国内外虚拟维修训练技术研究发展现状

1.国外虚拟维修训练技术研究现状

从20世纪80年代起，一些军事发达国家高度重视虚拟维修训练系统的建设。目前，虚拟维修训练是虚拟现实技术在军事应用的一个重要方面，在国外它广泛应用于原子能设备、航空航天设备、高压电力设备以及坦克、导弹、军用车辆等的维修训练中。

1990，美国国家航空航天局（NASA）开始搭建与哈勃望远镜配套的虚拟维修训练系统，并通过对宇航员的问卷调研，验证了该虚拟维修训练系统在整个维修工程中的不可替代的作用。经过这个虚拟维修训练系统的训练，宇航员于1993年12月成功地完成了哈勃太空望远镜的修复。图5-20 所示为NASA哈勃望远镜虚拟维修训练系统。

1995年，洛克希德·马丁公司在联合攻击战斗机项目中利用模拟维修仿真手段演示了在航母上更换飞机发动机的全过程。

1996年，McLin D.M.和Chung J.C.利用现成的商业软件和定制软件开发了一个虚拟现实系统，并将其应用于坦克、导弹、军用车辆等的维修保养训练。

图5-20　NASA 哈勃望远镜虚拟维修训练系统

1996—1998年，德国Fraunhofer 计算机图形研究所对利用虚拟现实技术实现装配仿真进行研究，并与宝马汽车公司进行了良好的合作。其研究成果直接用于宝马汽车装配和维修过程的检查与确认，其结果也同样用于维修训练。

1997年，美国军用手册（MIL.HDBK—70A）中明确地提出：“使用虚拟现实技术，维修工程师可以进入虚拟环境中，对虚拟产品进行维修。这样，部件的可达性、部件分配空间的合理性以及完成特定维修任务所需的大概时间等信息均可以借助虚拟现实技术来进行评估。”采用虚拟现实外设实现的维修过程仿真，属于“真实人修理虚拟产品”的应用类型。

2000年，美国莱特伯特森空军与GE 公司、洛克希德·马丁公司发起一项为期3年的项目Service Manual Generation（SMG），该项目在维修分析的同时能够实现维修手册的生成，如图5-21 所示。

图5-21　SMG 虚拟维修

2016年，DISTI 公司赢得了美国陆军史催克机动火炮系统（Stryker Mobile Gun System）第四阶段项目的开发合同，为该系统开发虚拟维修训练器。该项目包含训练系统总体设计、开发、研制和后期维护，以及同已有系统的兼容，合同费用约为300 多万美元。除了DISTI 公司参与本系统的开发工作以外，还有承担史催克机动火炮系统前三阶段的Stryker MTS 程序开发工作的罗克韦尔柯林斯公司一起参与本项目的研发，承担原始设备的生产制作。图5-22 所示为美国军用车辆虚拟维修系统。

图5-22　美国军用车辆虚拟维修训练系统

最近十几年，增强现实（AR）在虚拟现实的基础上作为一个研究领域逐渐发展起来。虚拟现实技术使用户完全沉浸在一个人造虚拟的环境中，看不到周围的真实世界。而增强现实技术允许用户看到真实世界，看到有虚拟对象叠加或合成的真实世界。因此，增强现实技术是对真实世界的补充，而不是完全替代真实世界。1997年，Azuma 等人发表了一篇综述论文，定义了这个领域，概述了增强现实系统的特点，并总结了增强现实的发展。到今天，增强现实技术已经取得了显著的发展。在20世纪90年代，成立了几个增强现实研讨会，有国际增强现实研讨会、国际混合现实研讨会，以及增强现实环境设计研讨会。一些有资金资助的组织也非常关注增强现实，如日本的混合现实系统实验室和德国的Arvika 协会等。华盛顿大学人机接口实验室（HIT）开发的软件工具包ARToolkit（Augmented Reality Toolkit）能够帮助快速建立增强现实应用系统。增强环境实验室（AEL）开发的设计者增强现实工具包DART（Designer's Augmented Reality Toolkit）被用来快速建立增强现实应用的模型。

