雷达故障虚拟诊断和维修训练系统

雷达故障虚拟诊断和维修训练系统徐绵起 徐瀚智 周新路 徐芳（94981部队 南昌市）摘 要 对雷达故障虚拟诊断和维修训练系统进行了功能设计，研究了维修知识库和虚拟环境的构建方法，提出了雷达装备故障虚拟诊断和维修训练系统的实现方案。关健词 雷达 虚拟诊断 维修训练Radar fault virtual diaqnosis and maintain drill systemXu mianqi Xu Hangzhi Zhou Xinlu Xu Wang（94981 troops Nanchang ）Abstract This article consider functional design of the Radar fault virtual diaqnosis and maintain drill system, study compose method of maintain knowledge base and theoretical environment，put forward realize plan for the Radar fault virtual diaqnosis and maintain drill system.Key word radar, virtual diaqnosis, maintain drill.装备维修训练是军队装备的重要组成部分，是培养合格维修人员的重要保证。当前雷达装备呈现出功能综合、技术先进、结构复杂、价格昂贵、更新换代快等特点，对维修人员训练提出了更高的要求。采用传统的实物模型、半实物仿真和实际装备的训练模式已不能适应装备信息化建设的要求。故研究以计算机系统为核心，综合应用模拟器、虚拟环境，构建功能强大的虚拟维修训练系统，为雷达装备维修训练提供有效的解决方案，对我军虚拟维修训练系统的普及和雷达装备维修训练现代化具有重要的参考价值。一、系统功能设计本系统具有雷达故障的虚拟诊断和维修训练双重功能，系统功能设计如下：1.显示立体人模型、立体雷达系统模型、立体分机模型、立体板级模型、立体检测图像；具有可视化原理教学、资料查询功能。对受训人员资料与训练进程记录和管理。 2.拉出分机、拉出电路板、实施检测、参数显示等所有过程均应实现人机交互、视景清晰。 3.能进行故障设置、故障识别、故障定位和故障维修，并可随时更新故障和维修数据。根据故障现象准确定位故障，故障定位至板级，部分故障定位到芯片级。 4.三台电脑联网运行，场景互动，可互相协商和控制，可扩展至多台电脑联网运行，可联结远程电脑。 5.替代实装训练对受训人员进行检测、维修训练。操作流程、操作方法和步骤符合操作规范要求。参训人员和装备状态、训练测试场景清晰逼真，可视性好，真实感强，有身临其境的效果。 6.具有不同的训练模式，满足不同知识、技术水平的受训人员训练要求。能对操作训练成绩进行客观评定分析，并能进行记录、存储。 7.具可良好的人机界面，方便受训人员进行维修训练。人机交互方式方便灵活，具有规范化的操作提示，并具有误操作警示。 8.可以在三维逼真环境中进行维修评估,通过智能推理开展维修决策。9.可以由战场或远程环境中的人员通过便携计算机，由前方人员通过实时图文、视频、虚拟演示等方式,将存在问题或疑问与后方专家交流,共同探讨维修方案。二、基于虚拟样机的智能诊断系统技术方案基于专家经验的传统故障智能诊断系统，往往得不到准确的诊断结果，必须借助于与诊断对象有关的原理性知识。故采取一种深浅知识集成表示模型 ，采用面向对象表示和产生式规则相结合的方法实现深浅知识的有效结合，以提高故障诊断的准确性。并以部分功能虚拟样机方式建立复杂装备机电系统动态运行模型，通过合理的算法和知识表示形式，最终确定故障节点，进而形成完备的故障诊断/维修动态知识库，以解决智能诊断系统的知识获取的瓶颈问题。基于虚拟样机的智能诊断系统由协同支撑平台、模型库、样机引擎和虚拟环境组成。按系统-分系统-部件的次序进行故障诊断。诊断知识分为结构、故障处理、故障机理等10类。故障知识分经验、因果和定律三种类型。其知识表示把抢修对象的原理、维护、故障机理和维修等知识，以集合框架形式分类封装于诊断辅助系统知识库。