某型柴油机虚拟维修系统研究

李博南+陈虎

摘 要：针对舰艇柴油机实装维修训练存在的诸多局限，提出对柴油机采用虚拟维修训练的方法，探讨了虚拟维修系统开发的结构框架，研究了虚拟维修系统实现过程中的若干关键技术，从而为其他装备的现代化维修训练手段提供了一定的参考。

关键词：柴油机 虚拟现实 虚拟维修 人机交互

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）08（b）-0066-02

柴油机是提供舰艇动力的核心装置，其稳定性和可靠性对于舰艇机动性能的发挥具有重要影响。由于受到维修费用和维修条件限制，目前维修人员很难结合实际装备进行有针对性的反复训练[1]。而采用虚拟维修装备是解决这一问题的有效途径。

虚拟维修是以计算机技术与虚拟现实技术为依托，在由计算机生成的、包含了产品数字样机与维修人员3D（三维）人体模型的虚拟场景中，通过驱动人体模型（包含采用人在回路的方式）来完成整个维修过程仿真的综合性应用技术[2]。作为一种对维修操作过程仿真的新式维修技术，在提高装备维修的针对性、快速性以及降低维修训练费用方面起了明显的效果。文章在虚拟维修相关技术的基础上，提出某型柴油机虚拟维修训练系统设计方案，并研究了系统实现过程中的关键技术。

1 虚拟维修国内外发展现状

1.1 国外研究现状

20世纪90年代初期，虚拟现实技术应用于维修性分析与维修训练已被美国工程院列为工程领域的前沿研究。

美国宇航员在美国国家航空航天局（NASA）为其建立的虚拟太空环境中进行了多种模拟维修训练，训练结果对哈勃望远镜的进行太空维修提供了重要参考，是虚拟维修训练领域的典范[3]。

为提供适合于队员训练的虚拟环境，RTI开发了针对坦克、军用车辆以及反坦克导弹系统的虚拟维修训练系统。利用虚拟现实技术，在该训练系统中可进行故障检测和故障排除工作。该系统与其他虚拟维修系统的差别在于，受训者不是处于所创造的虚拟环境中，而是通过窗口观察虚拟世界[4]。

1.2 国内研究现状

我国虚拟维修仿真技术的研究同发达国家相比，还有一定的差距，目前处于探索开发阶段。

军械工程学院进行了虚拟现实技术在设备维修训练、维修性设计分析领域的应用研究。经过近10年的努力，解决了虚拟维修技术领域的若干问题，开发了基于虚拟样机技术的某型导弹装备沉浸式虚拟维修训练系统和交互式桌面型虚拟维修训练平台，这些维修系统和训练平台都起到了良好的使用效果。杨军等人，分析研究了某型炮射导弹虚拟维修训练系统的总体构成和过程仿真模型以及基于HLA分布式装备虚拟维修训练联邦成员结构和设计，并提出了基于神经网络的智能故障诊断专家系统的基本结构、推理机制以及系统构建的具体实现过程。

2 柴油机虚拟维修系统设计

2.1 系统设计原则

柴油机虚拟维修系统应当具有沉浸性、交互性和自主性等虚拟现实技术的基本特征，同时该系统还应对舰员在虚拟维修系统中的主动地位进行充分突出，可以让受训舰员主观能动性得到充分发挥，从而能改善在传统训练中舰员只能被动接受知识的状况。鉴于此，需要从以下几方面对系统设计进行考虑。

（1）浏览或交互虚拟场景中的维修对象及其零部件。系统需要提供对维修对象及其零部件进行实时浏览或交互的功能，以及对虚拟场景中的维修对象进行类似实时的拖动、缩放以及旋转的交互操作，从而可以让用户对维修对象零部件结构形成直观的了解。

（2）便于拆装操作。为了对柴油机进行虚拟维修，系统应具备实现对故障源部件的虚拟拆装功能，并且还要对柴油机的拆装过程进行分析，从而得到故障源部件最易的拆装序列以提高维修效果。

（3）浏览图片及进行动画演示。为了能充分调动舰员的思维、运动以及感觉等各通道，故需要提供图片、动画等多种信息的展示方式。

（4）实现故障诊断。此系统开发不仅是为了实现对舰员进行维修技能方面的培训，同时还要将以往的装备维修经验进行整合，从而辅助维修诊断。

2.2 系统功能模块划分

文章研究的某型柴油机虚拟维修系统主要应用于舰船机电人员的舰员级维修保障培训环节，使舰员能通过该系统达到掌握柴油机的日常保养和在远航时应急维修相关知识。为达到上述要求，建立某型柴油机虚拟维修系统应主要包括以下几个功能模块。

