虚拟维修在维修教学中的应用

郭磊 单向前

【摘要】阐述了虚拟维修的定义，分析了虚拟样机、维修过程规划、维修性验证对维修教学的启发和促进作用；以及将虚拟维修技术应用于机械设备维修教学的重要意义和可解决的现实困难，它可以有效解决教学中场地、数量和型号的限制以及安全性、可扩展性等问题。

【关键词】虚拟维修；虚拟样机；教学；训练

随着科学技术的发展，大型机械设备朝着模块化，小型化发展，结构布局极其紧凑，部件或分系统有的被深埋在最底层，或安置在其它机构的背后，给维修带来诸多不便，同时也给设备维修教学带来很大困难。现在的教学多是运用多媒体课件动画演示和实物教学的手段，存在可视化水平低，受地点、时机等条件的限制，同时还具有一定的危险性。在设备操作训练过程中，从目前采用的主要技术手段来看，主要是在维修资料和维修动画录像的支持下利用实装或者模拟器进行展开，这又受到实装器材配置的数量场地和时间的限制，影响训练效果。

虚拟维修技术是利用计算机建模、仿真和虚拟现实技术为产品建立起一个逼真的、具有视听触等多种感知的虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流。将虚拟维修技术运用于设备教学，可以很大程度上缓解费效矛盾，降低训练费用，保障安全，而且不受场地和时间等环境条件限制，从而改进训练效果、提高训练质量。

1、什么是虚拟维修

虚拟维修（Virtual Maintenance，VM）最早由美国在20世纪90年代提出。1997年美国军用手册MIL—HDBK—470A中指出：使用VR技术，维修性工程师可进入到虚拟环境中，对虚拟产品进行维修。这样，部件的可达性、部件分配空间的合理性以及完成特定维修任务所需的大概时间等信息均可以借助VR技术来进行评估。

一般来说，虚拟维修是实际维修过程在计算机上的本质实现，即依托计算机建模、仿真和虚拟现实等技术，首先由计算机系统构造虚拟维修场景、设备和虚拟人模型，通过交互设备实现真实维修过程的再现，可用于设备维修性的分析、验证，维修过程的规划，维修操作训练等领域。虚拟维修的一大特点是人（利用外设）参与到虚拟环境中，解决的是加入维修人员后涉及的可达、可视、操作空间、人素等维修性定性问题和维修时间等维修性定量问题以及维修过程规划等分析。尤其对维修性定性分析问题的反馈更为直观和清晰。

2、在维修教学中的运用

2.1发挥虚拟样机的优势，实现设备3D模式下的可视化展示

王松山博士对于维修领域的虚拟维修样机的定义如下：【虚拟维修样机】是一个产品实物的计算机仿真，它能够替代“真实产品”用于分析和测试产品与维修有关的各个方面，如维修性设计、分析、评估，维修检查与验证，维修训练等等。虚拟维修样机一定程度上具有与物理样机相似的几何与功能真实度，具有支持维修活动过程的空间、时间、自由度约束的运动特性和物理特性，包含了特定的维修作业信息。结合虚拟现实系统，可以实现维修有关活动或过程的模拟即虚拟维修仿真，进行维修训练、维修性分析与评估等。

现代教学充分利用2D模型或动画进行设备的可视化展示。利用虚拟样机，可以实现3D模式下实时观察设备零部件的结构特点和连接关系，精确化的虚拟样机可以实现外力作用下的运动关系，一目了然的形象化展示必然极大的促进学员对设备构造的理解，这对于培养学生的学习兴趣、增强实装实训前的技能强化都是很有帮助的。

2.2利用维修过程的规划，启发学员思考，实现自助式学习。

虚拟维修要求维修人员沉浸于计算机虚拟环境中，模拟维修操作的整个过程。在整个过程中，学员可以尝试按照自己的思路去分解和装配部件，受虚拟样机零部件自由度约束的控制，可以独立找出可行的分解和装配路徑，从而实现对维修过程的规划。在教学过程中，教的重点就转变为学员自主的对设备的研究，教学的直观性、启发性更强。

2.3开展维修训练

虚拟维修训练是虚拟维修的高层次应用。一个完整的虚拟维修训练系统，不仅有学习、训练，还有监控和评价等。对施训者、受训者、训练内容、训练信息之间的交互作用进行虚拟仿真实现。替代或部分替代实装以及实际维修训练环境，达到形成、保持或提高受训人员维修知识和技能水平的目的。人多设备少是机械设备教学中的一个矛盾，这直接影响维修训练尤其是实装训练的效果。利用虚拟维修训练，不受场地时间的限制，训练科目可以按照学员特点自主控制，这种菜单式的学习增强了学员学习的针对性。

2.4对产品设计的反馈以及新技术、维修工具设备的验证

机械设备维修性的不断提高都是一个发现问题——解决问题的过程，利用虚拟维修技术，可以评价产品维修过程中的可达性、可视化水平、以及人的适应性等等因素，这些评价结果都是定性的，将直接对设备维修性的改进提出意见。同时，使用新技术，研制新的维修工具设备等等，其可行性如何，都可以在虚拟维修环境中得到验证。

3.虚拟维修在教学中的优势

3.1安全系数高。虚拟仿真环境中不适当的操作不会造成人员伤亡和设备损坏。

3.2扩展性强，重复利用率高。能大幅度降低教学费用，针对机械设备的升级改造只需更改虚拟样机模型，具有很强的可重用性。

3.3针对复杂设备，可弥补数量上的不足，提前形成维修能力。

3.4仿真中可以加入评估模块，实现对教学效果的实时评估。

参考文献：

[1]马晓军 等 虚拟现实技术在工程装备教学训练中的应用[J]《微计算机信息》2010年 第4期

[2]何嘉武 等 武器装备虚拟维修训练系统设计与实现[J]科技导报2010，28（24）

[3]杨琼 航空维修中虚拟维修训练系统展望[J]价值工程2012年第23期

[4]谭继帅 郝建平 王松山 装备虚拟维修训练研究与发展综述[J]兵工自动化2007（05）

[5]王松山 郝建平 虚拟维修样机系统及建模技术[J]《系统仿真学报》2005年05期