虛擬維修技術在水聲裝備維修中的應用分析

太祿東 周敏

摘? 要：虛擬維修技術是以現代計算機操作平臺為基礎，結合虛擬現實技術以達到模擬實際維修的一種新興維修技術，通過虛擬維修技術實現產品維修性設計分析、維修過程的規劃和驗證、維修操作訓練與維修支持。本文從虛擬維修系統的特點、結構組成出發，討論了基于虛擬現實技術和維修性評價理論，對水聲裝備收放存儲裝置、液壓動力系統部件進行三維建模，構建虛擬系統的可行性。

關鍵詞：虛擬維修;仿真建模;部件拆裝;維修性分析

引言

維修是艦艇裝備使用中保持裝備戰術技術性能重要工作，艦員的裝備維修能力直接關系到裝備的可用性和艦艇戰斗力的生成。水聲裝備是擔負反潛作戰任務水面艦艇必不可少的預警探測類電子裝備，近年來該類新裝備的大量入役，對艦員維修保障能力提出了新的要求。主要體現在水下濕端和收放存儲裝置液壓控制系統及動力設備的維修，由于結構復雜，不能直接觀察，維修訓練困難，故障排除缺少可視化操作指導，難度較大。而近年廣泛運用于航空裝備維修領域的虛擬維修技術是解決該難點問題，提高艦員水聲裝備維修保障能力的有效手段。

1.發展現狀

虛擬維修技術是基于VR虛擬現實技術，通過計算機仿真技術構建虛擬場景，利用建模軟件生成裝設備數字樣機，再借助交互設備驅動維修場景中的人體手臂或維修人員3D模型完成維修過程的仿真、實現虛擬人機互動的綜合性應用技術。虛擬維修技術最大的優點是借助計算機高速運算能力和圖像處理能力構建虛擬場景和設備，可在其中開展裝備的結構拆卸、裝配，零部件更換等可視化作業，突破了傳統維修性設計在空間和時間上的局限，解決了傳統設計手段上的不足。虛擬維修技術通過可視化的虛擬仿真與測試工作不僅能尋找裝設備在設計時存在的問題缺陷還可以為裝設備使用過程中的預防性維修提供依據，可大幅節省裝設備的全壽命周期使用和維修經費。

隨著開發成本的逐步降低，除維修階段，虛擬維修技術也越來越多地運用于裝備維修人員培訓，實踐證明顯，該技術可顯著提高維護人員的培訓效率，降低實際維修過程中的操作失誤，縮減維修成本。最具代表性的案例有：哈勃太空望遠鏡的虛擬維修訓練、洛克希德馬丁公司F-16戰斗機的維修性設計分析等項目。目前國內外民用航空領域已廣泛采用虛擬維修技術替代金屬樣機運用于大型飛機的維修性設計、評估優化、維修訓練及維修保障全過程。隨著VR技術的普及運用，虛擬維修技術逐漸從航空航天領域向船舶、車輛、大型軍事裝備等其它領域擴展。

2.系統組成結構

水聲裝備虛擬維修系統整體采用C/S架構即客戶端—服務器結構。服務器選用數據運算能力強的高性能圖形工作站?？蛻舳瞬糠种饕ㄌ摂M交互設備、建模管理模塊、維修仿真模塊和顯示控制模塊等四部分，分別由硬件設備和軟件模塊兩部分構成，如圖1所示。

（1）虛擬交互設備

虛擬交互設備主要由輸出設備和輸入設備兩部分組成，輸出設備主要包括具有深度沉浸感的3D眼鏡或VR數據頭盔、圖像處理計算機。虛擬交互單元中的圖象處理計算機用于接收傳感器捕捉到的三維人體姿態數據，并結合虛擬維修場景數據，進行三維視景的圖形圖像渲染。輸入端可采用VR手柄或數據手套、全身穿戴式輸入設備等，用以實時捕捉人體手臂等肢體及方位的變化，轉化為人體姿態數據。

（2）維修建模模塊

維修建模模塊主要由建模計算機和軟件組成。其作用是接收來運用3DMax或其它軟件生成的三維數字模型和設備結構數據，通過建模管理軟件模型轉換處理，生成模型庫數據;通過選擇模型和定義約束，生成維修場景庫數據;通過選擇場景和預設維修過程，生成維修任務庫數據，以上數據均存儲到服務器。

（3）維修仿真模塊

維修仿真模塊主要由維修仿真計算機和軟件組成，其作用是對虛擬維修過程中的空間變換、操作動作進行分析，調用數據和資源執行維修響應，完成維修時間、維修空間及維修過程的記錄以及阻滯現象分析等。

（4）顯示控制模塊

顯示控制模塊由圖像處理計算機及相應軟件組成，作用是進行維修任務控制，包括任務的開始、結束、暫停以及相關人員虛擬場景中的行為控制，并提供虛擬維修場景的實時渲染圖像顯示和圖形視角的變換。通過大屏顯示器或投影儀輸出全景虛擬維修場景。

