复杂装备虚拟维修技术研究综述
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摘 要：阐述了虚拟维修的概念及意义，总结了虚拟维修技术的研究内容和关键技术，针对该技术目前存在的问题和部队的实际情况，对今后的应用和研究工作进行了展望。
关键词：虚拟维修；维修性设计；维修训练；维修保障
一、引言
军用装备的完整性是部队战斗力形成的重要保证，因此军用装备的维修在保持、恢复乃至提高军队战斗力方面发挥着重要的作用。随着科学技术在军用装备中的应用，武器装备的复杂度和科技含量也越来越高。传统采用实物模型、半实物仿真和实际装备的维修训练方法，局限性大，而且周期长，形成维修保障能力十分困难，特别是新装备列装之后由于其自身复杂度高、价格昂贵导致结合实体训练维修成本过高，而且有些装备受数量和使用方式的制约，让每个维护人员在实物上得到实践，显然是不可能的。利用虚拟现实技术进行维修是解决此问题最有效的方法，虚拟维修技术可以使受训人员在任何时间、任何条件下进行训练，为新装备的维修训练提供了全新的手段。
二、虚拟维修技术的概念及意义
1.虚拟维修的概念
虚拟维修是指：依托计算机技术和VR技术，在由计算机生成的、包含虚拟维修样机和维修人员三维人体模型的虚拟场景中，采用维修人员在回路或者驱动人体模型的方式，通过虚拟的人机互动来仿真整个维修过程，以实现对产品维修性、维修过程、维修资源、人机工效等问题进行辅助分析和决策的综合性技术科学。
2.虚拟维修的研究意义
（1)对于新装备，可以使部队提前形成装备维修能力。虚拟维修提前了训练的时间，甚至在新装备列装前就可以展开维修训练；
（2)大大提高了维修训练的效费比。当装备列装后，只需对软件模型做部分修改，便可继续使用，而且不存在实物维修过程中带来的磨损、毁坏问题；
（3)可以在软件中加入评估过程，对训练结果进行实时评估；
（4)提高维修性设计水平。利用虚拟维修环境模拟装备的维修及相关过程，可以使设计人员和维修人员在产品设计的早期就能对产品的维修性进行定性或定量的评价，将产品维修性潜在的问题在设计初期就予以解决，从而大大提高产品维修性的设计效率。
（5)改善研制环境。为新设备的研制提供可靠的维修数据，而且设计人员在设计初期就能看到产品，从而减少设计修改，缩短研制周期，减少研制费用；
（6)提供高效的维修训练方法。虚拟技术可以使受训者沉浸在一个实时的、三维的虚拟环境中，并提供技术指导和多种反馈(视觉、听觉和触觉），从而更高效地将虚拟训练转换成实际的维修技能；
（7)提高维修操作的自由程度。可以对训练中的关键点和难点有针对性的安排训练内容，而且突破了时间、地点和环境带来的局限性，更为重要的是，可仿真不恰当的操作，而不至于造成人员伤害和装备损坏。
三、虚拟维修的相关技术
虚拟维修过程实际上就是“设计→仿真→分析评估→反馈改进”的迭代过程，包括：数字样机建模；在虚拟环境中，结合虚拟人体模型和维修过程模型进行虚拟仿真；运用仿真产生的数据进行维修相关的分析评价；反馈分析评价结果、改进设计。
1.虚拟维修样机建模
虚拟样机是一个产品实物的计算机仿真，它能被展示、用于分析和测试产品生命周期关心的各个方面。而虚拟维修样机是一种专用于虚拟维修仿真的虚拟样机，是能够支持维修性、维修工程设计、分析产品实物的计算机仿真，它能突出表现人、产品及维修工具间的作用关系。
虚拟维修样机建模是整个维修训练系统的基础，为了满足仿真实时性和逼真性的需求，除了要具有一般虚拟样机的功能和特点外，还必须具备以下特点：要具有合适的多边形数目，能够支持实时仿真；能够保持装备的基本层次结构关系和装配关系；应能支持基于物理的仿真；应能支持维修任务的过程仿真，支持虚拟人机交互仿真；能够实现样机部件的约束运动；应包括仿真应用的功能与要求，如对人体危害的警示，能够支持维修工作的评审；应具有一定的通用性，能够通过局部修改用于其他维修任务仿真。
2.信息模型设计
在虚拟装备维修中，装备的装配和分解信息模型是监视、约束用户操作规范和决定虚拟环境下装备部件行为的主要准则，可对虚拟维修提供信息来源和存取机制，指导虚拟维修操作训练，评估虚拟维修训练水平，因此不仅要确定装备的结构、层次关系和零、部件的约束关系，还要确定其行为的边界。
3.人机交互操作
虚拟维修交互式操作的过程即为在计算机上仿真实现真实维修过程。人机交互的质量会直接影响操作训练的效果，有效而简洁的交互方法能使用户更好地在沉浸式虚拟环境中完成维修过程、维修程序确认或开展维修训练。
沉浸式虚拟维修中的交互主要有：用户位置的跟踪、导航、虚拟场景中物体的操作及物体问的穿越等。常用的交互手段有：一是利用鼠标、键盘等二维输入设备以及空间球等三维输入设备与计算机进行交互，通过编程响应它们的输入事件来对虚拟场景中的物体进行操作，这种交互过程低效、不自然。二是利用高端设备与计算机进行交互，如将数据手套、力反馈器等引入该系统，这样可以进一步增加操作训练的真实性、沉浸感，提高交互的质量和效率。
