虚拟维修技术在水声装备维修中的应用分析

太禄东 周敏

摘  要：虚拟维修技术是以现代计算机操作平台为基础，结合虚拟现实技术以达到模拟实际维修的一种新兴维修技术，通过虚拟维修技术实现产品维修性设计分析、维修过程的规划和验证、维修操作训练与维修支持。本文从虚拟维修系统的特点、结构组成出发，讨论了基于虚拟现实技术和维修性评价理论，对水声装备收放存储装置、液压动力系统部件进行三维建模，构建虚拟系统的可行性。

关键词：虚拟维修;仿真建模;部件拆装;维修性分析

引言

维修是舰艇装备使用中保持装备战术技术性能重要工作，舰员的装备维修能力直接关系到装备的可用性和舰艇战斗力的生成。水声装备是担负反潜作战任务水面舰艇必不可少的预警探测类电子装备，近年来该类新装备的大量入役，对舰员维修保障能力提出了新的要求。主要体现在水下湿端和收放存储装置液压控制系统及动力设备的维修，由于结构复杂，不能直接观察，维修训练困难，故障排除缺少可视化操作指导，难度较大。而近年广泛运用于航空装备维修领域的虚拟维修技术是解决该难点问题，提高舰员水声装备维修保障能力的有效手段。

1.发展现状

虚拟维修技术是基于VR虚拟现实技术，通过计算机仿真技术构建虚拟场景，利用建模软件生成装设备数字样机，再借助交互设备驱动维修场景中的人体手臂或维修人员3D模型完成维修过程的仿真、实现虚拟人机互动的综合性应用技术。虚拟维修技术最大的优点是借助计算机高速运算能力和图像处理能力构建虚拟场景和设备，可在其中开展装备的结构拆卸、装配，零部件更换等可视化作业，突破了传统维修性设计在空间和时间上的局限，解决了传统设计手段上的不足。虚拟维修技术通过可视化的虚拟仿真与测试工作不仅能寻找装设备在设计时存在的问题缺陷还可以为装设备使用过程中的预防性维修提供依据，可大幅节省装设备的全寿命周期使用和维修经费。

随着开发成本的逐步降低，除维修阶段，虚拟维修技术也越来越多地运用于装备维修人员培训，实践证明显，该技术可显著提高维护人员的培训效率，降低实际维修过程中的操作失误，缩减维修成本。最具代表性的案例有：哈勃太空望远镜的虚拟维修训练、洛克希德马丁公司F-16战斗机的维修性设计分析等项目。目前国内外民用航空领域已广泛采用虚拟维修技术替代金属样机运用于大型飞机的维修性设计、评估优化、维修训练及维修保障全过程。随着VR技术的普及运用，虚拟维修技术逐渐从航空航天领域向船舶、车辆、大型军事装备等其它领域扩展。

2.系统组成结构

水声装备虚拟维修系统整体采用C/S架构即客户端—服务器结构。服务器选用数据运算能力强的高性能图形工作站。客户端部分主要包括虚拟交互设备、建模管理模块、维修仿真模块和显示控制模块等四部分，分别由硬件设备和软件模块两部分构成，如图1所示。

（1）虚拟交互设备

虚拟交互设备主要由输出设备和输入设备两部分组成，输出设备主要包括具有深度沉浸感的3D眼镜或VR数据头盔、图像处理计算机。虚拟交互单元中的图象处理计算机用于接收传感器捕捉到的三維人体姿态数据，并结合虚拟维修场景数据，进行三维视景的图形图像渲染。输入端可采用VR手柄或数据手套、全身穿戴式输入设备等，用以实时捕捉人体手臂等肢体及方位的变化，转化为人体姿态数据。

（2）维修建模模块

维修建模模块主要由建模计算机和软件组成。其作用是接收来运用3DMax或其它软件生成的三维数字模型和设备结构数据，通过建模管理软件模型转换处理，生成模型库数据;通过选择模型和定义约束，生成维修场景库数据;通过选择场景和预设维修过程，生成维修任务库数据，以上数据均存储到服务器。

（3）维修仿真模块

维修仿真模块主要由维修仿真计算机和软件组成，其作用是对虚拟维修过程中的空间变换、操作动作进行分析，调用数据和资源执行维修响应，完成维修时间、维修空间及维修过程的记录以及阻滞现象分析等。

（4）显示控制模块

显示控制模块由图像处理计算机及相应软件组成，作用是进行维修任务控制，包括任务的开始、结束、暂停以及相关人员虚拟场景中的行为控制，并提供虚拟维修场景的实时渲染图像显示和图形视角的变换。通过大屏显示器或投影仪输出全景虚拟维修场景。

3.关键技术与实现方法

3.1虚拟维修模型构建

实现水声装备的虚拟维修，首先要利用三维建模软件构建一个逼真的、高度沉浸的虚拟工作场景，并根据装备的尺寸和内部结构建立三维实物模型。虚拟维修场景和装设备模型构建可采用建模软件+虚拟现实引擎的方式开发。常用的建模软件有3DS Max、Maya、Multigen-Creator、Auto CAD等，常用的虚拟现实引擎有Virtools、Quest3D、Unity3D等。

