虚拟仿真技术在新型武器装备维修训练中的应用研究
周建新, 张 飞, 王先平, 杨小红
(中国人民解放军69220部队,新疆 库车 842000)
摘 要 ：随着科技发展,实装维修训练已不适应新型武器装备特点,必须采用新技术、新方法开展装备维修训练。针对这一新要求,论述了虚拟仿真技术在装备维修上的应用,并重点对虚拟仿真维修训练系统的定义、特点及其关键技术进行了研究探讨。
关键词 ： 虚拟仿真技术; 维修训练; 交互技术
新型武器装备技术含量高,结构复杂,价格昂贵。传统的实装实修训练可用装备少,训练成本高,效率低,对装备性能也有损伤,已不适应新型武器装备特点。采用虚拟仿真技术进行装备维修训练,可构建近似“实装、实地、实修、实战”的虚拟仿真环境,具有一次性投入、可重用性好、功能强大灵活、占用资源少等优点,已越来越被广泛应用。
1 虚拟仿真技术概述
仿真(Simulation,也翻译成模拟)是指用数字处理系统表达某个物理系统或抽象系统中选取的行为特征[1]。即用模型(物理模型或数学模型)来模仿实际系统,代替实际系统进行实验和研究,是产品设计和制造中的常用技术手段。
三维虚拟仿真是指通过三维建模技术建立现实世界的三维场景,在一定软件环境的影响下,驱动整个三维场景,响应使用者的行为,并根据使用者的不同行为做出相应的反应,最后通过三维环境显示出来。其中动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、系统集成技术等,属于三维虚拟的关键技术。
这时，肉仔停住了切肉刀，鼓着两只牛卵子大的眼睛直直盯住牛皮糖，不只是有点生气，而且对于这个体积比他小一倍的人居然敢向他挑战，大感意外。
2 虚拟维修训练系统
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三维人体模型的虚拟场景中,为达到一定的目的,通过驱动人体模型或者采用人在回路的方式来完成整个维修过程仿真、生成虚拟的人机互动过程的综合性应用技术[2]。
此外,人机交互过程控制需要建立交互信息来实现,辅助执行每一个可能的交互。例如明确交互的零件、特殊的控制、合适的操作点定位等信息,是实现人机交互的关键。
图1 虚拟维修训练系统
Fig.1 Virtual maintenance training system
仿真对象是错综复杂的,可以由多个系统和分系统组成,除建立描述系统内部特性和行为的数学模型外,还要建立描述系统之间的相互关系的模型,因此需要更高层次统一建模语言和方法,如面向对象建模、面向组件建模、多智能体(Multiagent)建模、元建模、面向服务建模等。模型应具有互操作性、可重用性、可组合性。
3 主要关键技术
3.1 建模技术
安装压浆器→调试压浆设备→安装压浆管道→配置浆液→调试压力（压力从大到小递减）→调试浆量（浆量从大到小递减）→输送浆液→结束压浆→封闭孔口（一般用球阀封闭）→清洗设备及管道→拆除管道。
和实装训练相比,虚拟维修训练系统具有如下特点[3]:① 不受装备数量、场地、天候限制;② 可实施个性化、重复性训练;③ 可形成规模化训练,可供多人同时进行训练;④ 可在系统级、设备级、部件级、板卡级、元件级等不同层次进行装备检测和维修训练;⑤ 可对训练结果进行实时评估,使受训者及时了解自己的维修技能水平;⑥ 不存在实物的磨损毁坏问题。
不同高校在校园建筑设施上存在着较大的不同之处，因此，校园环境导视系统的建设十分重要。在高校校园环境导视系统设计中，必须以高校校园的教育需求为依据，将学校的各个功能区域包含其中。简单而言，就是将学校的学术性、精神文化等凸显出来。就目前校园导视系统的设计，主要包括：室外标识、室内导视系统、服务系统几部分。随着校园建设的加速，交通标识系统也是其中重要的一项，能够促使学生明确地识别人、车的行驶路线。[2]楼体导视标识，可以帮助学生更快地识别各个建筑物的名称，确保能够在较短的时间内找到自己要到达的地方。
虚拟维修仿真对象建模必须经过几何建模、物理建模、行为建模和模型验证四个步骤。其中可由AutoCAD、SolidWorks、Pro/E、UGNX、CATIA等三维建模软件或3ds Max、Maya、Creator等三维视景建模软件进行几何建模;以及采用基于事件驱动或基于Agent方法进行行为建模。
③工具行为:描述一个工具靠近操作位置及实施装配时的动作。
3.2 交互技术
交互是用户和虚拟环境进行交流的途径,用户对虚拟场景中物体的选择、操作和对仿真进程的控制都必须通过人机交互来实现。用户能够自然地与虚拟维修环境中的操作对象进行交互,通过多种感知渠道直接感受不同零部件运动的信息反馈,并利用人的智能与系统的计算能力进行信息融合,产生综合控制效果。人机交互需要调用的基本信息有以下三类。
①对象属性:包括对象的结构信息和约束特征等基本信息。交互过程中,系统通过对象属性检测工具与目标是否匹配。
人与虚拟环境交互的硬件接口装置,涉及图形图像硬件设备,用于产生沉浸感;以及跟踪装置,用于跟踪用户头部的位置和方向及从手的位置跟踪到全身各肢体的位置,跟踪装置把这些信息送入应用软件,以确定眼睛的位置及视线方向,如头盔式显示器(HMD)、VR眼镜、空间沉浸式显示器(SD)。其中触觉和力反馈系统提供触觉刺激,如三维动作跟踪器可提供32个关节传感器、具有力反馈的数据手套等。
三维模型是整个虚拟维修训练系统的基础。建模是对装备实体(飞机、导弹、舰艇、车辆、火炮、雷达等)、自然环境(地形、大气、海洋、空间)、人的行为(个体、群体、组织)的抽象描述。各个应用领域大多采用机理建模方法来描述客观事物的特性和行为,包括连续系统建模(线性/非线性、定常/时变、集中参数/分布参数、确定/随机)、离散事件系统建模(面向事件、面向进程、面向活动)或混合系统建模。当仿真对象的机理不清楚时可采用系统辨识方法和基于数据的建模技术建模。
◎青霉素 使用要注意是否过敏。其实引起过敏的不是青霉素，而是对生产过程中的杂质产生的过敏，一般价钱贵的杂质少些，不能清楚是否过敏的建议还是用头孢。常见的有阿莫西林、阿莫西林克拉维酸钾分散片，阿莫西林舒巴坦酯片，克拉维酸和舒巴坦能对付细菌的耐药性。
虚拟维修训练系统(Virtual Maintenance Training System),是指利用虚拟现实技术创建装备维修训练的虚拟环境,使受训人员能够沉浸到计算机生成的环境中,并通过对虚拟样机进行装配和拆卸作业,真实地了解和掌握新型武器装备的维修技术和技能,从而达到在实装上进行维修训练的效果。一个完整的虚拟维修训练系统如图1所示。
