tǒng)、換氣系統(tǒng)、啟動停車系統(tǒng)、主要運動件系統(tǒng)及配氣機構(gòu)?；窘Y(jié)構(gòu)模塊以圖片、視頻以及動畫的方式介紹柴油機的基本結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)。

2.2.3 日常保養(yǎng)模塊

該模塊的設(shè)計需要參照船員級維修保障大綱中的日常保養(yǎng)項目，以文字、視頻、動畫等方式介紹其保養(yǎng)規(guī)程，并需要視情況提供技術(shù)指導(dǎo)。

2.2.4 遠(yuǎn)航應(yīng)急維修模塊

該模塊的設(shè)計需要通過調(diào)研的方式搜集該柴油機在遠(yuǎn)航過程中常見故障及其維修方法，提供用戶虛擬維修訓(xùn)練功能。

2.2.5 數(shù)據(jù)庫模塊

整個柴油機虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的后臺支撐平臺是數(shù)據(jù)庫模塊，用來存儲柴油機各零部件的三維模型、拆裝信息數(shù)據(jù)和故障信息數(shù)據(jù)，從而為整個系統(tǒng)的運行提供后臺數(shù)據(jù)支持。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

此文所構(gòu)建的柴油機虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的實現(xiàn)過程如圖1所示。

3.1 面向虛擬維修的柴油機三維模型的建立

面向虛擬維修的柴油機建模是系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。模型的優(yōu)劣將對虛擬維修系統(tǒng)后續(xù)工作的效率產(chǎn)生直接影響，因此，建立一個信息完善和集成化程度高的柴油機模型具有非常重要的意義。在CATIA環(huán)境中，模型是按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的形式進行表達的，這樣裝配件與子裝配件、子裝配件與零部件、零部件與其物理屬性等裝配信息均以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的方式存在，并可以以一定的格式進行輸出。因此在建模及裝配的過程中，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中就需定義好模型信息之間的關(guān)系，這樣可以使模型滿足面向于虛擬維修的需要，并減少重復(fù)工作，提高系統(tǒng)開發(fā)的效率。

3.2 柴油機三維模型的預(yù)處理及3DXML格式輸出

在構(gòu)建柴油機模型時，采用的平臺是CATIA V5，CATIA V5R支持3DXML格式文件的輸出，同時Virtools中有3DXML的導(dǎo)入選項，因此可以實現(xiàn)將CATIA中的模型輸出到Virtools中。在輸出的過程中需要對復(fù)雜的模型做相應(yīng)的簡化以便于在Virtools中的交互處理，具體設(shè)置如圖2所示。由圖2可見，在CATIA V5R16平臺上可以實現(xiàn)3種精度的模型文件輸出：Exact（精確）、Tessellation（表現(xiàn)鑲嵌）、以及Compressed Tessellation（壓縮表面鑲嵌），選擇不同精度的模型輸出在Virtools中模型的多邊形數(shù)不同，產(chǎn)生的文件大小及操作的流暢程度也因此不同。因此可以根據(jù)模型的大小和復(fù)雜程度，選擇相應(yīng)的精度標(biāo)準(zhǔn)的輸出模型。

3.3 柴油機三維模型的導(dǎo)入

將柴油機三維模型從CATIA環(huán)境中導(dǎo)入，是在Virtools平臺上進行虛擬維修交互功能開發(fā)之前的必要工作。由于兩個軟件平臺擁有共同的中間格式3DXML，故只需將CATIA中輸出的3DXML文件導(dǎo)入即可。在Virtools環(huán)境下導(dǎo)入3DXML的模型設(shè)置界面中，能夠?qū)?dǎo)入的柴油機模型進行材質(zhì)、光線、視角等參數(shù)的設(shè)置，通過這些參數(shù)設(shè)置以滿足模型進行交互的需要。

3.4 Virtools環(huán)境下交互操作的實現(xiàn)

在柴油機虛擬維修系統(tǒng)中，模型交互控制的原則為：能夠?qū)崿F(xiàn)實時顯示柴油機各個零部件的名稱；當(dāng)選中某個零部件時，能夠?qū)崿F(xiàn)對零部件的拆卸操作；當(dāng)完成拆卸任務(wù)時，能夠?qū)崿F(xiàn)對部件的裝配任務(wù)；能夠?qū)崿F(xiàn)對柴油機部件的移動、旋轉(zhuǎn)、縮放的操作；所有的交互操作能夠通過鼠標(biāo)和鍵盤事件實現(xiàn)；方便與系統(tǒng)平臺的集成。綜合考慮上述原則，直接調(diào)用行為模塊庫中的內(nèi)置BB（Behavior Blocks）可實現(xiàn)在Virtools中對模型的控制。Virtools提供了可供調(diào)用的500多個BB，每個BB都是提供了行為輸入、行為輸出、參數(shù)輸入，以及參數(shù)輸出4個接口的行為控制函數(shù)，使用者可以利用在資源庫中調(diào)用BB對模型進行相應(yīng)的控制。

3.5 交互控制模型的發(fā)布

首先通過Virtools的發(fā)布功能將交互模型生成VMO文件，然后在客戶端安裝IE的瀏覽控件——Virtools Web Player，就能實現(xiàn)在IE環(huán)境下對虛擬維修模型進行瀏覽及交互操作。

4 結(jié)語

為解決船用柴油機維修訓(xùn)練的方式單一、損耗大的問題，筆者開發(fā)了某型柴油機虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)。文章構(gòu)建了虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的功能模塊，分析研究了系統(tǒng)實現(xiàn)過程中的若干關(guān)鍵技術(shù)。通過此文的研究，船用柴油機維修訓(xùn)練的靈活性和經(jīng)濟性將在很大程度上得到提高。

參考文獻

[1] 劉金林，曾凡明.艦船動力裝置虛擬維修訓(xùn)練軟件的開發(fā)[J].計算機仿真，2009，26（5）：324-327.

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[3] Boeing JSF Concept Demonstrator Completes First Flight[EB/OL].http：//www.Boeing.com/2000-09-18.

[4] E.Aboelela，C.Douligeris.Fuzzy Temporal Reasoning Model for Event Correlation in Network Management[C]//IEEE International Conference on Local Computer Network.1999：150-159.