3.關鍵技術與實現方法

3.1虛擬維修模型構建

實現水聲裝備的虛擬維修，首先要利用三維建模軟件構建一個逼真的、高度沉浸的虛擬工作場景，并根據裝備的尺寸和內部結構建立三維實物模型。虛擬維修場景和裝設備模型構建可采用建模軟件+虛擬現實引擎的方式開發。常用的建模軟件有3DS Max、Maya、Multigen-Creator、Auto CAD等，常用的虛擬現實引擎有Virtools、Quest3D、Unity3D等。

3DS Max可用于三維建模、渲染和創作三維動畫，在工業設計仿真、多媒體動畫教學等領域應用廣泛。它的優點是操作的自由度高，具有多邊形建模功能，缺點是細節渲染不夠細膩、控制的流暢度不足。但對尺寸相對較大的水聲裝備虛擬維修而言，其重點在于動作交互場景逼真，以及操作人員對維修流程的掌握，而對交互的精細程度及維修的響應速度要求不高。與3DS Max配套的Unity3D引擎對其輸出文件的支持性較好，轉換不易失真和出現亂碼。因此對水聲裝備收放存儲裝置、液壓動力系統等維修模型結構件較大的場景較為適用。

Virtools是另一型應用廣泛的虛擬現實引擎，利用其開發虛擬系統，操作簡單、人機交互實現容易。水聲裝備虛擬維修系統主要對存儲裝備和液壓動力系統進行建模仿真，使用Pro/E構建裝備的三維模型和虛擬工作場景模型，可保證零件模型結構和位置的準確性，但液壓元件較多時運行速度降低。模型創建完畢后導入Virtools中，利用的Virtools的BB模塊和VSL編程，實現交互功能，如液壓油泵、溢流閥、油管、墊片等液壓元件的虛擬拆卸、更換、虛擬操作員手臂動作的仿真等。

以上兩種虛擬環境和三維模型開發軟件組合各有優劣，根據水聲裝備主要針對機械結構和液壓動力裝置進行換件維修的特點，選擇Pro/E+Virtools的開發組合更具優勢。

4.2虛擬維修過程仿真

在虛擬現實引擎中根據實際工作環境的尺寸比例和空間布局關系將構建的虛擬維修裝備、維修工具及虛擬維修操作人員等模型整合在虛擬工作環境中，構建虛擬維修場景。在虛擬維修場景中，操作人員按照相對固化的維修作業流程進行虛擬維修操作，形成的虛擬仿真數據用于后續維修性分析和驗證。

4.3虛擬維修分析驗證

虛擬維修系統可為水聲裝備維修人員提供收放存儲裝置、液壓動力系統等結構件的維修性及維修工藝過程支撐環境，利用虛擬維修技術可構建無實物的虛擬環境，并可通過3D眼鏡、VR數據頭盔和VR手柄、數據手套等虛擬交互設備與虛擬環境中的維修對象進行交互，實現對水聲裝設備維修工藝過程的模擬，并對維修的可視性、可操作性及維修性等指標進行分析。根據維修分析的結果對虛擬維修模型、維修交互方式、維修操作過程、維修工藝流程等程序進行修改完善，直到實現設計目標。完整的虛擬維修分析流程如圖2所示。

4.系統功能與應用

虛擬維修系統可完成裝備維修性分析、故障快速診斷、故障維修指導、沉浸式維修技能訓練、維修數據管理、維修信息查詢以及維修理論學習和考核評價等功能。該系統可根據輸入的故障現象，自動檢索分析，快速對故障進行定位，并通過三維場景直觀對故障部位和現象進行展現，為維修人員排除故障提供直觀、便捷的操作方法圖像、圖形和文字指導，并可提供維修所需電路圖紙、備件信息等電子資料的快速查詢。維修人員可在系統構建的沉浸式三維場景中，操作虛擬工具和設備進行維修訓練，通過維修體驗形成技能和操作經驗。

5 結語

傳統維修技術主要通過現場診斷，借助設計圖紙和技術資料來對故障進行分析，再通過實裝或樣機進行維修驗證，對于艦艇水聲裝備先驗性維修指導獲取難，維修訓練開展和維修經驗積累難。

基于虛擬現實技術和維修性評價理論，首先對水聲裝備維修過程構建包含維修環境、維修工具和維修對象三者的三維實物模型，然后進行虛擬維修過程進行仿真。具體對收放存儲裝置、液壓動力系統維修過程中的可視性、可達性、可操作性等指標進行分析評價，并根據評價結果對三位場景和模型進行修改，對維修過程進行優化，以達到最佳的維修工藝過程虛擬仿真。實踐證明，虛擬維修技術是艦員在海上遠離基地保障條件下獲得現場維修指導和開展維修訓練，積累維修經驗，提高戰時水聲裝備維修保障能力的有效途徑。

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作者簡介：

太祿東，男，副教授.Email：lvye0451@163.com 研究方向：聲納探測。