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大型复杂装备协同式虚拟维修训练技术

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￥ 18.2 2.0折 ￥ 90 全新

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广东广州
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作者李向阳,张志利,王蕊 等

出版社中国科技出版传媒股份有限公司

ISBN9787030521972

出版时间2016-07

装帧平装

开本其他

定价90元

货号8973326

上书时间2024-12-29

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品相描述：全新
商品描述
目录
前言

章绪论

1.1技术背景与研究意义

1.2CVMT的相关技术研究现状

1.2.1VMT技术

1.2.2CSCW技术

1.2.3协同任务及协同过程建模技术

1.2.4协同式虚拟环境数据信息一致性技术

1.2.5CVM并发冲突控制技术

1.2.6虚拟人体运动仿真及实时交互控制技术

1.3全书主要思路和工作

1.4全书内容结构安排

第2章大型复杂装备CVMTS及其SSP开发

2.1引言

2.2大型复杂装备CVMTS功能需求分析

2.2.1大型复杂装备维修类型

2.2.2大型复杂装备维修特点

2.2.3大型复杂装备CVMT需求分析

2.2.4大型复杂装备CVMTS功能设计

2.3基于HIA和MAS的大型复杂装备CVMTS总体设计

2.3.1大型复杂装备CVMTS设计方法分析

2.3.2基于HLA和MAS的大型复杂装备CVMTS设计方法

2.3.3大型复杂装备CVMTS及其SSP框架结构

2.4大型复杂装备CVMTS联邦成员功能结构设计

2.4.1仿真运行管理联邦成员

2.4.2协同维修仿真模型联邦成员

2.4.3维修人员操作训练联邦成员

2.4.4沉浸式VME联邦成员

2.5大型复杂装备CVMTS及其SSP实现方法研究

2.5.1支持服务层

2.5.2对象知识层

2.5.3仿真应用层

2.5.4用户界面层

2.6小结

第3章CVMT中维修任务过程建模及其动态分配策略

3.1引言

3.2CVMTS中维修任务过程建模分析

3.2.1维修任务过程建模相关概念及定义

3.2.2协同式维修任务过程建模特点

3.2.3协同式维修任务过程层次化建模

3.3基于Petri网的协同式维修任务过程建模分析

3.3.1基于Petri网的协同式维修任务过程建模技术

3.3.2基于层次化Petri网的逻辑结构建模

3.3.3面向维修人员的逻辑关系建模

3.3.4协同式维修任务过程模型的状态演化分析

3.4协同式维修任务过程建模及其动态分配策略研究

3.4.1基于HCPN的协同式维修任务过程模型

3.4.2基于CMTPS_HCPN的维修任务过程建模规则

3.4.3基于CMTPS_HCPN的维修任务过程建模

3.4.4协同式维修任务动态分配决策

3.5小结

第4章CVMTS维修操作过程建模与仿真研究

4.1引言

4.2CVMTS维修操作过程建模分析

4.2.1协同式维修操作过程特点

4.2.2CVM操作过程模式分析

4.3基于时间CPN的CVM操作过程描述

4.3.1维修对象

4.3.2维修人员

4.3.3维修资源

4.3.4CVM操作过程

4.4CVM操作过程建模与仿真实现

4.4.1协同式维修操作模型

4.4.2面向装配体的拆卸／装配模型

4.4.3CVM操作过程模型

4.4.4CVM拆卸操作过程仿真算法实现

4.4.5CVM装配操作过程仿真算法实现

4.5小结

第5章虚拟人体运动仿真及其协同式交互控制

5.1引言

5.2CVMTS中的虚拟人体建模技术

5.2.1虚拟人体骨架模型

5.2.2虚拟人体皮肤建模技术

5.2.3虚拟人体皮肤变形方法