2.国内虚拟维修训练技术研究现状

与一些发达国家相比，我国虚拟现实技术的起步晚但发展迅速，已经引起政府相关部门与科学家的高度重视。我国也已成功地将虚拟现实技术应用于直升机虚拟仿真器、坦克虚拟仿真器、导弹虚拟仿真器、虚拟战场环境观察器等多个方面。但在虚拟维修训练方面的研究还处于起步阶段。而虚拟现实应用系统的实现仍依赖国外先进的技术平台和国内应用环境的结合，但我国的研究者们在虚拟维修和训练方面的研究也取得了不错的成果。

某院校设计了基于虚拟现实技术的维修性仿真系统，利用沉浸式和人机交互式两种方式达到维修过程仿真的目的，设计出了比较全面的虚拟维修仿真系统方案。

国防科技大学的科学家使用OpenGL Performer 平台，开发了某型装备虚拟维修仿真系统——VMS 系统，研究了虚拟场景组织和优化算法，提出了活动对象的概念，并将其用于维修人员的培训，取得了很好的效果。

电子科技大学的开发的某型炮车虚拟拆装训练系统，建立了虚拟拆装的实体模型，利用VC ++和Vega 软件进行仿真，用数据手套和位置跟踪器进行人机交互操作训练，用于拆装训练。(www.xing528.com)

武汉理工大学开发的船舶动力装置虚拟维修系统，利用SolidWorks 建模软件建立三维模型，用Extend 软件平台进行虚拟维修流程管理的仿真，引入Virtools 软件，实现对三维模型的控制。

清华大学的开发了一个基于流程图和仿真的某武器装备维修培训系统，采用Transom Jack 进行仿真，研究了VRML 数据的结构与显示方式、OpenGL 的编程技术和AVI 视频技术。

北京航空航天大学等人开发了用于维修训练的桌面虚拟维修训练系统。用户通过在虚拟环境中的漫游，在实时更新维修信息的帮助下了解全部维修过程。

哈尔滨工程大学和武汉理工大学对汽轮机虚拟维修拆卸技术进行了研究。哈尔滨工业大学设计了一个面向鱼雷拆装的虚拟环境，用于鱼雷维修的虚拟培训，该虚拟环境的设计弥补了传统鱼雷维修培训存在的不足。在虚拟环境中用户可以通过基于虚拟现实技术的虚拟维修操作来实时模仿真实的维修操作过程。研究者研究了鱼雷样机建模技术和虚拟环境的时时渲染技术，通过扩展表示层采用空间变换的方法实现了鱼雷独立行为模型的建立，使鱼雷零部件都具有独立完成平移和旋转的能力，从而能够实现鱼雷的拆装过程。

国内针对一些装备，提出了虚拟维修训练的解决方案，设计了部分原型系统。如针对雷达装备，基于USB 接口技术设计了通用雷达装备虚拟维修训练系统的人机交互系统。针对导弹装备，提出了基于虚拟现实技术、虚拟样机技术和过程仿真技术的某型导弹虚拟维修训练系统设计方法。针对舰船装备，海军工程大学建立了分布式装备维修仿真训练系统，系统可实现虚拟装备的生成、动态仿真与数据库的关联等。开发了桌面环境下使用的阀门维修CAI 系统。国防科技大学基于计算机仿真技术，提出了一类训练模拟器系统的构造方法，该类型的训练模拟系统能提供一个虚拟综合训练环境，在实验室内就可模拟真实环境在本地进行装备训练任务，并且可以作为一个节点参加远程仿真系统。空军第一航空学院在对虚拟维修系统的组成和发展现状进行研究的基础上，对虚拟维修技术在培训方面的应用进行了初步的探讨，设计了航空发动机的虚拟维修训练系统，其成果主要用于训练模拟器。中国人民解放军战略支援部队信息工程大学探索了多媒体环境下进行计算机及外部设备维修教学、训练的新方法，构造了以软件模拟为核心的综合性维修教学、训练系统。

