当前我军装备高素质实战化维修保障人才需求量大，但高等教育军事院校实验训练环境资源较为匮乏，而且实装维修保障实验成本高、故障注入模拟困难、故障模拟风险大。针对该需求，国防科技大学智能科学学院装备保障技术重点实验室创新建设了“动力装置虚拟维修综合实验”课程，在培养学员分析和解决动力装置实际维修保障问题的综合能力方面发挥重要作用，有力支撑该校本科生课程《装备保障工程学》、《无人机综合保障》教学。
一、实验基本情况
实验课程坚持“面向战场、面向部队，围绕实战搞教学、着眼打赢育人才”的新时代军校本科人才培养理念，紧密跟踪虚拟维修前沿技术发展，融入学科特色思政元素，完善内容体系，展现能力强。为全面掌握动力装置结构原理、维修性定量与定性指标体系、基于虚拟人的正向运动控制、基于虚拟人的逆向运动控制、基于虚拟人的维修可视性分析、基于虚拟人的维修可达性分析、基于虚拟人的维修舒适度分析、基于虚拟人的虚拟维修仿真等知识点，规划了动力装置结构原理认知、基于虚拟人的虚拟维修分析、多模式虚拟维修训练等实验模块，涉及到动力装置结构原理及维修性认知实验、三维参数化虚拟人创建实验等10个虚拟实验环节，通过突破以工效学虚拟人运动控制与沉浸式多模态交互为核心的多项实验系统关键技术，设计了虚拟维修分析与训练一体化实验内容体系，创建了基于工效学虚拟人的动力装置维修可视性、可达性、舒适度分析实验，形成了讲解学习、交互引导、自主考核的多模式虚拟维修训练实验教学模块。
二、实验项目设计
“动力装置虚拟维修综合实验”着重培养学员分析和解决装备在研制阶段、使用阶段面临的实际维修问题，锻炼开展全寿命周期维修性设计和维修保障系统研制方面的理论实践能力，既能夯实服务于新装备订购中维修性设计对话与质量管理方面的基本功，又能增强学员从事各类装备机电系统技术状态维持和恢复的综合业务水平。遵循装备维修保障能力的全寿命周期、全系统集成设计思路，主要开展动力装置基本结构原理认知与维修性指标确定、基于虚拟人的虚拟维修分析、人在回路的虚拟维修训练等三大类实验模块，实现装备维修保障特性的优生和优育。所涉及的实验内容如下：
（1）典型装备的结构原理
实验时可选择舰船动力装置或无人机中的任何一个对象，通过浏览其结构树和原理仿真动画、操作变换三维数字样机，对其结构组成、工作原理、空间布局、紧固方式、装配关系等进行学习和理解。
（2）装备维修性定量和定性指标体系
装备维修性定量指标是维修性的主要约束指标，包括装备修复性维修时间（MTTR）、装备预防性维修时间（MPMT）、装备维修工时率（MI）等指标的确定方法。维修性定性指标是对定量指标的有力补充和对设计过程的详细约束准则，包括简化产品及维修时间、可达性设计、通用化模块化标准化设计、防差错与识别标记设计、维修人机环工程设计、维修安全性设计等。
（3）虚拟人的正向运动学运动控制方法
正向运动学方法根据维修人员各关节的运动链关系，由D－H方程计算得到人体末端的运动方程；根据人体各关节的最大活动范围，遍历维修人员各关节可取的合理角度得到维修人员末端的可达范围；改变人体各关节的角度，可以得到人体各体段的位置。
（4）虚拟人的逆向运动学运动控制方法
逆向运动学运动控制方法效率较高，它是先通过确定维修部位及人体操作末端的位置，再对人体操作姿态逆向求解，在障碍情况下寻找存在一个合适的人体姿势达到操作部位，可以更快的对维修过程进行仿真驱动。
（5）基于虚拟人的维修可视性分析方法
利用虚拟人和可视锥理论分析人体左右单眼和双眼的可视范围，得到相应的可视图像，并可生成舒适可视范围，从而判定维修目标的可视性。改变虚拟人的姿态和头部位置，可以对可视性进行更新。
（6）基于虚拟人的维修可达性分析方法
维修可达性描述的是维修对象被维修人员所触及和达到程度的一种特性，即在对装备对象进行维修时，维修人员手部或者操作工具能够沿一定路径或方式，接近操作部位的能力。维修可达性是满足维修性要求的重要方面，要确保所操作的对象在人体可接触的范围之内，在装备设计阶段应得到充分保证。
（7）基于虚拟人的舒适度分析方法
通过人机工程分析方法和刚体动力学计算方法，可以进行人体的快速上肢分析、背部受力分析等维修强度分析，评测人体关节和体段的舒适度。根据人体能量消耗模型计算维修任务过程的能量消耗，对舒适度进行综合评价。
（8）基于虚拟人的虚拟维修仿真方法
通过建立沉浸式虚拟维修环境，采用多通道立体投影系统、立体头盔等来产生维修场景，利用位置跟踪器、动作捕捉系统、数据手套来进行人体动作的感知，从而产生具有高度沉浸感的虚拟世界，使得维修人员能够身临其境并主动进行维修操作和体验，根据维修任务进行对设备数字样机的维修作业，从而实现维修过程的模拟和训练。
三、实验特色
（1）构建了基于云架构线上线下共享的虚拟维修信息化实验技术体系。为解决大型虚拟维修软件容量大（＞10G）、成本高而导致的实验准备周期长、在线维护工作量大等不足，最大程度发挥大型虚拟维修软件的实验效能，构建基于云架构的信息化实验技术体系，可实现实验软件的线上线下共享和实时化、轻量化使用，并能将线下沉浸式虚拟维修实验资源融入线上教学。
（2）着眼新型保障人才需求，设计了综合化、多类型、多模式的虚拟维修实验内容。紧密跟踪虚拟维修前沿技术发展，融入学科特色思政元素，完善内容体系，服务于不同类型、专业、层次维修保障人才培养。为帮助学员掌握虚拟维修核心知识点，设计了虚拟维修分析与训练一体化实验内容体系，创建了基于工效学虚拟人的动力装置维修可视性、可达性、舒适度分析实验，形成了讲解学习、交互引导、自主考核的多模式虚拟维修训练实验教学模块。
（4）实验资源与模式拓展能力强，能不断激发学员学习兴趣与虚拟维修创新能力。实验具有较强的拓展能力，能根据各类军民用装备的动力装置结构，拓展虚拟维修实验资源，支撑形成桌面式、沉浸式等不同模式的实验能力，帮助学员掌握各类动力装置的维修性形成规律和维修赋能方法，激发学员实验学习的兴趣，并激励学员开展AR维修等新技术的研究与应用创新。
实验已经为该校智能科学学院机械工程、无人装备工程等六个专业课程提供配套的虚拟维修实验，同时服务于该校装备维修管理培训班的实践教学。实验具有较强的拓展能力，能根据各类军民用装备的动力装置结构，拓展虚拟维修实验资源，支撑形成桌面式、沉浸式等不同模式的实验能力，帮助学员掌握各类动力装置的维修性形成规律和维修赋能方法，激发学员实验学习的兴趣，并激励学员开展AR维修等新技术的研究与应用创新。
