王海濤，翟仕奇,,，王碩，錢坤，鄧慶

面向高自由度的發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修考核方法設(shè)計(jì)

王海濤1，翟仕奇*,1,2，王碩1，錢坤1，鄧慶2

（1.陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；2.31619部隊(duì)，江蘇 鎮(zhèn)江 212421）

在發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修訓(xùn)練考核中，為了克服傳統(tǒng)考核模式的單一性和評(píng)判規(guī)則的固定性，引入高自由度設(shè)計(jì)規(guī)則，通過(guò)將每個(gè)虛擬維修訓(xùn)練模塊的考核內(nèi)容納入考核全過(guò)程動(dòng)態(tài)調(diào)整中，打破理論知識(shí)、形態(tài)認(rèn)知、虛擬拆裝、維護(hù)保養(yǎng)、故障排除五個(gè)模塊之間的相互獨(dú)立性，采用智能組卷策略，合理設(shè)計(jì)考核科目，設(shè)置了考核流程科目隨機(jī)、考核內(nèi)容動(dòng)態(tài)調(diào)整和考核標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判多樣三種高自由度考核方法，使各模塊考核內(nèi)容關(guān)聯(lián)化，評(píng)判規(guī)則多樣化，形成緊貼實(shí)際、自由靈活、科學(xué)高效的發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修考核方法。

發(fā)動(dòng)機(jī)；虛擬維修；考核方法設(shè)計(jì)；高自由度

發(fā)動(dòng)機(jī)是機(jī)械裝備的核心動(dòng)力組件，其性能的發(fā)揮直接制約著裝備整裝性能，甚至影響裝備保障任務(wù)的完成效果。隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)及3D建模技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬教學(xué)逐漸普及，為發(fā)動(dòng)機(jī)維修訓(xùn)練提供了一種新的實(shí)現(xiàn)途徑[1]。

發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修系統(tǒng)通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)維修過(guò)程和方法，主要使受訓(xùn)者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)具備初步的直觀認(rèn)識(shí)，熟悉發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)組成、工作原理及零部件的裝配關(guān)系，并能夠在虛擬系統(tǒng)中完成發(fā)動(dòng)機(jī)的虛擬拆裝、維護(hù)保養(yǎng)、故障排除等維修操作。訓(xùn)練結(jié)束后，受訓(xùn)者通過(guò)系統(tǒng)完成發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修考核，并由系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)其評(píng)價(jià)[2-3]。

在發(fā)動(dòng)機(jī)維修過(guò)程中，由于維修習(xí)慣、維修方法和維修技能等方面的差異，維修人員在面對(duì)同一維修任務(wù)時(shí)，所選擇的維修方法有所不同，維修步驟千差萬(wàn)別，維修過(guò)程存在高自由度的特點(diǎn)。在問(wèn)題解決方案上，維修人員根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)、技能水平和維修進(jìn)度狀況，靈活調(diào)整維修步驟，具有較高的自主選擇權(quán)，尤其體現(xiàn)在零部件拆裝、保養(yǎng)及故障排除方面。因此，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)維修過(guò)程的高自由度特點(diǎn)，在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修考核方法設(shè)計(jì)時(shí)，將高自由度特點(diǎn)融入到考核方法設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)一種既貼近維修工作實(shí)際又符合維修規(guī)律的考核方法[4-5]。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修主要內(nèi)容

為了使受訓(xùn)人員熟練掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)性能、工作原理、維修技能等內(nèi)容，按照發(fā)動(dòng)機(jī)維修工作實(shí)際，發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基礎(chǔ)認(rèn)知、結(jié)構(gòu)原理、虛擬拆裝、維護(hù)保養(yǎng)、故障排除和訓(xùn)練考核等六大功能模塊，每個(gè)功能模塊按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，具體內(nèi)容如圖1所示。

1.1 基礎(chǔ)認(rèn)知

基礎(chǔ)認(rèn)知模塊主要用于展示介紹發(fā)動(dòng)機(jī)的主要用途、外部形態(tài)、基本組成及配合約束關(guān)系。發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修系統(tǒng)設(shè)計(jì)以固定點(diǎn)位和自由視角兩種方式提供漫游觀察與基礎(chǔ)認(rèn)知，受訓(xùn)者可以在虛擬場(chǎng)景中漫游，沉浸式觀察發(fā)動(dòng)機(jī)的形態(tài)與組成。

1.2 結(jié)構(gòu)原理

結(jié)構(gòu)原理模塊主要以視頻動(dòng)畫(huà)、語(yǔ)音講解、文字介紹等方式，展示發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、零部件的組成結(jié)構(gòu)、幾何形態(tài)、連接關(guān)系和工作原理等。該模塊讓受訓(xùn)者在操作過(guò)程中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的工作過(guò)程、連接關(guān)系、運(yùn)動(dòng)機(jī)理及力的傳遞等內(nèi)容形成直觀、形象的認(rèn)知與理解。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修訓(xùn)練內(nèi)容

