刘涛 白贺升
中航西安飞机工业集团股份有限公司， 陕西省西安市，710089
摘要：传统新型装备维修训练任务与设备存在较高耦合度，扩展难度较大，且无法满足大范围资源共享、维修协同互动要求。因此，文章借鉴虚拟仿真技术，提出了一种适用于新型装备维修训练的虚拟仿真体系结构和框架实现方案，研究了面向维修服务的层次化体系架构并进行了仿真过程功能迁移，证明了虚拟仿真新型装备维修训练的可行性、有效性，希望为新型装备维修训练效率的提升提供一些参考。
关键词：新型装备维修训练；虚拟仿真技术；RTI
前言：近几年来，新型装备不断涌现，随之而来的是愈加复杂的装备维修问题。以往结合实装的新型装备维修训练存在训练场地有限、人员无法保证、造价昂贵等缺陷。而基于虚拟仿真技术的维修训练系统可以富有效力的克服结合实装开展维修训练存在的缺陷。因此，探索虚拟仿真技术在新型装备维修训练中的应用，对于改进新型装备维修训练效果、提高受训者维修水平就具有至关重要的功效。
一、新型装备维修训练中虚拟仿真技术的应用需求
1、系统开放
在新型装备维修训练中，虚拟仿真训练系统需要满足开放可扩展的需求。即零部件几何库可扩展、各种设备行为模型库可更新、用于维修的各种工具和测试设备模型库可扩展、人体模型库可重建、各种子系统和设备模型库可扩展等。
2、信息完整
在新型装备维修训练中，虚拟仿真训练系统需要包含完整的信息，除支持电子系统维修、液压系统维修、机械系统维修训练的三维实体显示几何数据、描述面体特征纹理数据、装配数据、配合约束数据外，还需要具有描述维修过程零部件行为模型、各种工具、人体模型数据等。以便最大程度反映实际新型装备维修训练本质，为训练过程的顺利开展提供保障[1]。
二、新型装备维修训练中虚拟仿真技术的应用方案
1、仿真对象
对于新型装备维修训练而言，其所对应的虚拟仿真训练系统为过程仿真系统，需要以计算机提供舒适仿真环境并包含某一系统、某一装备维修方法为主旨，涉及了若干操作行为、维修规程，与所操作对象状态变化直接相关，受装置控制系统的控制。基于上述分析，在系统构建时，可以将一次完整的新型装备维修操作过程作为方针对象，进行相应的过程方针模型构建。而一次完整的新型装备维修操作过程为：受训人员→操作行为→操作部件（状态变更）→响应部件→状态改变。
2、系统结构
根据新型装备维修操作特殊性，可以RTI为核心，建立对称拓扑结构，由RTI发挥分布式操作系统功能，全部受训人员信息交互均围绕RTI开展，同时RTI可负责整个受训体系的数据流、时间推进。具体结构如下：
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如图1所示，上述体系结构将具体仿真功能实现、底层通信运输、仿真运行管理进行了有效方格，可以摒除模型数据管控、传输实现对仿真开发难度的影响。而系统监控器受训人直接对接虚拟维修样机（新型装备）、虚拟维修仿真控制，可以通过人— 机系统互动，面对不同的新型装备正常维修过程、可能出现的常规错误制定，在差异化难度体验中提高维修技能。
3、功能组成
对于新型设备维修操作虚拟仿真结构而言，其主要包括受训成员间信息交互、新型装备维修虚拟环境生成、维修任务控制、受训人与新型装备维修虚拟系统间交互几个功能。其中受训成员间信息交互主要是在RTI支持下，受训人员与同伴实时交流训练体验，包括对象模型分析、新型装备维修执行流程规划几个层面；新型装备维修虚拟环境生成主要是从视觉、听觉、触觉等不同感官出发，为受训人员提供三维立体、尽可能接近实装的维修训练环境[2]。需要注意的是，由于维修环境领域知识是对新型装备故障案例的米搜狐，在虚拟仿真环境生成功能模块设计过程中，需要基于框架的知识表示方法，将每一个故障案例看作一个对象；维修任务控制主要指在维修作业知识库的支持下，利用装配/拆卸/检测模型进行维修作业描述，通过描述控制引擎，结合引擎状态信息，开展维修动作。在这一功能模块中，还可增设智能辅助训练子模块，根据新型装备故障现象进行故障原因推断，结合受训人体模型，进行训练策略的针对性制定；受训人与新型装备维修虚拟系统间交互主要是在人体模型库建立的基础上，由外部传感器与人体模型对接，直接指挥人体动作。
