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1、中国计算机辅助设计与图形学2 0 0 8 纪念全国首届C A D C G 学术会议3 0 周年 虚拟维修训练系统研究综述 贾1 1 1 + 徐晓刚1 李振杰2 ( 海军大连舰艇学院 2 ( 海军蚌埠士官学校 装备系统与自动化系 机械系安徽蚌埠 辽宁大连1 1 6 0 1 8 ) 2 3 3 0 1 2 ) 摘 要利用虚拟现实技术进行维修嘲；练可以大大提高训练效果，本文介绍了虚拟维修训练系统的研竞现状和成果，总结了虚 拟维修训练系统开发方法、关键技术以及发展趋势 关键词虚拟维修；训练系统 A S u m m a r yo ft h eV i r t u a lM a i n t e n a n
2、c eT r a i n i n gS y s t e m J i a P a i l + X u X i a o g a n 9 1L i Z h e n j i e 2 1 ( 岬t o f B q u i l z n e m S y s t e m A m o m a t i z 丑t i o a ，D 妇N a w l 翻d 锄叫1 1 6 0 1 8 ，C h i n a ) 2 ( D e p a 删o f M e c h a n i c a l E a g i n e c d n g , B c n g b u N “P e t t y O m c e r A c a d e m
3、 y , 2 3 3 0 1 2 , 酬 + C o r r e s p o n d i n ga u t h o r ：M m ：+ 8 6 - 1 3 4 - 7 8 9 5 - 1 9 5 6 E - m a i l ：p i j i a 1 6 3 ，c o m A b s t r a c tT h et r a i n i n gr e s u l tw i l lb eg r e a t l yi m p r o v e db yu t i l i z i n gV Rt e c h n o l o g yt Ot h em a i n t e n a n c et r a i n
4、 i n g I nt h i sp a p e r , t h es t a t u s a n de x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t so f t h eV i r t u a lM a i n t e n a n c eT r a i n i n gS y s t e m 玳i n t r o d u c e d F i n a l l y , t h er e s e a r c hm e t h o d ，t h ek e yt e c h n o l o g y a n dt h ed e v e l o p m e n tt r e
5、 n da r ea n a l y z e da n d 吼I m m a r j z e d K e yw o r t hV i r t u a lM a i n t e n a n c e ；T r a i n i n gS y s t e m 引言 随着装备复杂性的提高，对维修工作也提出了更高的要 求。而传统维修训练主要是在实装上进行的。实装训练具有 直观、形象、便于理解记忆等特点，但也存在一些不足，如 训练受制于装备型号、数量以及训练地点、时间的限制，另 外一些实装具有一定危险性不便于进行维修训练随着虚拟 现实技术的飞速发展，特别是虚拟现实软件与硬件技术的提 高，使虚拟现实技术在维修
