雷达虚拟维修模型设计方法研究＊

赵生平 张 禹 叶琼龙 钟何平

（1.91458部队 三亚 572021）（2.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）

1 引言

雷达装备的快速更新和发展，使得对其进行高效的维修技术保障越来越难。雷达装备完好，是进行预警探测的前提，对于观通部队战斗力的保持具有重要意义，因此必须加强雷达装备的维修保障能力建设，其中装备维修人员技术水平是关键，对装备的维修保障能力起着决定性的作用［1～3］。本文针对现阶段我观通部队雷达装备维修保障中存在的问题，并结合新型虚拟维修技术的特点，就如何借助虚拟维修技术来提高雷达技术人员的维修水平进行了探讨，并提出了一种雷达装备虚拟维修模型的设计方法，可以有效满足虚拟维修训练需要。

2 当前雷达维修面临的主要困难

目前，观通部队在雷达装备维修保障方面缺陷还比较多，但主要原因就是雷达维修人员的维修能力不强［4］。雷达装备发生故障后，维修人员对雷达故障原因判断不及时、故障器件定位不准确，以致雷达装备不能迅速恢复形成战斗力。现阶段，观通部队雷达维修人员培养主要面临如下困难：

2.1 培养机制不完善

雷达装备维修保障人员主要通过院校进行专业技术培养，理论知识掌握的比较丰富，但由于缺乏实际维修平台，难以完成从认识到实践的飞跃。

2.2 实践机会缺乏

雷达运行时大部分时间都是高压，操作不当将会造成机器故障，危害操作者的人身安全，因此观通部队雷达维修人员平时维修知识的学习大都是停留在理论阶段，动手实践的机会少。对于经常性的雷达故障，维修人员一般能够快速地实现修复，而对于不经常的故障，一般都要请雷达生产厂家派技术人员进行维修，导致雷达维修周期较长，严重影响部队战斗力。

2.3 维修保障能力形成滞后

由于观通部队雷达装备型号众多，技术越来越先进，结构越来越复杂，价格越来越昂贵，同时更新速度加快，给雷达装备维修保障工作带来了相当大的困难。传统的实际装备、实物模型、半实物仿真的训练模式已经不能适应信息化建设的要求。部分新型号雷达装备安装完毕投入使用时，雷达维修保障人员才见到雷达实物，对新安装的雷达结构知识不了解，维修知识缺乏，导致雷达发生故障后，难以快速修复。

3 虚拟维修技术特征及优点

随着科技的进步，出现了虚拟现实技术，它成功将计算机硬件和多种先进传感器进行了结合，形成了三维的人工环境。用户借助必要的交互设备，以自然的方式与虚拟环境中的对象进行交互、相互作用、形成逼真的听觉、触觉一体化的效果，让用户达到身临其境的感觉。这种新型的计算机技术，应用在装备维修过程中，称为虚拟维修，可为观通部队培养高水平雷达维修人员提供新的途径［5］。

目前，最成功的虚拟维修案例当属哈勃望远镜的维修［6］，事后美国国家航空航天局的调查结果表明：虚拟维修训练对实际维修任务的完成是非常有效的。此外，美军研制的“未来战术卡车系统”拟于2010年开始装备部队，而该车的虚拟维修系统在2008年就已经投入使用，有效保证了新装备在配备部队的同时形成维修保障能力。虚拟维修技术相对传统维修方式存在许多优点，主要体现在以下五个方面：

1）维修训练不受时间地点限制。虚拟维修使得新装备在投入使用前，维修人员可以投入到维修训练过程之中，装备投入使用时，立刻可以形成维修保障能力。日常装备维修训练中，维修人员不受时间和地点的限制，可以随时进行维修训练，通过增加维修训练机会，提高维修保障能力。

2）维修培训功能齐全，承训量大。虚拟维修模型中可以嵌入各种装备故障维修过程，维修人员在虚拟环境下通过维修培训，可以加深对各种故障机理和维修过程相关知识的学习。此外，全方位维修仿真训练可有效避免实际维修工作中出现的常见故障会修，少见故障束手无策的现象。装备维修模型一旦建立，可在多个仿真硬件平台上使用，为多个受训者同时提供维修训练培训。

3）虚拟维修可以有效降低训练成本。虚拟维修的成本主要在虚拟维修模型的研发和计算机相关硬件的购置。与传统维修方式不同的是：虚拟维修的成本是一次性投入，今后在不同装备的虚拟维修系统中可以重复使用，以此来显著降低维修训练成本。

4）维修人员和装备安全性好。装备维修训练过程中，维修人员安全和装备安全是维修训练的前提。传统装备维修过程中需要专人来负责维修过程的安全问题，并且在实际维修训练过程中，还不可避免地出现各种安全事故，给维修训练工作带来了极大难处。由于虚拟维修的整个过程都是在虚拟环境下完成的，因此不存在装备损坏和危害维修人员安全的问题。

从以上虚拟维修的特点可以看出：雷达虚拟维修可以有效解决传统雷达维修过程中出现的训练实践机会缺乏、维修保障能力滞后的问题，提升雷达的维修保障能力。

4 雷达装备虚拟维修模型设计

图1 雷达维修模型组成

由于传统雷达维修训练方式存在诸多缺点，而新的虚拟维修技术可以有效克服这些缺点，为雷达维修训练提供便利。建立完善的雷达虚拟维修模型，是采用虚拟维修方式进行 雷 达 维 修 培 训 的 前 提［7～10］。一个完备的雷达虚拟维修模型设计主要考虑以下四个方面：1）建立完善的雷达几何模型；2）雷达装备理论和维修知识的集成；3）雷达维修过程仿真；4）雷达维修系统管理。雷达维修模型的基本组成如图1所示。