2.2.1 用户管理模块

登陆用户分为两类：一是管理员用户；二是普通用户。管理员用户负责系统所有功能的管理和维护，如用户的管理和权限的设置等；普通用户只能利用现有的数据库进行虚拟维修操作。

2.2.2 基本结构模块

该模块包括冷却系统、燃油供给系统、速度调节机构、润滑系统、主要固定件系统、换气系统、启动停车系统、主要运动件系统及配气机构。基本结构模块以图片、视频以及动画的方式介绍柴油机的基本结构及性能参数。

2.2.3 日常保养模块

该模块的设计需要参照船员级维修保障大纲中的日常保养项目，以文字、视频、动画等方式介绍其保养规程，并需要视情况提供技术指导。

2.2.4 远航应急维修模块

该模块的设计需要通过调研的方式搜集该柴油机在远航过程中常见故障及其维修方法，提供用户虚拟维修训练功能。

2.2.5 数据库模块

整个柴油机虚拟维修训练系统的后台支撑平台是数据库模块，用来存储柴油机各零部件的三维模型、拆装信息数据和故障信息数据，从而为整个系统的运行提供后台数据支持。

3 系统实现的关键技术

此文所构建的柴油机虚拟维修训练系统的实现过程如图1所示。

3.1 面向虚拟维修的柴油机三维模型的建立

面向虚拟维修的柴油机建模是系统的重要环节。模型的优劣将对虚拟维修系统后续工作的效率产生直接影响，因此，建立一个信息完善和集成化程度高的柴油机模型具有非常重要的意义。在CATIA环境中，模型是按照产品结构树的形式进行表达的，这样装配件与子装配件、子装配件与零部件、零部件与其物理属性等装配信息均以产品结构树的方式存在，并可以以一定的格式进行输出。因此在建模及装配的过程中，在产品结构树中就需定义好模型信息之间的关系，这样可以使模型满足面向于虚拟维修的需要，并减少重复工作，提高系统开发的效率。

3.2 柴油机三维模型的预处理及3DXML格式输出

在构建柴油机模型时，采用的平台是CATIA V5，CATIA V5R支持3DXML格式文件的输出，同时Virtools中有3DXML的导入选项，因此可以实现将CATIA中的模型输出到Virtools中。在输出的过程中需要对复杂的模型做相应的简化以便于在Virtools中的交互处理，具体设置如图2所示。由图2可见，在CATIA V5R16平台上可以实现3种精度的模型文件输出：Exact（精确）、Tessellation（表现镶嵌）、以及Compressed Tessellation（压缩表面镶嵌），选择不同精度的模型输出在Virtools中模型的多边形数不同，产生的文件大小及操作的流畅程度也因此不同。因此可以根据模型的大小和复杂程度，选择相应的精度标准的输出模型。

3.3 柴油机三维模型的导入

将柴油机三维模型从CATIA环境中导入，是在Virtools平台上进行虚拟维修交互功能开发之前的必要工作。由于两个软件平台拥有共同的中间格式3DXML，故只需将CATIA中输出的3DXML文件导入即可。在Virtools环境下导入3DXML的模型设置界面中，能够对导入的柴油机模型进行材质、光线、视角等参数的设置，通过这些参数设置以满足模型进行交互的需要。

3.4 Virtools环境下交互操作的实现

在柴油机虚拟维修系统中，模型交互控制的原则为：能够实现实时显示柴油机各个零部件的名称；当选中某个零部件时，能够实现对零部件的拆卸操作；当完成拆卸任务时，能够实现对部件的装配任务；能够实现对柴油机部件的移动、旋转、缩放的操作；所有的交互操作能够通过鼠标和键盘事件实现；方便与系统平台的集成。综合考虑上述原则，直接调用行为模块库中的内置BB（Behavior Blocks）可实现在Virtools中对模型的控制。Virtools提供了可供调用的500多个BB，每个BB都是提供了行为输入、行为输出、参数输入，以及参数输出4个接口的行为控制函数，使用者可以利用在资源库中调用BB对模型进行相应的控制。

3.5 交互控制模型的发布

首先通过Virtools的发布功能将交互模型生成VMO文件，然后在客户端安装IE的浏览控件——Virtools Web Player，就能实现在IE环境下对虚拟维修模型进行浏览及交互操作。

4 结语

为解决船用柴油机维修训练的方式单一、损耗大的问题，笔者开发了某型柴油机虚拟维修训练系统。文章构建了虚拟维修训练系统的功能模块，分析研究了系统实现过程中的若干关键技术。通过此文的研究，船用柴油机维修训练的灵活性和经济性将在很大程度上得到提高。

参考文献

[1] 刘金林，曾凡明.舰船动力装置虚拟维修训练软件的开发[J].计算机仿真，2009，26（5）：324-327.

[2] 马麟.虚拟维修过程模型的研究[D].北京：北京航空航天大学，2003.

[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.