三、新型装备维修训练中虚拟仿真技术的应用实现
1、数据支持层实现
数据支持层的实现主要凭借仿真数据库，可为整个维修训练联邦运行提供底层数据支持。从功能层面进行分析，数据支持层的实现需要综合考虑处理库与仿真应用程序数据转换、通用关系数据库内存储管理等需求[3]。
2、分布交换层实现
根据新型装备维修训练虚拟仿真要求，可以在HLA技术框架内，对实际装备结构特征、维修模式、维修训练内容、受训人之间信息交流进行逐一分析。进而利用技术框架内虚拟训练规划思路，在新型装备维修训练方针系统、HLA技术框架之间建立映射关系，助力维修测试、对象模型规划、受训人员划分实现。
3、仿真应用层实现
在仿真应用层，涉及了知识操作－响应模型、受训人仿真流程控制、虚拟样机行模型、人机交互模型、完成过程仿真模型等多个模块。以虚拟样机行为模型为例，可以尽可能与真实实体新型装备相接近为目标，搭建理论模型，引入人工智能技术，实现具备一定功能的几何形状样机按自身行为规律运动[4]。
以某新型导弹地测发控系统完成电子元器件维修训练为例，鉴于其维修任务涉及了手握主机把手拉开主机柜、拿去螺丝刀、用螺丝刀拆卸平板上螺丝并放置螺丝至指定位置等操作，可以在高性能图形计算机MultiGen Creator三维建模软件中，根据Spaceball 4000空间球提供信息，建立螺丝刀这一虚拟操作工具模型以及虚拟样机三维实体模型、碰撞检测模型。在模型构建过程中，需要首先以MKDN为基础，进行新型导弹地测发控系统维修知识的描述。比如，设定io为初始状态，i1，i2，i3，...，in等对应不同任务内容，变迁t1，t2，...，tn对应各任务内容的具体维修动作要求，依据动素合成动作的原则，进行各变迁的逐一分解。比如，P表示触及目的物或工具，名称是拾取等。在这个基础上，进行装备维修规程信息对应关系数据库表结构的描述。比如，维修规程记录号字段名为JLH，类型为整型，宽度为4，小数位为0等，结合虚拟样机Agent产生的匹配条件，保证仿真应用层顺利实现。
总结：
综上所述，新型装备维修者需要面对价格更加昂贵、技术含量高、结构复杂的对象，以往维修训练成本较高、可用装备较少、训练效率较低，且存在危害装备性能风险，无法满足维修者技术技能提升需要。因此，训练基地可以引入虚拟仿真技术，围绕实地、实装、实战、实修的要求，进行虚拟仿真环境的搭建，发掘虚拟仿真环境功能强大、运转灵活、可重用、一次性投入、占用资源少等优良特点，助力新型装备维修者技术技能提升。
参考文献：
[1]安学武.基于虚拟技术的地面气象探测设备维修保障仿真技能训练系统设计[J].南方农机,2019,50(13):245-246.
[2]耿宏,文飞.面向机务虚拟维修训练的虚拟手操作设计[J].计算机工程与科学,2019,41(07):1279-1284.
[3]孟光伟,吴强,熊浩,向东,让余奇.电气设备虚拟维修训练系统中电路实时仿真方法的研究[J].海军工程大学学报,2018,30(01):80-84.
[4]韩赵唤,冯柯,申金星,余忠康,陈威.基于虚拟仿真的船艇动力系统维修模拟训练平台[J].现代制造技术与装备,2020,56(11):76-79.