第２６卷第２期 ２０１３年４月 中国修船 ＣＨＩＮＡ ＳＨＩＰＲＥＰＡＩＲ Ｖｏ１．２６ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１３ 通用舰船装备虚拟维修训练系统开发平台研究 朱晓军，彭 飞，闵少松 （海军工程大学，湖北武汉４３００３３） 摘要：虚拟环境下的维修培训能有效提高训练的效果，节省培训成本。文章研究了一种通用 的虚拟维修训练开发平台软件（ＳＶＭＴＰ），ＳＶＭＴＰ使用一种通用概念模型来描述不同的虚拟维修 训练应用，并提供合理的体系结构、交互仿真处理机制、开发接口等，能够辅助用户快速完成维 修训练应用开发。 关键词：虚拟现实；维修培训；开发平台 中图分类号：ＴＰ３９１ 文献标志码：Ａ文章编号：１００１—８３２８（２０１３）０２—００３７一ｏ４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｉｓ ｖｅｒｙ ｕｓｅｆｕｌ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｈｅ ｆｃｏｓｔ．ＳＶＭＴＰ（ｓｈｉｐ ｖｉｒｔｕａｌ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｐｌａｔｆｏｒｍ），ｉｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ．ＳＶＭＴＰ ｕｓｅｓ ａ ｇｅｎｅｒａｌ ｃｏｎ－ ｃｅｐｔ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｈｅｌｐ ｕｓｅｒｓ ｔｏ ｄｅｖｅｌｏｐ ｎｅｗ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｒａｐｉｄｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ；ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｔｒａｉｎｉｎｇ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｌａｔｆｏｒｍ ０前言 舰船维修是作战舰船的重要技术保障。通过对 舰船进行及时而有效的维修，能使舰船在最短的时 间内恢复战斗能力，而要实现快速有效的维修，就 离不开技能娴熟、具有丰富维修经验的维修人员。 因此，针对维修人员的维修技能培训是提高舰船装 备技术保障能力的重要途径。目前的维修训练方式 主要是由学员在实装或专门为特定的装备建立的实 物模型或仿真模型上进行实际维修操作的方式。这 种训练方式的好处是受训人员可以真实的使用实际 装备，对维修工作有一个很直观的认识，但是，随 着海军现代化的加速和装备复杂程度的提高这种训 练方式也暴露出诸多缺点，具体表现在以下几个方 面：①舰船装备的种类变得越来越多，培训设施无 法适应每一种装备；②舰船装备更新周期越来越 效果有限，维修培训专家资源有限；⑤舰船装备的 生产费用昂贵，基于实装的训练会造成装备损坏。 因此，针对以上问题，迫切需要一种现代化的 培训和训练手段来解决目前存在的问题，而利用虚 拟现实技术进行维修仿真是一种目前最有效的替代 方法。虚拟维修训练是以虚拟现实技术为基础，以 计算机及其相应的硬件设备为培训手段，为复杂装 备的维修训练建立起一个维修的仿真环境，它可有 效的解决装备操作、维修训练中的“性能”，“安 全”和“成本”问题，一旦建立起该平台，就可 以通过不断开发升级各种装备的相应虚拟维修训练 系统，真正实现一次投资、多方受益。 关于虚拟维修训练系统，国外多家研究机构已 经进行过研究，如洛克希德・马丁公司和ＧＥ公司 共同建立了一个用于美军Ｆ一１６战斗机和Ｃ１３０运 输机维修训练的虚拟维修训练系统，并同时应用到 了Ｆ一２２和联合攻击战斗机（ＪＳＦ）ｘ一３３的研制 过程中，用于检验维修性问题 。在国内，北京 短，原有的训练方式无法跟上更新；③装备维修培 训中心通常都是被在某一个地点；④维修培训 作者简介：朱晓军（１９６０－），男，福建莆田人，教授，硕士，主要从事舰船维修保障工作。 ・３７・ ２０１３年第２期 中国修船 第２６卷 航空航天大学，以杨宇航为首的研究小组应用虚拟 式向计算机发出指令，这时候就可以采用语音识别 现实技术建立了基于虚拟样机的虚拟维修训练系 来完成。 统 Ｊ。皮兴忠和何嘉武则分别提出了一种通用的 ２）系统可视化配置功能。ＳＶＭＴＰ系统提供可 虚拟维修训练平台的架构 Ｉ４ Ｊ。王国辉和赵育良分 视化配置工具，可进行仿真环境配置、交互式硬件 别针对具体的装备研制了虚拟维修训练系统 。 设备参数配置、虚拟维修训练方案配置、维修操作 本文针对舰船装备的特点，主要叙述了一种面 帮助信息配置等等。 向舰船装备的通用虚拟维修训练开发平台软件 ３）模型数据导入功能。能够将多种格式的舰 ＳＶＭＴＰ。ＳＶＭＴＰ提供合理的体系结构、交互仿真 船装备模型导入到系统中，缩短系统开发时间。 处理机制、开发接口等，它用一种规范的通用概念 模型来描述不同的虚拟维修训练应用；可以方便的 辅助用户针对具体的装备快速完成虚拟维修应用系 维修训练功能 统的开发 １ ＳＶＭＴＰ概述 ｌ笪塑里 ＳＶＭＴＰ的设计目标是支持不同舰船虚拟维修 虚拟仿真功能 训练应用系统开发的通用软件平台。图１所示是 ＳＶＭＴＰ的系统层次结构图，从图１中可以看出， ＳＶＭＴＰ是在成熟的应用开发工具库的基础上，结 扩展功能 堡丝丝墼 堂 合自定义工具库进行构建的，它屏蔽和封装了各种 两 雨 工具软件的功能实现细节，依靠抽象的概念模型、 体系结构、各模块之间的接口及运行机制等功能来 图２ ＳＶＭＴＰ功能结构图 帮助用户快速完成一个具体ＶＲ应用的开发。 １．２维修训练功能 １）培训方案定制功能。系统可按照培训目标 虚拟维修训 虚拟维修训 和受训者个人信息（熟练程度）建立个性化的培 练具体应用 练具体应用 专用应用层 训方案。具体实现时，可将一个复杂的培训目标进 ＳＶＭＴＰ（通用培训任务处理、维修 过程处理、通用装备模型库等） 通用应用层 行分解，用对应的１７１标树来表示，然后建立培训任 务到培训目标的映射关系，用培训任务和培训目标 维修仿真底层工具库（虚拟仿真 状态形成模型，系统依据模型数据来生成定制的培 引擎．抽象硬件接口等） 中间件层 操作系统 ２）维修培训方案模板。可建立面向培训任务 （ＳＧＩ ＩＲＩＸ，Ｗｉｎｄｏｗｓ，Ｌｉｎｕｘ等） 一一系统软件层 一一一一一训方案。一 的培训剧本模型。为减少培训剧本模型和分析的复 计算机硬件 虚拟现实 及通讯设备 系统外设 硬件层 杂性，对于每一个任务，可以构造对应的培训剧 本。 一 ３）训练效果评估功能。系统可用于维修操作 图１ ＳＶＭＴＰ层次图 人员的考核、评比和维修训练、战场抢修的质量评 根据多种虚拟维修训练的的需求分析，ＳＶＭＴＰ 估以及战时修理力量的效能评估，为决策提供可靠 设计为具有如下主要功能，功能结构图如图２所 依据。 示。 ４）维修操作辅助提示功能。在虚拟维修训练 １．１仿真功能 中，该模块能使用文字或声音，实时的对受训人员 １）增强的交互功能。多种典型的ＶＲ交互方 的误操作进行提醒。 式都可以采用，如虚拟手势识别、三维菜单等。当 ５）培训文档输出功能。如果某一个特定的培 用于双手抓取物体时，用户必须仍然能够有一种方 训任务不能完成，那么其原因应该能够由系统分析 ・３８・ ２０１３年第２期 朱晓军，等：通用舰船装备虚拟维修训练系统开发平台研究 第２６卷 出来，同时相应的数据可以进行归档记录，在受训 ２）维修过程控制模型。维修过程模型库则用 者进行拆卸装备的操作过程中，每一个部件的路径 于在受训者操作过程中对操作流程进行控制，为了 都应该能够被记录和编辑，被保存的数据还可以被 控制复杂的维修过程，表示各种不同的复杂维修任 回放。 务，将相关的过程分解为基本的任务元素，清晰的 １．３扩展功能 定义任务之间的相互关系是非常重要的。同样，在 系统可通过组装和维修的虚拟模拟，来开发最 系统的开发过程中，需要确定一个具有灵活的任务 优的生产流程和反馈出产品设计阶段的隐患，为维 关系的结构，以便于在系统中进行快速的修改，重 修性、可靠性设计提供及时可靠的信息和可行的建 新定义。这个过程可以用Ｐｅｔｒｉ网来实现，利用Ｐｅ— 议，使得产品的动态设计成为现实。 