大连交通大学以实际工程应用为出发点，以4102B 型柴油机为研究对象，从基本零件信息出发，分别应用三维CAD 软件Pro/Engineer 和三维参数化实体模拟软件AutodeskInventor 进行装配体建模和装配仿真工作，实现了柴油机各个子装配体及整机的装配仿真动画，并利用VC 开发管理系统和Flash 制作演示系统来实现对装配仿真动画的后续处理，基本达到了柴油机产品演示和装配工人培训的目的。

国防科技大学针对装备虚拟维修系统总体方案及其关键技术开展了相关研究，并在OpenGLPerformer 平台上进行虚拟维修训练系统的开发，利用集成碰撞检测库ARPID 改进了OpenGLPerformer 中的碰撞检测的方法并进行了验证，实现了虚拟维修训练原型系统，取得了良好的效果。

国内有专家提出了一种基于虚拟现实技术、虚拟样机技术和过程仿真技术的大型复杂装备虚拟维修训练系统设计方法。虚拟维修过程仿真控制部分包括虚拟环境生成和输出、人机交互、维修任务控制和虚拟样机及工具行为状态控制等4 个模块，每个模块完成各自定义的系统功能。他们将这一理论成果应用于某型导弹装备虚拟维修训练系统，达到了很好的效果。

浙江大学开发了VDVAS（Virtual Designed Virtual Assembly System）成功地将虚拟设计与虚拟装配过程集成到系统中，操作者能在系统的虚拟环境中利用三维操作和语音命令生成零件并建立其装配模型，其装配的顺序和路径可以通过交互式的拆卸和装配获得。系统的装配操作是通过约束识别和处理完成的，其拆卸过程的实现是通过约束动态解除来完成的。

中国石油大学以Pro/Engineer 为基础，利用其二次开发功能并结合VC ++6.0 软件开发设计了干气密封参数设计系统。在这一系统中研究者完成了良好的人机界面设计，更重要的是其利用Pro/Engineer 的二次开发功能研究了参数化设计技术和自动装配技术，实现了系统的交互功能。

海军工程大学的用GL Studio 软件开发了某型舰炮虚拟训练仿真系统，其采用3DSMax 和GL Studio 两种建模工具构建系统模型，利用Vega Prime 软件进行场景驱动，该系统成功地将GL Studio 模型置入Vega Prime 场景，并实现了场景模型间的交互控制。该系统具有较强的真实感和沉浸感，且互动性强。其交互操作界面友好，能够很好地对学员进行该型舰炮的虚拟操作训练。

中国人民解放军装甲兵工程学院的以典型装甲车辆为保障对象，利用SolidWorks、3DMax 构造了装备的三维实体模型，运用EON Studio 和Cortona3D进行了虚拟维修过程实时建模，并开发了虚拟维修训练系统。该系统为陆军主战装备维修保障能力的快速生成提供了有力的支持。

另外在增强现实技术领域，国内的研究起步较晚，但北京理工大学、国防科技大学、北京航空航天大学、电子科技大学、西安石油学院、华中科技大学、四川大学等已经在增强现实系统的摄像机校准算法、虚拟物体的投影注册算法、用于增强现实的头盔显示器的设计、增强现实三色立体基准注册技术、增强现实中的重叠问题、增强现实的工程应用等方面取得了一些研究成果。把增强现实技术应用于虚拟维修训练领域将为虚拟现实环境的构建以及受训者的真实训练效果提供更好的支持。

综上所述，虚拟现实技术应用于装备维修训练，可有效降低训练费用，且训练效果好。国外虚拟维修训练研究已进入实用阶段，正逐步完善。国内虚拟维修训练研究仍处于起步阶段，离实际工程应用还有距离，国内外典型虚拟维修训练平台及其应用见表5-14，而基于虚拟战场环境装甲装备维修训练也是一个亟待解决的问题。

表5-14　国内外典型虚拟维修训练平台及其应用

续表

续表