协同设计支撑平台提供一个协同设计环境，包括集成平台，以及组织管理、工作流管理、虚拟装备管理、项目管理等工具。模型库含系统级主模型、机电分系统模型、控制分系统模型、软件分系统模型和环境模型等。系统级负责在系统层次上的设计开发与样机的结构、功能、行为、性能的建模，如样机的动力学/运动学建模仿真，在特定环境下的行为建模仿真等。VP引擎包括各领域CAX/DFX工具集，对样机结构/功能/行为及环境进行模拟仿真，并将生成的仿真数据送入虚拟环境，从结构、功能及在虚拟环境中的各种行为上展示样机，如图1。虚拟环境VP引擎功能仿真性能分析行为仿真协同设计支撑平台雷达装备主模型控制分系统机电分系统软件分系统功能/性能/行为子模型图1. 基于虚拟样机的雷达智能诊断系统由于目前尚无一种涵盖多领域知识的虚拟样机构造软件，设计一个复杂机电系统虚拟样机需要采用不同领域的商业软件来实现。为此，机电控制系统用Matlab软件、机构部分用3DSMAX软件、行为部分用OpenGL来实现整个系统的仿真，如图2。图2.雷达装备信息数据系统SQL雷达装备信息数据库VC+编程OpenGL虚拟现实3DSMAX建模Matlab仿真 基于虚拟样机的智能诊断系统，按照诊断程序，一般按系统分系统部件的次序进行故障诊断。系统故障诊断涉及被诊断对象、诊断系统和人三个基本要素，其中人起决定性作用。围绕这三要素，复杂机电系统诊断知识的内容分为结构、功能、行为、操作、维护保养、故障处理、故障机理、诊断过程算法、工作环境及时间、元级控制等10类。常用的故障诊断专家系统中，经常把故障知识分为经验、因果、和第一定律三种类型知识。 原理知识以分系统部件元器件为对象，以功能虚拟样机分系统样机为基础，以各类仿真工具进行知识的获取和专家输入的经验知识相结合。 基于虚拟样机的知识表示是把抢修对象的原理知识、维护知识、故障机理知识和维修知识以集合框架的形式分类封装在诊断辅助系统知识库中，具有如下特点： (1)知识完备。知识涉及了关于装备诊断与维修的各个方面，使智能维修辅助系统具有较强的实用运用价值。 (2)深浅知识的较好结合。由于建立了装备系统及其各分系统的虚拟样机动态运行模型，所以专家知识和系统原理知识得到了较好的结合，有利于推理的实现。 (3)知识系统采用的表示方法有利于知识的分类和调用。知识系统中的诊断知识按照其本身固有特点，把面向对象的方法、故障树的方法、网格的方法有机的结合在一起。 (4)知识的扩展性。所有知识，特别是维修知识可在实际应用中不断的更新、删除和扩展。三、雷达装备虚拟维修训练系统技术方案虚拟维修训练是虚拟维修技术在装备维修训练领域的应用，以装备维修训练为研究对象，以虚拟现实技术为基础，以计算机及其相应的硬件设备为实验手段，为装备的维修训练建立起一个“实装”、“实地”和“实时”的虚拟环境，有效地为装备维修操作训练、故障检测训练和技术保障训练等提供先进的实验环境和模拟手段，用于对真实装备进行实际维修操作之前的演练，在虚拟维修实验室里，进行维修训练的“预实践”。虚拟维修训练系统就是为实现虚拟维修训练功能，利用三维建模、仿真和其它计算机软件而设计完成的系统。虚拟维修训练系统从实现方式上分为沉浸式和非沉浸式。主要区别是在于控制虚拟人的方式上，前者通过VR外设，而后者则通过驱动的方式进行训练。由于非沉浸式虚拟维修系统成本较低，应用比较广泛，故选择非沉浸式虚拟维修训练系统进行研究。根据系统功能要求分析可知，虚拟维修训练系统由4个部分组成：虚拟环境、虚拟维修过程仿真、维修知识库和系统管理，如图3。雷达虚拟维修训练系统虚拟环境虚拟维修过程仿真系统管理维修知识库虚拟维修人虚拟维修样机虚拟工具备件虚拟维修场景维修仼务描述维修动作仿真人机交互控制虚拟穿越控制样机理论知识维修过程知识雷达故障信息训练模式管理维修任务管理受训者管理图3. 雷达虚拟维修训练系统 （一）虚拟环境虚拟维修场景是为受训者在接受维修训练时提供的“实装”、“实地”、“实时”的维修环境，包括虚拟维修人、虚拟维修样机、虚拟维修工具与备件以及虚拟维修场景。虚拟维修样机和虚拟维修人是虚拟维修训练系统的主体，是维修过程仿真实现的基础。虚拟维修样机的建模包括几何特征建模、行为特征建模、交互特征建模。