6、仿真方面的应用成为可能。而基 于虚拟现实的虚拟维修训练能有效地克服实装训练带来的问 题，为装各维修训练提供逼真的维修训练环境，对于改进训 练效果具有重要作用。 虚拟维修训练是利用虚拟现实技术，在计算机上建立起 虚拟装备和相应的交互方式，从而实现装备的维修训练过程 1 虚拟维修训练的需求 1 1 目前装备维修训练的不足 传统的装备维修训练采用教员讲解、学员自学和实装 训练相结合的方式进行，维修 J i l 练主要在实际装备上进行 此种训练方式虽能满足大部分训练的要求，但也还存在以 下一些缺陷 作者阄介；舅n ( 1 9 8 2 - - ) ，男，弼北事集人硬士，主要研究镘域为虚拟现实l 糠陂舅(
7、 1 9 6 7 一) ，男教授。主要研究镊域为圈诹处理盘拟仿真l 章摄杰( 1 9 7 7 一) 男 河北无板人讲师。主要研究锈域为虚报现实 3 9 6 贾n 婷：虚拟维修练系统研究综述 实装训练所最故障有限受口J 员脆体会到的维任操 作减少r 太多要靠讲解和书本上的理解 实装训练受到装备型号、数量以盐w 练地点、时间限 制，受训 员教量和训练时间滩以保t 一些装备维佳摊作具有一定危脸性不便于直接在装 蔷上进行训练 实装训练窖茹造成装备的损坏 2 虚拟维修训练的忧点 与传统蛙唇_ 4 练相比虚扭维修训练能弥扑其不足 能够提高训练水平虚拟维修 】I I 练能进行故障模拟 受训人员日以针对不同的
8、故障进行不月的维修任务 逼真的田形显示、良好的交环境有助于受训 员加 深印象，从而提高训练水平 不受各种因素的制约实装训练受跟目紊较多装备 数量、训练时问、地点，无气都可能髟响到维修训练 的实搪而虚拟维咎训练不存在这些问题 具有较高的敢费比与实装高额的训练经费相比虚 拟雏恬训练系统开笈成本低开发周期短，系统维护 费用低 综上所述虚担维酱技术弥补了宴装训练的不足，瞻蝣 成为实装训练之外的一种新模式具有重大的军事效益和经 侪效益 2 国内外研究现状 自于虚拟维嚣训练在装备维罄训练中的重要作用使得 许多国家和大学的研究机构都开展了针对虚拟维佳训练系统 的研究在虚报样机建模、人体建模与动作仿真、拟拆卸
9、 装配仿真和虚拟现实技术的基m 上虚拟维修训练的相关研 究获得7 巨大的成功r 田内外针对具体装备开发了一些虚拟 维修w 练系统，如虚拟维售训练较早地应用在晴勃望远镜的 维存训练中开创7 虞拟维酱训练的先 可l ”从国自井研究现 状看，盛拟维佳训练系统的研览包括丁系统设计理论和方法 以厦相关关键技术而大部分的研究主要集中在如何利用虚 报现实技术开发某一具体装备的维售训练系统上研究自窖 有虚拟维酵样机建摸、虚拟 的控制及动作模j f 【、拆卸流程 与动i 仿真多模式训练等 1 9 9 8 年日本京都大学的K h M I 等_ 凡开发丁建立虚扭维 任练系统场景的立持系统该支持秉缝的特点是用户不 需
10、要专业的计算机犏程知识即可在圈弗界面帮助下建立各种 模型利用P e h l 网描述虚拟场景中物件状春的变化该支持 幕统日用于快速建立虚拟维修训练场景井能详细地描述场 景中物件的行为但是由于虚拟场景中的行为都在同一细节 层次上，对f 复杂的维恬训练任务P e t r i 阿模型建模特台变得 非常复剁2 吼 1 9 9 9 年F L l h u a L i n 等人提出T 基fa g e n t 开发虚拟维修训 练系统的方法在这十智能化虚拟维管训练系统由五十相I 联系的8 9 酬( 智能体) 组成；训练任务规划A 鲫t ，模拟a g e n t 、 诩练评估a 鲫t t 在线指导4 B 吼l 和智
11、能化界面眦训练任 务规划日t 负贯确定维修训练目标和进行训练规划( T P ) ， 采用基于事件推理和P 嘶月模型描述维修操作基于a g c u t 的结构体系为虚拟训练系统的开发提供T 一种有敛的造径 其方法日用f 虚拟蛙佳任务建模中但是，F l l b 血L m 的P 一 同横型规模较小没有考虑在复杂维修任务建梗时所遇到的 问题p q 2 0 0 3 年南洋4 r 大学l R L l 等人提出T 基十桌面式的虚 拟维钰训练系统( V R F - A _ L I S M ) 设计方法井进行T 系统开 发此系统采用面自对象的设计思想整台T 拆卸序列规划 技术与虚拟现实技术与需要大量外设的虚拟堆
