基于虚拟现实的军用后勤装备维修训练系统模型设计

摘要:通过研究分析虚拟现实理论和特点,结合后勤装备维修训练系统要素和具体要求,探索一种适应部队信息化建设发展的数字化维修训练系统,即基于虚拟现实的后勤装备虚拟维修训练系统。从系统模型组织结构入手,深入分析了各层次内涵,为建立具体装备的虚拟维修训练系统提供了理论基础。

关键词:虚拟现实;装备维修训练;系统模型结构

中图分类号:TP311文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)24-6810-02

Model Design of Maintenance Training System for Military Logistic Equipment Based on Virtual Reality

XU Yang

(Dept. of Petroleum Supply Engineering, LEU, Chongqing 400016, China)

Abstract: By analyzed the theory and characteristic of virtual reality, considered the system factors and actual needs of logistic equipment maintenance training work, a numeric maintenance training system is designed to adapt for military information-based progress, that is virtual maintenance training system for logistic equipment based on virtual reality. By designed the model framework of training system, analyzed the connotation of all system levels, the theoretical foundation design of every actual logistic equipment maintenance training system is provided.

Key words: virtual reality; equipment maintenance training; system model framework

由于科学技术的迅猛发展,军用后勤装备功能逐渐完善,效能不断增强,其复杂程度和科技含量亦越来越高,随之带来了装备维修训练等一系列相关问题。比如,传统的维修训练主要依靠装备使用手册,或者是维修工作中积累的历史经验,但后勤装备因其战场定位和配备情况不同于武器装备,平时操作使用程序复杂,影响因素较多,导致其维修工作效率较低,装备故障形式可遇而不可求。尤其对新装备来说,由于其价格昂贵且数量有限,结合实装的传统维修训练成本就更高了。在这种情况下,后勤部队亟需一种适应信息化建设发展的高效便捷的数字化训练方式,而虚拟现实及其技术因其高模拟化、高集成性等多种特点,在后勤装备维修训练上的应用也就应运而生。

1 虚拟现实

虚拟现实,又称为灵境,是一种可以创造和体验虚拟世界的计算机系统。虚拟世界是由计算机生成的,通过视、听、触觉等多感知方式作用于用户,使之产生身临其境的沉浸感、交互感[1]。虚拟现实系统具有3个最基本特征:沉浸感(Immersion)、交互感(Interaction)和想象感(Imagination),即3I特征[2]。它是对虚拟现实概念的定性阐述,也是判断虚拟现实系统的首要标准。目前,根据虚拟现实发展进程,基于不同层次的仿真计算和实现方法,虚拟现实大致可分为以下三种类型,即利用个人计算机、低档工作站进行仿真,通过各种外部输入设备、感知设备进行操控的个人桌面平台式虚拟现实;对真实场景利用虚拟技术进行模拟仿真,通过数据手套等各种沉浸式感知设备进行操控的增强型虚拟现实;利用多用户、分布式计算机,通过网络连接,同时参与同一个虚拟空间中虚拟物体的操控的分布式虚拟现实。

2 虚拟维修训练系统模型结构设计

虚拟维修是虚拟现实技术在维修性工程上的一个发展,即实际维修过程在计算机及相关设备上的本质仿真实现。它是采用计算机仿真与虚拟现实技术,通过协同工作的模式,实现装备维修性的设计分析、维修过程的规划与验证、维修操作训练与维修支持、各级维修机构的管理与控制等装备维修的本质过程,进而增强装备全寿命周期各阶段、全系统各层次的决策与控制能力。虚拟维修在装备全寿命周期阶段的应用主要集中在两个方面:产品开发和维修训练[3]。

虚拟维修训练系统,即维修活动与训练工作的数字化实现方式,它是利用CAD技术、VR技术、PDM系统等计算机仿真方式创建训练平台,用于对装备使用维修人员的培养和训练[3]。

虽然后勤装备类型繁杂,数量众多,不同的装备结构决定了不同的功能,其虚拟维修训练系统具体形式也不尽相同,但通过分析研究虚拟现实技术原理和装备维修性工程理论知识,后勤装备虚拟维修训练系统应当具有统一的系统结构框架,即符合虚拟现实特征,适用于装备信息化建设发展,满足部队实际需求的一种系统性、集成化训练模型。据此,虚拟维修训练系统模型结构主要分为系统界面、训练核心、数字模型和技术支持等四个层次,如图1所示。