5.3虚拟人体运动仿真模型

5.3.1虚拟人体骨架运动坐标系

5.3.2四元数旋转及插值

5.3.3虚拟人体骨架运动模型

5.3.4虚拟人体皮肤变形实现

5.4多个虚拟维修人员的协同交互控制技术

5.4.1CVM中的人机交互控制技术

5.4.2被动式光学运动捕捉技术

5.4.3多人运动捕捉数据的信息补偿方法

5.4.4CVM中人机交互特征建模

5.4.5协同式人机交互控制模型

5.5小结

第6章CVMTS中异构数据信息的交互通信与协同处理

6.1引言

6.2CVMTS中异构数据信息的分发管理

6.2.1CVMTS中异构数据信息描述需求分析

6.2.2基于XML的异构数据信息描述

6.2.3CVMTS中的DDM优化方案

6.3CVMTS中的并发冲突控制策略

6.3.1CVMTS中的并发冲突类型

6.3.2基于HLA所有权管理的并发冲突控制

6.4CVMTS仿真时间管理及数据一致性实现

6.4.1CVMTS仿真时间管理机制

6.4.2CVMTS中数据一致性实现

6.5小结

第7章基于沉浸式VME的大型复杂装备CVMTS

7.1引言

7.2沉浸式CVMTS的组建与开发平台

7.2.1沉浸式CVMTS的硬件开发平台

7.2.2沉浸式CVMTS的软件开发平台

7.3沉浸式VME的关键技术研究及实现

7.3.1基于光学式动作捕捉系统的虚拟人体实时运动控制

7.3.2数据手套对虚拟人体手部动作的实时控制

7.3.3被动式立体投影技术

7.4大型复杂装备CVMTS仿真实例

7.5小结

第8章总结与展望

8.1总结

8.2展望

参考文献

内容摘要
    靠前章 绪论

    1.1 技术背景与研究意义

    维修的本质是指使产品保持或恢复到规定技术状态所进行的全部活动［1，2］，典型的维修包括准备、诊断（故障检测和定位）、更换（拆卸和装配）、调整和校准、保养、检验，以及原件修复7个步骤。导弹发射车、军用飞机、军舰和航空母舰等大型复杂装备，是集机械、液压、电子、光学、计算机、自动控制等技术于一体的复杂系统。其组成零部件数以万计，总体结构极其复杂、集成度较高，自动化、信息化和智能化水平日趋增加，使得大型复杂装备的维修难度大、操作过程复杂，常需要多个技术部门，以及维修人员的协同配合才能顺利完成相应的维修任务［3］。针对大型复杂装备的维修特点和训练任务需求，不但需要考虑装备各零部件的维修工艺、技术规范和操作步骤，而且需要考虑不同工位上维修人员的维修任务规划与合理分配，以及维修操作过程中多个维修人员相互之间的协同配合。

    然而，当前大型复杂装备的维修教学和训练主要依赖于实际装备。由于受到实装数量和训练场地的，受训人员数量及其训练时间难以保证，训练效率低下、成本较高［4］。同时，结合实装进行维修训练，操作模式和训练内容极其有限，受训人员对于零部件故障现象及其维修操作的理解与体会较为抽象，不能直接获取真实有效的维修知识与操作技能。尤其对于新型复杂武器装备，在装备到位之前无法开展相应的维修训练。考虑到新型武器装备造价昂贵、系统组成复杂和战备的完好性需求，其配备部队后也不可能被用于维修训练，从而导致相应的维修技术人员极其缺乏。当武器装备在野外实装演练和作战过程中出现故障时，需要返厂进行故障检测和维修，时间周期长，效率低下，且成本较高，战时还会贻误战机或者造成装备受毁，严重制约了大型武器装备的实战生存和作战能力。这是当前靠前军事信息化建设飞速发展的情况下迫切需要解决的技术难题。

    与传统的维修训练手段相比，虚拟维修训练（virtual maintenance training，VMT）技术具有较好的通用性、可重用性和资源共享性，便于系统维护和扩展，降低了开发成本、缩短了开发周期，为国防工业和军事领域复杂装备的日常维护和故障维修训练提供了经济有效的解决途径。但是，现有的研究成果和应用系统［4-16］主要是针对单个维修人员的操作训练需求，对基于非沉浸式或桌面式虚拟现实（virtual reality，VR）技术开发单机维修训练系统涉及的各项技术进行研究和探索，没有考虑多个维修人员之间的相互配合和协同操作等问题，不能够真实地展示大型复杂装备实际维修操作过程的本质实现。