12、修训练系统 相比，该系统开发成丰鞍怔受训人员可虬在友好界面的引 导下在虚拟场景中开展雏信操作系统根据雏佳信息对场景 进行实时更新图l 为虚拟维佳训练系统的操作界面，部 为主菜单和标准I 具栏，左侧为结掏饵框口，中同为虚拟维 咎场景显示窗口右傅为导航I 具条，下部是信息提示栏 该系统投有考虑虚拟手或虚扭人重点在雏修路径的规划与 演示o 目1 # f l t A “W * i # 自 2 0 0 3 年E 嘶h a mB l u 印c t 等人开发T 种多模式虚扭维 牲训练该系统具有多种训练模式分为舟g 、引导，自自 和探索四种根据受训人员维修知识和对装备维蕾熟练程度 的不同可选择不同的训练模式，
13、如受训 员对装备雏修不熟 悉可以采用介绍模式对受训人员进行维掺任务的溃i 随着受训 员知识水平和熟悉程度的提高， 机交互程度不 断挺甜” 中国计算机辅助设计与图形学2 0 0 8 纪念全国首届C A D C G 学术会议3 0 周年 国内虚拟维修训练研究起步较晚，目前研究正处于探索 阶段。国内研究主要集中在军械工程学院、海军工程大学、 国防科学技术大学和清华大学等几所院校，主要侧重于维修 训练系统设计、系统组成和实现方法的研究虚拟维修应用 系统仍依赖国外先进技术平台，形成真正用于维修训练的成 果较少海军工程大学利用虚拟现实建模语言V R I V l L 建立了 分布式装备训练仿真系统I n 清
14、华大学杨宇航等人开发了用于 维修训练的桌面虚拟维修训练系统【引，用户通过在虚拟环境中 的漫游和实时更新维修信息的帮助下了解全部维修过程。苏 群星提出基于维修知识描述网( M K D N ) 的维修知识描述方 法 9 1 解璞提出基于M u l t i A g e n t 的武器装备虚拟维修训练系 统结构框梨1 0 1 国内外应用证明，虚拟维修训练的应用能降低费用，取 得较好的训练效果目前维修训练研究重点在维修过程的仿 真与模拟上，对于维修任务的选取、训练效果评估、多种维 修训练模式以及开发通用虚拟维修训练平台涉及很少 3 虚拟维修训练系统设计 3 1 虚拟维修训练系统组成 虚拟维修训练系统是以
15、虚拟现实技术为基础的，是对虚 拟现实技术、计算机技术软件和硬件的综合运用，它创建了 一个虚拟的维修环境。使得受训人员利用交互设备在虚拟的 环境中完成对维修对象的维修操作训练典型的虚拟维修训 练系统组成如图2 所示 3 2 虚拟维修训练系统功能要求 典型的虚拟维修训练系统应满足以下功能要求： 逼真的虚拟维修环境，包括维修对象、维修工具等 能够进行故障预设，在维修训练开始前对故障进行模拟 受训人员 ； 交互设备 虚拟手套三维鼠标 位置跟踩器 ； 虚拟维修环境 雅管对象库维修工具库维修信息 彳卜彳F 软件支撑 硬件 系统开 支撑 操作系统建模软件 发软件 图2 虚拟维修训练系统组成 能够对整个维修训
16、练过程进行模拟 能够对维修操作正确性进行判断响应 具有良好的交互界面 系统具有实时性 更加复杂的虚拟维修训练系统还具有多种训练模式、形 象的维修动作、训练考核成绩评定等功能 3 3 虚拟维修训练系统结构框架与开发方法 由于虚拟维修训练系统是一个较为复杂的系统，必须根 据功能需求分析考虑其系统结构框架。才能保证系统顺利开 发虚拟维修训练系统场景设计结构框架采用图3 所示层次 结构，场景分为六大功能模块包括虚拟维修环境、维修任 务管理、交互控制、维修仿真、数据管理和视景生成模块。 图3 虚拟维修训练系统场景结构框架 虚拟维修环境包括维修环境、维修对象和维修工具组成 维修环境指天空、地面、厂房、维修平台等外部环境维修 对象和维修对象除了对象几何模型外还包括对象的物理属 性，