2.1 系统界面

系统界面层是装备维修训练人员与虚拟系统的交互方式和接口。它主要包括输入界面和输出界面。输入界面是系统接受使用人员的输入命令、响应鼠标与键盘事件,采集装备CAD系统和维修性工程的数据,以及其他外设硬件的应用,如数据手套、头盔显示器、语音输入、行为输入等。输出界面主要是将虚拟系统应用层的过程现象和处理结果以交互式的静、动态图像和各种音频形式反馈给使用人员。输入界面为虚拟系统应用层提供建模与仿真数据的来源和更新,以匹配维修训练所需的各种装备模型和过程参数,并通过输出界面以多感知、多媒体形式实现系统的虚拟现实特征,即沉浸感、交互感和想象感。可以说,系统界面层就是训练系统体现虚拟现实优越性的感知窗口。

2.2 训练核心

训练核心层是装备虚拟维修训练系统应用功能实现的核心。它是基于系统界面层的各种输入命令,通过预先编制的程序,调出或运行系统模型层里的相应模型数据或参数,再经过程序计算,最后利用输出界面把处理结果和信息反馈给训练人员。训练核心将系统界面与系统数字模型一一对应起来,是整个虚拟训练系统的控制大脑,保证了系统功能的实现。

装备虚拟维修训练系统是以训练为手段,以装备结构和故障模式为基础,以使用操作和维修操作为目标。因此,系统训练核心主要分为装备结构与操作训练和装备故障诊断与维修训练两大模块。模块体系由建模、过程和考核评价等内容组成。建模包括装备结构建模、故障建模、过程建模等。过程既包括装备平时使用操作过程、故障诊断过程、维修操作过程,也包括装备维修保障的组织、管理、运作等过程。考核评价是对每个模块的训练目标进行分析、评价、优化,以期达到提高装备操作人员和维修人员的操作技能。

2.3 数字模型

数字模型层是用于储存、生成、维护和管理虚拟训练系统运行过程中所需的各种模型数据和虚拟参数。它包括装备CAD模型、装备故障与诊断模型、装备维修性过程模型、训练系统组织模型、训练系统信息模型、虚拟人模型、虚拟设备模型、虚拟环境模型等,并为系统训练核心层提供数据支持接口,完成模型对象对应系统界面层的数据组织、储存和调取。数字模型就如同每个人的知识积累和经验阅历,只有不断丰富完善的模型内涵,才能满足训练人员不断增长的学习需求。

任何模型都应包含有模型的概念、模型的描述、模型的功能约束条件、模型的空间和模型的多种形态等特征说明。而基于VR技术的建模与仿真,其理想追求是一种可实现人、机、环境自然交互的“世界”,虚拟模型的视觉、听觉、触觉感知如同真实装备一样。但因成本和技术等客观因素,桌面式虚拟现实系统仍然得到了广泛应用。基于桌面式虚拟现实系统的模型又可分为数字式和半实物两类,而在虚拟训练系统中,一种采用视景仿真技术模拟装备外观,实现部分装备实物的模型正在不断发展完善。模型细节程度可根据训练需求进行裁减,使用及维修操作过程的训练亦可更直观、更快捷的表现出来。这些功能和要求的实现则是建立在系统技术层的相关技术基础之上。

2.4 技术支持

技术支持层是支撑虚拟维修训练系统运行、功能实现的软硬件及其技术。它包括装备CAD建模与仿真技术、多媒体培训系统软件、系统数据管理(PDM)系统、管理信息系统、虚拟现实技术与设备、操作系统与网络环境、虚拟样机与环境系统建模与仿真技术等。其中,虚拟现实外设包括数据手套、三维显示头盔、立体眼镜、三维跟踪捕捉仪、数据衣等,用以获取人体行为动作参数、计算姿位参数、传递控制指令、反馈多感知信息等,它充分体现了虚拟现实技术的沉浸性和交互性特点。

3 结束语

军用后勤装备维修训练是后勤部队训练工作中的一个重要组成部分。如何推进后勤装备维修训练行之高效,不断适应部队信息化建设发展的需要,提高装备操作人员的技能水平,这是一个需要长期深入研究的重要课题。由于后勤装备类型繁杂,功能结构不一,如何建立虚拟维修训练系统类别还需要进一步分析、研究;构建虚拟维修训练系统的各种装备模型,装备技术手册内容数字化实现,装备故障及修复数据的采集等大量工作还需要进一步研究、规划。

参考文献:

[1] 郝建平.虚拟维修仿真理论与技术[M].北京:国防工业出版社,2008:1-5.

[2] 代碧娜,王世耕.基于VR技术的虚拟作业的实现[J].广西轻工业,2008(10):91-92.

[3] 王国虎,汪刘应,华绍春,罗中兴.装备虚拟维修技术探讨[J].现代防御技术,2007,35(6):134-137.