对几何特征建模的研究侧重于直接读取CAD模型信息，并在CAD系统中进行二次开发，将CAD系统中零件的设计信息以可扩充的中性文件的形式进行表达。对行为特征建模的研究主要是面向任务建立虚拟样机行为模型，使其与真实实体具备相同的行为特性。虚拟维修训练系统内部交互极其复杂，且系统须实时响应这些交互，对交互特征的建模需要完成交互类型定义、交互模式选择及响应算法设计等。而虚拟维修人建模则指人体模型的建立。人体模型由多个关节组成，拥有很多自由度，并且其动作还需要满足物理与生理约束，因而其运动仿真与控制是很复杂的。虚拟人动作的逼真度直接影响仿真的准确性。（二）虚拟维修过程仿真虚拟维修过程仿真的目的，是要实现虚拟维修场景中虚拟人的运动、操作动作以及虚拟人与虚拟维修样机之间交互的作用。为此，需提供必要的交互控制手段，以实现受训者实时、交互地参与虚拟维修训练。所以，虚拟维修过程仿真应包括虚拟人维修动作仿真、人机交互控制和虚拟人穿越控制。整个维修过程通过人机交互控制一系列维修动作来完成。而穿越控制则是保证虚拟环境的真实感和用户的沉浸感。（三）维修知识库维修知识库为受训者提供全方位的知识支持，不仅包括装备虚拟样机的理论知识，还包括维修过程知识和故障信息。这些数据不是简单地罗列，而是通过一定的关联形成有机整体。装备理论知识涵盖了装备几何、功能特征的各种参数，层次关系、装配关系，及装备功能原理、故障机理。维修过程知识则为维修过程提供故障检测方法、维修任务、方法等，是联系维修过程信息与故障机理的桥梁。（四）系统管理系统管理作为虚拟维修训练系统的管理者，将对受训人员、训练任务和维修模式等内容进行管理。受训人员管理不仅要求对受训人员各种资料进行记录，而且更重要的是对其训练进度进行跟踪记录。结合维修规程、拆装序列等辅助信息，随时调整训练内容。训练任务管理则是在受训人员进行维修训练时能够为其下达训练任务，对虚拟维修样机进行故障设置，在维修训练中及时给予提示，对操作进行判断，在完成维修任务后对任务完成度进行检验，评定受训人员训练成绩。训练模式管理则是为了满足不同知识、技能水平的受训人员需要，提供介绍、引导、练习、考核和自由5种模式，使受训者进入循序渐近、人机交互不断加深的训练过程。另外系统管理还应对维修训练过程中产生的各种数据进行存储和管理。（五）系统结构框架及其实现方法1、系统框架针对虚拟维修训练系统所需实现的功能，构建了通用的。系统由4部分组成：虚拟环境、数据库系统、虚拟维修仿真引擎和系统管理平台。在虚拟环境中主要完成三维模型的建立，并将模型文件以一定的格式输入到交互引擎中；在虚拟维修交互引擎中主要实现三维模型交互操作；数据库系统存储各种训练系统所需的知识，为虚拟维修训练过程的实现提供后台的数据支持和相应的维修指导；系统管理平台主要实现对数据库数据、受训人员、训练模式等进行管理，并提供一个用户界面，以方便受训人员完成训练任务。虚拟维修训练系统框架如图4。交 互 引 擎系统管理平台虚拟环境虚拟维修场景虚拟维修人虚拟维修样机（工具备件）数据库样机理论资料故障库维修过程知识（评估规则）图4.雷达虚拟维修训练系统框架2、系统实现方法三维建模是虚拟环境构建的基础，拟采用美国AUTODESK公司的3DMAX等。这些CAD软件可根据需要选择。交互引擎是整个系统的核心，拟采用的虚拟现实软件为Multigen公司的Creator/Vega、或OpenGL等，这些商业软件都提供了强大的交互操作功能。数据库是整个系统的后支撑平台，拟选用成熟的数据库软件SQL、或Oracle。系统管理平台则应通过前述的虚拟现实软件的二次开发平台，利用C + + Builder来实现。四、结束语雷达装备的快速更新和发展，使得对它们进行快速高效的技术保障越来越困难。尽快提高雷达兵部队技术人员维修保障能力，是当前刻不容缓的重大课题。本文对雷达故障虚拟诊断和维修训练系统进行了功能设计，研究了维修知识库和虚拟环境的构建方法，最后提出了雷达装备维修训练专家系统和雷达装备虚拟维修训练系统的实现方案。参考文献1刘颖、朱元昌.通用雷达装备虚拟维修训练系统设计J.军械工程学院学报，2004.16（4）：19-22.2郑坚、关正西.构建基于虚拟现实技术的导弹模拟训练系统