4.碰撞检测设计
碰撞检测是指虚拟场景中的几何体表面在即将或发生碰撞时自动进行报告的一种机制。碰撞检测是进行动态仿真和人机交互的基础，如果虚拟人和虚拟物体之间发生穿越，会直接影响到虚拟环境的沉浸感和可信性。
虚拟维修中应用最多，发展相对成熟的是层次包围盒法，层次包围盒法的核心思想是用体积略大而几何特性简单的包围盒来近似地描述复杂的几何对象，从而只对包围盒重叠的对象进行进一步的相交测试。此外通过构造树状层次结构可以越来越逼近对象的几何模型，直到几乎完全获得对象的几何特性。
5.虚拟拆卸序列规划
装拆规划包括零、部件的装拆序列，零、部件的装拆路径，以及在装拆过程中的干涉状态检查。考虑到装配过程和拆卸过程可视为互为逆过程的特点，装配规划问题也可转化为对装配体的拆卸规划问题。虚拟拆卸是虚拟维修的重要组成部分，是虚拟环境下维修操作的关键技术。
拆卸序列受零、部件所处的层次以及它们在装配体内所受约束的影响，通过分析装配体中的约束和多层次结构，归纳出如下拆卸序列规则：从外围向中心逼近；检查零、部件的约束状态，如果某个零、部件的约束最少，则表明这个零、部件和周围的环境关系最简单，可最先拆卸；先部件，后零件；先简单体，后复杂体；从装配层次结构出发，先最高层，后最低层；先拆小包容盒零件，后拆大包容盒零件；干涉最小的先拆，干涉最大的后拆。
在所有的规划算法中，应综合考虑空间可行性、稳定性和通用性，所以在进行拆卸序列规划时，可采用递归方式，由产品顶层网络出发，应用搜索算法遍历所有部件子图，得到产品拆卸序列，目前应用最多的是基于树搜索和图搜索的方法。
6.维修性分析评价技术
维修性分析评估是以产品虚拟样机的维修过程仿真为基础，以产品的维修性设计要求（定性、定量）为依据，对产品维修性进行分析、评价、发现存在问题的一个过程。维修性分析评估通常在整机、系统或子系统层次进行，与维修操作的细节密切相关。它既要从宏观判定是否实现了总体要求，又要准确描述存在的问题，以便设计人员分析原因和改进设计。
四、发展趋势
1.模型的全数字化。目前，虚拟产品模型在信息集成、数据存取机制以及开放性等方面仍有不足，而虚拟维修过程尚不能完全模拟真实维修过程，随着VR技术和多模式人机交互技术的发展，虚拟维修的数字化程度必将越来越高，最终能够取代物理样机。
2.集成化。目前的虚拟维修系统大都通过从商用CAD软件提供的二次开发接口获取产品数字模型和设计意图，不仅存在丢失精确几何信息、拓扑信息和工程设计信息的问题，而且虚拟维修的结果、再设计意见和建议也不能直接、快速地反馈到CAD系统中。因此，必须保证虚拟维修系统与CAD系统之间的双向信息通道畅通无阻，即二者必须实现集成乃至融合。
3.维修仿真的高度逼真化。随着景物的生成与显示、跟踪和定位、数据传输和计算能力的发展，虚拟维修技术必定能够全面逼真地反映现实的维修和技术保障的环境及其实现过程，使人获得身临其境的感觉。
4.人机交互自然化。虚拟环境应以人为中心，使操作人员自然沉浸到由模型创建的虚拟环境中，通过多种感知渠道直接感受不同媒体映射的模型运行信息，并利用人本身的智能进行信息融合，产生综合映射，从而身临其境的体会人―产品―工具之间的相互作用，准确的把握维修过程的实质。
5.支持分布式异构环境间的协作。虚拟维修系统可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一产品模型上同时工作、相互交流、信息共享，减少大量的文档生成及传递的时间和误差，从而使产品的维修过程快捷、优质和低成本。
6.更完善的维修性评估功能。由于当前虚拟维修系统的数字化模型程度以及力反馈设备等人机交互手段的精确程度仍有待提高，所以利用虚拟模型进行维修性评估的结果与物理模型的评估结果仍有一定差距。如何提供更多与维修性相关的评估、验证功能，或通过数据集成，充分利用现有RMS系统提供的分析手段进行维修性定性、定量分析，是虚拟维修要解决的问题之一。
五、总结和展望
作为新兴的技术科学，虚拟维修拥有良好的应用前景和巨大的发展潜力，对提高我军保障信息化水平和装备的科研水平，具有极大的促进作用。首先，应结合我军现有装备维修的相关规定或标准，制定虚拟维修的相关标准，为虚拟维修系统的开发提供依据；其次，结合部队实际首先开发典型的虚拟维修系统，在此过程中探讨标准的制定以及促进技术本身的发展。
参考文献：
[1]郝建平,蒋科艺,王松山.虚拟维修仿真理论与技术.北京:国防工业出版社.2008.1.
[2]谭继帅,郝建平,王松山.装备虚拟维修训练研究与发展综述.兵工自动化,2007,26(5)：106-109.
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