    协同式虚拟维修（collaborative VM，CVM)技术正是为了解决大型复杂装备真实维修训练的迫切需求，在将VM技术与计算机支持的协同工作（computer supported cooperative work，CSCW）技术相结合的基础上逐步发展起来的。CVM在实现多个维修人员共享维修资源和数据信息的同时，还能实现其相互之间的协同感知和配合操作，从而为多个维修人员协同进行大型复杂装备的维修操作训练提供支撑技术，并对其维修性分析、维修方案优化设计和人因工程分析提供技术手段。然而，CVM技术涉及的理论知识和技术领域较为广泛和复杂，相应的训练系统开发难度较大，因此这方面的研究不多。

    近年来，一些学者尝试用复杂系统建模方法和分布式仿真技术对协同式维修过程进行建模和仿真，取得了一定的效果［17-20］。目前，靠前外的研究主要集中于大型复杂装备的协同设计、维修性分析与设计、人因工程分析等应用领域，对于CVM及其训练模式只是进行了初步的技术研究。对于通过开发具有较好通用性和可扩展性的仿真平台，组建具有较好沉浸感的虚拟环境（包括立体投影系统、人体运动捕捉系统、空间位置跟踪装置、数据手套等VR设备和VR仿真平台）开展CVM训练（CVM training，CVMT），很少见到相关的报道和文献。本书从大型复杂装备的维修任务需求、维修操作规程和协同配合机制入手，初步探讨了多个维修人员CVMT中的各项关键技术。本书的研究对于培养维修人员真实的协同维修操作技能，进而及时恢复和保持大型武器装备的作战能力，确保作战部队在信息化战争条件下的作战和生存能力，都具有重要的军事意义和良好的经济效益。

    1.2 CVMT的相关技术研究现状

    1.2.1 VMT技术

    VM是实际维修过程在计算机上的本质实现［12］，作为一门新兴的优选仿真技术，源于汽车、飞机、船舶等复杂系统研制中对维修性工作的迫切需求［15］。VM以计算机技术、信息技术、仿真技术和VR技术为依托，在由计算机创建的，包含产品VM样机和维修人员三维人体模型，以及底层驱动数学模型的虚拟环境中，采用维修人员在回路或者驱动人体模型的方式，通过协同工作模式和人机交互控制对整个维修过程进行仿真，实现产品维修性的分析与设计、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产品维修的本质过程，以增强产品寿命周期各阶段、产品全系统各层次的辅助分析和决策控制能力［11］。

    由此可见，VM在宏观上属于仿真范畴，同时又强调具有VR系统的三个特征，即沉浸性、交互性和自主性［12］。VM主要有交互式VM和沉浸式VM两种实现方式，如表1.1所示。前者采用虚拟操作人员修理虚拟产品的方式，接近通过人体模型的控制算法来驱动对象模型完成维修操作仿真。后者采用真实操作人员修理虚拟产品的应用模式，通过VR交互外设来控制人体模型动作，实现了“人在回路”的维修操作仿真。

    表1.1 交互式VM和沉浸式VM技术对比

    如同真实维修过程一样，VMT技术研究同样需要考虑维修对象、维修人员、维修资源（维修工具、测试设备、维修设备、保障设施、备用零部件等）和维修操作过程信息4类要素。首先，通过数字样机（digital mock-UP，DMU）技术实现对维修对象、维修工具、测试设备、维修设备、保障设施、备用零部件的外观与功能行为表达。其次，利用虚拟人体建模与仿真技术实现对维修人员的行为模拟，包括真实外观、行为特性、运动仿真，以及维修操作等。很终，根据不同的实现方式，交互式VM利用维修操作过程信息，通过虚拟人体模型控制算法及DMU所提供的功能，驱动虚拟人体模型执行维修操作；沉浸式VM则根据维修过程信息对维修工作状态进行判定，实时读取VR外设的输入数据信息，从而在VME中正确地表达人体模型与DMU的行为变化实现维修作业仿真。

    随着DMU和VR等的飞速发展，VM为复杂产品的维修训练和维修性分析与设计提供了重要的技术支撑。通过开发具有较好沉浸感、交互性和可感知性的VMT环境（VMT environment，VMTE），能够为维修技术部门和操作人员提供一个获取维修知识和操作技能的训练平台。VMT系统（VMT system，VMTS）基于VME创建维修对象和维修资源的数字化模型，利用虚拟的维修过程对维修人员进行教学和训练，从而在缩减训练时间、提高训练效果、降低训练成本、保障人员装备安全和服环境条件等方面，具有实装训练无法比拟的优势。