4.1 建立完善的雷达几何模型

雷达几何模型的建立是建立虚拟维修模型的基础。常见的几何模型建立方法是采用3DMax等三维建模软件进行建立，几何模型建立的精度直接关系到虚拟维修时的逼真度。在建立几何模型的过程中，需要考虑雷达装备的拓扑层次结构，对几何零部件按照拓扑层次关系进行编组，这些集成的拓扑关系有助于加深虚拟维修人员对雷达装备结构关系的认识，并辅助装备拆卸序列的自动生成。

4.2 雷达装备理论和维修知识集成

雷达维修知识库为受训者提供全方位的知识支持，不仅包括雷达装备虚拟样机的理论知识，还包括维修过程知识和故障信息。这些相关的维修知识不是简单的罗列，而是通过一定的关联形成有机整体。雷达装备理论知识涵盖了雷达几何、功能特征参数、层次关系、装配关系、雷达的功能原理、故障机理等。雷达维修过程知识则为雷达维修过程提供故障检测方法、维修任务、维修方法等，是联系维修过程信息与故障机理的桥梁。

4.3 雷达维修过程仿真

雷达虚拟维修过程仿真的目的是要实现虚拟维修场景中虚拟人的运动、操作动作以及虚拟人与雷达虚拟维修样机之间交互的作用。为此，需要提供必要的交互控制手段，以实现维修受训者实时、交互地参与雷达虚拟维修训练。所以，雷达虚拟维修过程仿真应包括虚拟人虚拟维修动作仿真、人机交互控制和虚拟人穿越控制。整个维修过程通过人机交互控制一系列维修动作来完成。穿越控制则是为了保证虚拟环境下的真实感和用户的沉浸感。

4.4 雷达维修系统管理

雷达维修系统管理作为雷达虚拟维修训练系统的管理者，主要实现对维修人员、维修任务和维修模式等进行管理，此外还可加入对维修技术考核、技术等级评定、训练效果评估等其它管理功能。维修人员管理不仅要求对维修人员的各种个人资料进行记录，更重要的是对其训练进度进行跟踪保存，并结合维修规程、拆卸序列等辅助信息，随时调整维修训练任务，增强维修训练效果。维修任务管理则是在维修人员进行雷达维修训练时能够为其下达维修任务，对雷达虚拟维修样机进行故障设置，并在维修训练过程中及时给与提示和操作正确性判断。维修任务完成后，对任务的完成情况进行检验，评定维修人员的训练成绩。训练模式管理则是为了满足不同层次、技能水平人员的培训需要，提供介绍、引导、练习、考核和自由等多种训练模式，使培训者进入循序渐进、人机交互不断加深的训练过程。此外，雷达维修系统管理还对维修训练过程中产生的各种中间数据进行存储和管理，为维修培训工作提供辅助信息，指导维修培训工作更好地进行。

5 结语

本文提出了一种雷达虚拟维修模型设计方法，为采用虚拟维修方式培养雷达维修人员提供了基础。该维修模型综合考虑了雷达几何模型的逼真度、雷达装备理论与维修知识的集成、维修过程的仿真，并针对不同水平的维修人员提供不同层次训练科目，对训练进度进行跟踪等内容。采用虚拟维修方案训练可以有效克服传统雷达维修培训中的实践机会缺乏、维修保障能力形成滞后等难点，并有效降低维修训练成本，保障维修训练人员安全等优点，为观通部队培养高水平雷达维修人员提供新的途径。

［1］钟春华，许炎义，刘峰.基于半实物仿真的舰员级雷达维修训练系统设计［J］.舰船电子工程，31（11）：125－127.

［2］陈明，钱建刚.雷达维修保障人员编组分配优化［J］.空军雷达学院学报，2009，23（1）：26－27.

［3］陈帝江，张红旗，陈兴玉.地面雷达结构高效率虚拟维修技术研究［J］.雷达科学与技术，2010，8（6）：577－582.

［4］吴东岳，宋宁哲，刘根，等.雷达装备维修保障力量评估建模研究［J］.空军雷达学院学报，2010，24（1）：37－39.

［5］刘检华，宁汝新，姚珺，等.基于装配任务的虚拟装配工艺模型研究［J］.系统仿真学报，2005，17（9）：2163－2170.

［6］Loftin R B，Kenney P.Training the Hubble Space Telescope Flight Team［J］.Computer Graphics and Applications（S0272－1716），IEEE，1995，15（5）：31－37.

［7］张秀山，钟何平，曹水，等.层次约束关系不变的虚拟拆装模型及其 VRML实现［J］.系统仿真学报，21（5）：1367－1371.

［8］刘振宇，谭建荣，张树有.面向虚拟装配的产品层次信息表达研究［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2001，13（3）：223－228.

［9］张廷凯，汪传生.产品的分层结构模型及其拆卸方法的研究［J］.机械工程师，2005（2）：78－80.

［10］姚丽英，高建刚，段广洪，等.基于分层结构的拆卸序列规划研究［J］.中国机械工程，2003，14（17）：1516－1519.

［11］杜霄鹏，李星新，李想.虚拟维修训练通用平台与EON接口实现［J］.计算机与数字工程，2011，39（7）.