②零部件行为:描述一个零部件被激活后,到达预定状态的动作过程。
3.3 干涉与碰撞处理技术
虚拟维修系统中维修人员接触到虚拟样机中的零部件并进行拾取、装配及拆卸等维修操作时,应能真实地感觉到碰撞的存在并实时做出相应的反应,因而高效准确的碰撞检测算法对提高系统的真实性、增强系统的沉浸感有至关重要的作用。
虚拟维修中的碰撞问题包括碰撞检测和碰撞响应两部分。碰撞检测的目的是发现碰撞并报告碰撞体、碰撞位置、碰撞时间等信息;碰撞响应是根据不同应用目的,在碰撞发生后促使碰撞体和相关对象发生状态的改变,做出正确的反应,模拟真实的操作过程。
目前碰撞检测算法可分为两类:空间分解法和层次包围盒方法。空间分解法将整个虚拟空间划分成相等体积的小单元格,只对占据了同一单元格或相邻单元格的几何对象进行相交测试[4],例如k-d树(k-dimensional tree)、八叉树、BSP树(Binary Space Partition)、四面体网等。层次包围盒方法是用体积稍大且特性简单的几何体(包围盒)来代替几何对象,通过构造树状层次结构逐渐逼近对象的特性[5]。目前主要研究的包围盒有包围球(Spheres)、沿坐标轴的包围盒(Axis-Aligned Bounding Boxes,AABB)、固定方向包围盒(Fixed Direction Convex Hull,FDH)、k-DOP包围盒和沿任意方向的包围盒(Oriented Bounding Box,OBB)等。
目前,采用虚拟仿真维修技术进行装备维修训练还处于初级阶段,在很多方面还不够完善,但随着科技强军和军民融合的不断深入,虚拟仿真维修训练将是装备保障训练发展的必然趋势。
总之，采用“产-教-学”深度融合的教学模式，充分调动起企业、教师、学生参与积极性，让学生在校期间即可实现“学生-准职业人-职业人”的身份转变，解决学生就业与企业的衔接问题，实现多方共赢的人才培养模式与校企合作培养模式。
参考文献:
[1] 电子工业部.数据处理-词汇[M].北京:中国标准出版社,1985.
Ministry of Electronic Industry.Data processing-vocabulary[M].Beijing:China Standards Publishing House,1985.
[2] 马麟,吕川.虚拟维修技术的探讨[J].计算机辅助设计与图形学学报,2005,17(12):2729-2733.
MA Lin,LV Chuan.Study on virtual maintenance technology[J].Journal of Computer-Aided Design & Computer Graphics,2005,17(12):2729-2733.
[3] 汤景棉,黄子俊.虚拟现实技术在雷达情报自动化系统装备维修中的应用[J].空军军事学术,2009(5):75-76.
TANG Jingmian,HUANG Zijun.Application of virtual simulation technology in equipment maintenance of radar intelligence automated system[J].Air Force Military Art,2009(5):75-76.
[4] 刘涛,王增波.碰撞检测过程中的包围盒技术及应用研究[J].西安科技大学学报,2006,9(3):398.
LIU Tao,WANG Zengbo.Bounding box technology and its application during collision detection process[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology.2006,9(3):398.
[5] FA M,FERNANDO T,DEW P M.Direct 3D manipulation techniques for interactive constraint based solid modeling[J].Computer Graphics Forum,1993,12(3):237-248.
Research on Application of Virtual Simulation Technology in Maintenance Training of New -type Weapon Equipment
ZHOU Jianxin ,ZHANG Fei ,WANG Xianping ,YANG Xiaohong
(69220 Unit of PLA,Kuqa 842000, China)
Abstract ： With the development to technology,the maintenance training on a real equipment is not adapt to characteristics of new-type weapon equipment,the equipment maintenance training must be carried out by adopting some new technologies and methods.This paper discusses the application of virtual simulation technology in equipment maintenance,and the definition,characteristics and key technologies of virtual simulation maintenance training system are studied and discussed as well.
Key words ： virtual simulation technology; maintenance training; interactive technology
中图分类号 ：TP391.9
文献标识码： A
周建新 男(1974—),新疆乌鲁木齐人,工程师,硕士,主要研究方向为机械自动化、计算机应用。
标签：虚拟仿真技术论文; 维修训练论文; 交互技术论文; 中国人民解放军69220部队论文;