3DS Max可用于三维建模、渲染和创作三维动画，在工业设计仿真、多媒体动画教学等领域应用广泛。它的优点是操作的自由度高，具有多边形建模功能，缺点是细节渲染不够细腻、控制的流畅度不足。但对尺寸相对较大的水声装备虚拟维修而言，其重点在于动作交互场景逼真，以及操作人员对维修流程的掌握，而对交互的精细程度及维修的响应速度要求不高。与3DS Max配套的Unity3D引擎对其输出文件的支持性较好，转换不易失真和出现乱码。因此对水声装备收放存储装置、液压动力系统等维修模型结构件较大的场景较为适用。

Virtools是另一型应用广泛的虚拟现实引擎，利用其开发虚拟系统，操作简单、人机交互实现容易。水声装备虚拟维修系统主要对存储装备和液压动力系统进行建模仿真，使用Pro/E构建装备的三维模型和虚拟工作场景模型，可保证零件模型结构和位置的准确性，但液压元件较多时运行速度降低。模型创建完毕后导入Virtools中，利用的Virtools的BB模块和VSL编程，实现交互功能，如液压油泵、溢流阀、油管、垫片等液压元件的虚拟拆卸、更换、虚拟操作员手臂动作的仿真等。

以上两种虚拟环境和三维模型开发软件组合各有优劣，根据水声装备主要针对机械结构和液压动力装置进行换件维修的特点，选择Pro/E+Virtools的开发组合更具优势。

4.2虚拟维修过程仿真

在虚拟现实引擎中根据实际工作环境的尺寸比例和空间布局关系将构建的虚拟维修装备、维修工具及虚拟维修操作人员等模型整合在虚拟工作环境中，构建虚拟维修场景。在虚拟维修场景中，操作人员按照相对固化的维修作业流程进行虚拟维修操作，形成的虚拟仿真数据用于后续维修性分析和验证。

4.3虚拟维修分析验证

虚拟维修系统可为水声装备维修人员提供收放存储装置、液压动力系统等结构件的维修性及维修工艺过程支撑环境，利用虚拟维修技术可构建无实物的虚拟环境，并可通过3D眼镜、VR数据头盔和VR手柄、数据手套等虚拟交互设备与虚拟环境中的维修对象进行交互，实现对水声装设备维修工艺过程的模拟，并对维修的可视性、可操作性及维修性等指标进行分析。根据维修分析的结果对虚拟维修模型、维修交互方式、维修操作过程、维修工艺流程等程序进行修改完善，直到实现设计目标。完整的虚拟维修分析流程如图2所示。

4.系统功能与应用

虚拟维修系统可完成装备维修性分析、故障快速诊断、故障维修指导、沉浸式维修技能训练、维修数据管理、维修信息查询以及维修理论学习和考核评价等功能。该系统可根据输入的故障现象，自动检索分析，快速对故障进行定位，并通过三维场景直观对故障部位和现象进行展现，为维修人员排除故障提供直觀、便捷的操作方法图像、图形和文字指导，并可提供维修所需电路图纸、备件信息等电子资料的快速查询。维修人员可在系统构建的沉浸式三维场景中，操作虚拟工具和设备进行维修训练，通过维修体验形成技能和操作经验。

5 结语

传统维修技术主要通过现场诊断，借助设计图纸和技术资料来对故障进行分析，再通过实装或样机进行维修验证，对于舰艇水声装备先验性维修指导获取难，维修训练开展和维修经验积累难。

基于虚拟现实技术和维修性评价理论，首先对水声装备维修过程构建包含维修环境、维修工具和维修对象三者的三维实物模型，然后进行虚拟维修过程进行仿真。具体对收放存储装置、液压动力系统维修过程中的可视性、可达性、可操作性等指标进行分析评价，并根据评价结果对三位场景和模型进行修改，对维修过程进行优化，以达到最佳的维修工艺过程虚拟仿真。实践证明，虚拟维修技术是舰员在海上远离基地保障条件下获得现场维修指导和开展维修训练，积累维修经验，提高战时水声装备维修保障能力的有效途径。

参考文献：

[1]黄智勇，孟亚婷，赵国珍.VR虚拟仿真在汽车检测维修教学中的应用分析.时代汽车[J].2022.2：80-81.

[2]贾丽，杜浩，李梓等.基于虚拟现实技术的装备维修训练系统设计.科技咨询[J].2019.8：11-13.

[3]焦玉民，张琦，屈宏伟.虚拟维修技术研究与展望.中国工程机械学报[J].2011.9（3）：359-365.

[4]王上军，时和平，窦云杰.某装备虚拟维修训练系统设计与实现[J].兵工自动化.2009，28（9）：11-14.

[5]何嘉武，赖煜坤.武器装备虚拟维修训练系统设计与实现.2010.28（24）：71-74

作者简介：

太禄东，男，副教授.Email：lvye0451@163.com 研究方向：声纳探测。