虚拟现实技术在装备保障课程实践技能教学中的应用

虚拟现实技术在装备保障课程实践技能教学中的应用

葛哲学 杨拥民 罗 旭

国防科技大学智能科学学院

摘要：针对当前装备保障实践教学因依赖于实装和实际操作而存在的成本高、安全性不足等问题，利用虚拟现实技术可构建基于数字样机的虚拟保障实践教学系统，较深入地探讨了具体的应用技术途径、内容设计策略和实践教学方法。

关键词：虚拟现实；装备保障；故障诊断；增强现实

0、引言

高新技术装备保障是保持和恢复其使用性能的重要手段。为培养既懂装备装备保障基本理论知识、又掌握一定保障操作实践技能的高技术人才，需要针对性开展装备故障分析、测试和诊断、保障作业等环节的实践型教学。传统的实践教学模式需要在实际装备或者实训模拟器上进行，存在教学代价高、安全性低、重复性差等突出问题。近年来，随着虚拟技术的快速发展，可以基于装备的数字样机和虚拟场景创建近似于实装的维修实验条件，对规划的保障任务开展低代价、高逼真的操作训练，实现以虚代实、虚而不假，具有广泛的应用前景。

1、虚拟现实应用于装备保障实践教学的技术途径

虚拟现实技术具有很强的通用性，当前在工业领域和教育训练中得到广泛应用，它采用人在回路浏览和操作数字样机的形式，既可以实现虚拟产品和数字世界的直观展示和沉浸认知，又可以对装配、使用等过程进行高逼真的体验。在装备保障实践教学实验过程中，根据保障任务复杂度和仿真难度的不同，可以灵活采用多种不同的虚拟现实技术实现途径。

一是桌面式虚拟保障实验。它采用最为基本的虚拟现实技术，主要通过较为简单的显示终端和键盘、鼠标等外设来进行基本的人机交互，这种方式代价较低、实现起来较简便，但缺点是沉浸感较差，一般只能模拟较为简单的装备对象和保障操作，不能对复杂的维修工艺过程进行高逼真的表现和体验。

二是沉浸式虚拟保障实验。它采用当前较为主流的虚拟现实技术，一般通过头盔显示器、环幕或者洞穴式（CAVE）显示装置来产生良好的视觉感受，而保障过程中的人机交互通过数据手套、数字手柄以及眼动、声控等自然方式来实现，其技术相对复杂、成本也较高，但产生的沉浸感很强。

三是虚实融合保障实验。高强度的复杂保障作业对实践操作要求非常高，不仅仅要“看得到”，还要“摸得着”，甚至是“用上劲”，这就需要在虚拟现实通用架构的基础上，弥补一般虚拟现实技术在触觉和力觉表现能力上的不足，通过少部分的实物样机产生虚实融合的保障场景，高强度维修过程在实物上进行，可逼真反映人体的受力和疲劳特性。

2、虚拟现实技术在装备保障中的实践教学内容设计

灵活采用各种虚拟现实技术手段构建装备保障基本实验和实践教学条件，可以对高技术装备保障人才进行虚拟化的实践认知和能力训练。应遵循高效费比和实用优先的原则，科学安排虚拟保障和实装保障两种方式，精心设计装备虚拟保障实践教学内容。

一是开展装备结构和工作原理认知教学。借助虚拟现实技术产生如同现实的良好沉浸感，不仅仅能直观了解装备的外在形体和功能表现，还能通过平移、旋转、剖切和爆炸等操作了解装备的内部组成结构，甚至通过动力学、热力学、电磁学等微观过程的仿真对工作原理进行深度认知，从而真正“吃透”装备，为开展虚拟保障操作实验奠定良好的知识基础。

二是开展装备故障仿真与征兆分析教学。涉及到故障的分析和诊断是实际装备维修中非常关键的环节，实际中往往由于无法找准故障的位置导致维修过程事倍功半。利用虚拟现实技术可以逼真模拟装备的故障征兆，对故障的发生、演化和破坏过程进行准确地可视化仿真，从而从虚拟世界中低成本地挖掘和积累故障诊断的经验。

三是开展装备维修操作技能教学。在虚拟现实世界中利用高逼真的视觉、触觉、声音等交互机制开展虚拟拆装，可以对涉及到的维修详细过程、维修路径和维修工艺进行精细化地模拟，对装备位姿和操作响应进行准确再现，并产生与实际物理操作相一致的交互感受，以虚代实完成各个维修任务的操作步骤，较好地辅助掌握装备维修操作技能。

3、基于虚拟现实技术的装备保障实践教学基本方法

在基于虚拟现实技术的实践教学过程中，为帮助学员开展虚拟保障实验并掌握保障操作技能，应采用由浅入深、由简单到复杂、循序渐进的虚拟保障教学方法。按照虚拟保障实践教学过程中的交互操作比例和自主操作程度，主要包括三种不同的教学方法。

一是基于虚拟现实的讲解演示方法，适合于没有装备保障实践经验的初级实验者。它利用所发布的固定化装备保障内容单向展示保障的基本过程和方法，实验人员主要对装备过程进行被动学习和认知，不能主动介入故障的具体业务过程。

二是基于虚拟现实的引导式操作方法，适合于有一定装备保障实践经验的中级实验者。它将保障过程的虚拟演示和实验人员的自主操作有机结合起来，通过科学设计良好的引导和防错、纠错机制，对保障过程进行有监督的、实战性的操作模拟和训练。

三是基于虚拟现实的自主实验操作方法，适合于有较强装备保障经验的高级实验者。它通过创建与实际场景几乎一致的“全盲”排故和维修任务，在没有任何提示和引导信息的情况下，由实验者本人根据自己的经验独立完成虚拟保障操作，可以很客观地训练并检验实验人员的保障技术素养和操作技能。

4、结论

在装备保障实践教学过程中，为降低传统实装教学的代价并增强实验教学安全性，利用虚拟现实技术构建基于数字样机的虚拟保障实验系统。根据装备保障任务的难度和表现手段的不同，探讨了虚拟现实技术应用与装备保障实验的技术途径、教学内容和基本方法，对于装备保障类课程实践教学的虚拟化和远程化具有较强的借鉴价值。