ｔｒｉ网，可以有效的表示一系列基本的维修任务和 ２ ＳＶＭＴＰ的系统结构 条件，并在装配拆卸过程中执行它 。 由以上需求可知，系统可以由接口模块、虚拟 ３ ＳＶＭＴＰ的主流程 模型对象库、维修过程模型库、维修任务计划模型 图４是ＳＶＭＴＰ主流程示意图，可以方便地支 库、任务在线辅助模块、任务评估模块和仿真模块 持不同维修训练应用的开发。 组成。图３是ＳＶＭＴＰ的各组成模块之间的关系图。 训人员动作指 叵 固／ 雾 仿真模块 Ｌｏａｄ ｌ 一 Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ ．． ．＜ ｘｉ ＞— 一 至． Ｕ 是 匦 Ｃｌｅａｎ 依据用户输入数据和维 Ｔ 修计划数据、维修过程 （ Ｐｅｔｒｉ网数据执行一个仿 任务评估模块ｒ＿ｌ维修任务计划模型库Ｉ＋— — 接口模块 真步骤 维修任务计 图４ ＳＶＭＴＰ应用程序开发流程图 Ｌ—ｒ———一任务指标模块ｌ———— —一 各步骤的主要功能介绍如下。 磊森 Ｐｒｅ—Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ：预初始化，为系统正常运行初 始化底层环境；执行Ｐｅｒｆｏｒｍｅｒ的初始化操作配置 图３ ＳＶＭＴＰ的系统结构图 ３Ｄ图形运行环境，设置路径等。 由图３可以看到，ＳＶＭＴＰ系统中的核心模块 Ｌｏａｄ：读取配置文件，配置文件包括虚拟场景 是维修任务计划模型库和维修过程模型库。 配置、维修培训计划方案、维修过程Ｐｅｔｒｉ网等初 １）维修任务计划模型库。此模块负责为受训 始化数据，Ｌｏａｄ过程中也可直接编码生成自己的 者形成虚拟培训方案。为了生成合适并且能够完全 特殊对象。 达到培训目标的培训计划，可以使用决策表来表示 Ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅ：初始化过程，系统依据配置文件生 从培训目标（子目标）到培训任务的一个映射。 成系统的场景静态结构和维修计划、维修过程的数 所有的培训目标都带有复杂层次信息，同时培训任 据缓冲区，各子系统及其内部对象，利用系统的思 务也带有任务复杂层次信息，这两个部分组合成一 想，建立各子系统对象之间的各种联系，形成整 个目标——任务决策表。每一个任务的复杂层次数 体，为具体的仿真作准备。 值用于帮助进一步唯一的确定问题状态，使其满足 Ｕｐｄａｔｅ：依据用户输入数据和维修计划数据、 受训者培训需求。根据受训人员的熟练程度，制定 维修过程Ｐｅｔｒｉ网数据在虚拟环境中完成一个仿真 不同的培训目标，然后形成培训目标——任务决策 步骤。ＳＶＭＴＰ将循环执行Ｕｐｄａｔｅ过程，直到接收 模型库，利用模型库，可以方便的对受训人员的培 到退出的命令。 训过程进行控制，使其达到培训目标的要求。 Ｃｌｅａｎ：完成仿真任务后，清理运行过程中产 ・３９・ ２０１３年第２期 中国修船 第２６卷 生的数据，重置系统数据，为下一轮的仿真做好了准备。 Ｐｅｔｒｉ模型，使其更适用于培训任务描述的需要。 参考文献 ［１］Ｒｏｓｅｎｂｅｒｇ Ｂａｒｒｙ．Ｌｏｃｋｈｅｅｄ ｍａｒｔｉｎ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓ ｖｉｔｒｕａｌ ｍａ— ｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ『Ｊ］．Ａｖｉａｔｉｏｎ ｗｅｅｋｓ＆ｓｐａｃｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏ— ４基于ＳＶＭＴＰ的开发实例 本文针对船用减速齿轮箱的维修培训过程，利 用ＳＶＭＴＰ建立了一个基本的虚拟环境下的维修训 练系统，该系统能够有效的帮助学员在拆装过程中 进一步观察了解减速器的各零部件的结构、相互问 配合的性质、零件的精度要求、定位尺寸、装配关 系及齿轮、轴承润滑、冷却的方式及润滑系统的结 ｇＹ，２００２，１５６（１４）：８９． ［２］杨宇航，庚红，杨东晓，等．装备虚拟维修训练系统 工程研究［Ｊ］．计算机工程与设计，２００２，２３（４）： ３４—４１． ［３］皮兴忠，范秀敏，严隽琪．