    自20世纪90年代初至今，靠前外各研究机构和高校为了服大型复杂装备实际维修教学和训练中各种不利因素的制约，针对VMT技术及其在复杂系统中的工程应用方面，进行了大量的理论研究、尝试和创新，取得了较好的应用效果。

    1990年，美国NASA的哈勃望远镜（Hubble space telescope，HST）VMTS是该领域的典范［11，21］，也是人类历目前靠前次大规模采用VMT技术完成实际任务。1992年，英国的优选机器人研究实验室（ARRL）帮助Rolls-Royce公司利用VR技术进行飞机发动机的故障检测和维修规程学习。此后，Rolls-Royce公司又开发研究了一个皇家海军舰载原子能推进系统维修训练项目，取得了良好的军事和经济效益［22］。1995年，Lockheed Martin公司利用VM技术很好地解决了F-16战斗机项目中的维修性分析和人因学设计方面的技术问题，极大地改善了维修性设计技术手段，促进了维修性工程人员与设计人员的信息交流［23］。Boeing公司基于建立的VR实验室，采用VM技术对联合攻击机JSF的保障性进行评估和试验，提高了维修人员参与到JSF设计过程早期阶段的能力［24］。美国空军Armstrong Lab与宾夕法尼亚大学联合开发的DEPTH（design evaluation for personnel training and human factors）系统，通过人员训练与人素的设计评估进行维修与保障分析，进而提前确定维修过程内容与过程中的人力资源需求，同时将维修仿真结果输入IETM（interactive electronic technical manual）能够形成新的维修训练资料，大大减少了以往重复性的开发工作［25，26］。1998年，日本京都大学的ISHII等提供了一个可视化的Petri网建模工具，用于对虚拟场景对象行为进行较为详细的描述，从而可以快速建立VR维修训练系统［27，28］。美国联邦航空局开发了一个用于飞机检测人员培训的VR系统，方便了与飞机维修保障相关的各种研究活动的开展，并加深了受训人员对工效学相关因素对检测过程影响的理解［29］。新加坡南洋理工大学研发了基于桌面虚拟环境的维修培训系统V-REALISM，采用面向对象的思想，通过友好的可视化用户界面为培训者提供了操作的方便性和良好的学习环境［4，5］。

    与国外相比，靠前对于VMT技术及其在实际工程中的应用研究，起步相对较晚，依赖于国外优选的技术平台和靠前应用环境的结合。近几年来，随着计算机图形/图像技术、VR技术、信息技术和软件工程的日新月异，以及制造工业和军事领域日益增长的应用需求，使得靠前在该领域的技术研究和应用开发也得以快速发展，取得了一系列的研究成果。

    清华大学杨宇航等利用非沉浸式、低成本的桌面式VR技术，开发了导弹维修训练系统（MTS），该系统能够针对不同的维修对象和任务建立相应的维修训练应用系统［30］。

    军械工程学院苏群星等［6，7］设计了由虚拟样机（virtual prototyping，VP）和VM过程仿真控制两部分组成的大型复杂装备VMTS，研究并提供了基于维修知识描述网的维修知识描述方法和沉浸式VMTS仿真控制流程。Xie等［8］提出一种基于MAS的VMTS设计方法，建立了VME中受训人员的智能模型和虚拟对象的行为模型，介绍了基于概

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导语_点评_词 

精彩内容
由李向阳、张志利、王蕊、梁丰著的《大型复杂装备协同式虚拟维修训练技术》研究了协同式虚拟维修训练系统及其仿真支撑平台的总体框架设计，设计了协同式维修任务过程模型、任务分配与决策方法，建立了面向维修对象的协同式虚拟维修操作过程模型，设计了基于装配体拆卸／装配矩阵的协同式拆卸／装配操作过程控制算法，研究了其中的人机交互特征建模，建立了协同式人机交互控制模型，研究了异构数据信息转换、描述和处理，以及并发冲突控制和数据一致性实现方法。本书可作为高等学校计算机工程、仿真技术、电子信息、维修与维修性工程等相关专业本科生和研究生的教材，也可供工程技术人员和研究人员参考。

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