ＶＲ Ｆｌｉｅｒ：一个面向虚拟现 实通用应用开发的软件平台［Ｊ］．系统仿真学报， ２００５，１７（５）：１１５７—１１６２，１１６７． 构和布置；输出、输入轴与箱体间的密封装置及轴 承工作间隙调整方法及结构等。 ［４］何嘉武，赖煜坤．武器装备虚拟维修训练系统设计与 实现［Ｊ］．科技导报，２０１０（２４）：７３—７６． ［５］王国辉，邓威，李向荣，等．基于虚拟现实的自动装 弹机虚拟维修训练系统［Ｊ］．火炮发射与控制学报， ２０１１（３）：２９—３２． ５ 结束语 目前ＳＶＭＴＰ功能不够完善，仍需大量的工作 进行完善和实例验证，其中关于维修过程控制模型 ［６］赵育良，苏媛媛．基于虚拟仿真技术的某型航空相机 虚拟维修训练系统［Ｊ］．兵工自动化，２００９（１）：８９ —主要是由Ｐｅｔｒｉ网来实现，但当训练任务复杂时， 模型将变得非常复杂，不利于进行分析，因此下一 阶段的研究方向就是利用结构化层次化思想简化 （上接第３６页） 从图４、图５可以看出，频率低于５ ＭＨｚ，随 机选择的４Ｏ个导线对的近端的ＥＭＣ Ｓｔｕｄｉｏ结果都 ９１．９４． 收稿日期：２０１２—０８—２９ 参考文献 ［１］Ｃｌａｙｔｏｎ Ｒ．Ｐａｕ１．电磁兼容导论［Ｍ］．北京：人民邮 电出版社，２００７． 在解析的最好、最差情况区间内；频率高于５ ＭＨｚ，导线在一些位置点串扰值的ＥＭＣ Ｓｔｕｄｉｏ结 果低于最好情况值，其原因可能与频率增加，接收 电路对发生电路的二次效应渐趋明显有关。 ［２］Ａｊｉｂｏｌａ Ａｊａｙｉ，Ｐｈｉｌｉｐ Ｉｎｇｒｅｙ，Ｐｈｉｌｌｉｐ Ｓｅｗｅｌｌ，ｅｒｅ．Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ Ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐｒｏｂｌｅｍｓ Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ．２００８，５０（２）：３２５ ３３３． ３ 结束语 根据船舶航行时导线在线束内随机运动的极限 几何位置，得到线束单位长度寄生参数和串扰的最 大、最小值，即最好、最差情况值，以寄生参数和 串扰的最大、最小区间估计寄生参数和串扰的动态 ［３］Ｂ．Ｃａｎｎａｓ，Ａ．Ｆ．，Ｆ．Ｍａｒａｄｅｉ．Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｂｕｎｄｌｅｓ ｂｙ ａ Ｎｅｕｒａｌ Ａｐｐｒｏａｃｈ．［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ３ｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ（ＥＭＣ）２００２．Ｂｅｉｊｉｎｇ， Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ．２００２：６３８—６４１． ［４］Ｂ．Ｃａｎｎａｓ，Ａ．Ｆａｎｎｉ，Ｆ．Ｍａｒａｄｅｉ ｅｔｃ．Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ ｔｏ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌｌｙ Ｓｉｍｕｌａｔｅ Ｃｒｏｓｓｔａｌｋ ｉｎ Ｒａｎｄｏｍ Ｂｕｎｄｌｅｓ『Ｃ］． Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇ— ｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ９—１ ３，２００２，Ｓｏｒｒｅｎｔｏ，Ｉｔ— ａｌｙ． 变化。模型简单、实用，能够快速估计船舶线束寄 生参数和串扰的动态变化，确保问题不被漏掉，且 不需用复杂和昂贵的仿真软件和实验测量，这在缺 少资金和完整几何、电气数据的船舶电磁兼容设计 初期十分重要。 ［５］王瑞宝．汽车线束寄生参数和串扰预测研究［Ｄ］．长 春：吉林大学，２０１１． 收稿日期：２０１２—１０—２４ ・４０・