1.3 虛擬拆裝

虛擬拆裝是維修保養(yǎng)和故障排除的基礎(chǔ)技能，該模塊根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)、典型部件的結(jié)構(gòu)原理與約束關(guān)系，分析、規(guī)劃拆裝序列，構(gòu)建面向發(fā)動(dòng)機(jī)部件的拆裝矩陣與解算模型，結(jié)合方法提示、序列引導(dǎo)、邊界約束、錯(cuò)誤警告等輔助手段，使受訓(xùn)者掌握重要零部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和拆裝方法，進(jìn)一步強(qiáng)化發(fā)動(dòng)機(jī)維修技能奠定基礎(chǔ)，其訓(xùn)練流程如圖2所示。

1.4 維護(hù)保養(yǎng)

維護(hù)保養(yǎng)的基本任務(wù)是使發(fā)動(dòng)機(jī)保持清潔完整、潤(rùn)滑良好、調(diào)整適當(dāng)、緊固可靠的良好工作狀態(tài)，以減少磨損、降低消耗、延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命，該模塊使受訓(xùn)者逐步深入熟悉和掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)時(shí)機(jī)、內(nèi)容與方法[6]，其訓(xùn)練流程如圖3所示。

圖2 虛擬拆裝訓(xùn)練流程

圖3 維護(hù)保養(yǎng)訓(xùn)練流程

1.5 故障排除

故障排除是發(fā)動(dòng)機(jī)維修的主要工作，該功能模塊在虛擬仿真環(huán)境下運(yùn)用語(yǔ)音、文字、高亮顯示、圖像仿真、儀表指示等多種方式呈現(xiàn)故障現(xiàn)象，引導(dǎo)受訓(xùn)者按照選擇合適的維修操作進(jìn)行故障排除。其工作界面如圖4所示，故障排除訓(xùn)練流程如圖5所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修系統(tǒng)故障排除模塊

圖5 故障排除訓(xùn)練流程

1.6 訓(xùn)練考核

考核是發(fā)動(dòng)機(jī)維修訓(xùn)練的最后環(huán)節(jié)，是檢驗(yàn)受訓(xùn)人員訓(xùn)練質(zhì)量好壞的重要手段。發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修系統(tǒng)訓(xùn)練考核主要采取理論考核和操作考核兩種模式：理論考核包括理論知識(shí)考核和形態(tài)認(rèn)知考核；操作考核包括虛擬拆裝考核、維護(hù)保養(yǎng)考核和故障排除考核。系統(tǒng)通過(guò)智能化組卷，合理設(shè)計(jì)考核流程，全程跟蹤記錄考生操作信息，將操作數(shù)據(jù)與評(píng)判規(guī)則相匹配，并結(jié)合評(píng)價(jià)綜合模型，客觀評(píng)價(jià)考生的訓(xùn)練效果。

2 考核設(shè)計(jì)中高自由度涵義

自由度原本指計(jì)算某一變量時(shí)取值不受限制的個(gè)數(shù)。在數(shù)學(xué)上自由度用來(lái)表示某隨機(jī)向量能被完整描述所需的最小維度數(shù)；在力學(xué)中自由度用來(lái)表示確定某種機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)必須給定的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的坐標(biāo)數(shù)；在統(tǒng)計(jì)學(xué)中自由度用來(lái)表示估計(jì)總體參數(shù)時(shí)樣本統(tǒng)計(jì)量中獨(dú)立或能自由變化的變量數(shù)。在發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修考核方法設(shè)計(jì)中，自由度主要指維修人員選擇維修過(guò)程和維修步驟的多樣性[7]。

傳統(tǒng)虛擬訓(xùn)練考核提前抽組考核題目，固定設(shè)置考核流程，組卷策略簡(jiǎn)單，考核模式較為單一。本文在發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修考核方法設(shè)計(jì)中，引入高自由度概念，打破考核模塊獨(dú)立的傳統(tǒng)模式，充分結(jié)合考核內(nèi)容和考核流程，將兩者融入到考核過(guò)程動(dòng)態(tài)變化中。比如，任由考生選擇考核順序、采取智能化組卷策略動(dòng)態(tài)調(diào)整考核試題、允許考生在符合規(guī)范的前提下選擇多種操作方法等。

發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修考核的高自由度設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在考核流程科目隨機(jī)、考核內(nèi)容動(dòng)態(tài)調(diào)整、考核標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判多樣三個(gè)方面。

2.1 考核流程科目隨機(jī)

在傳統(tǒng)虛擬維修考核流程中，考生只能按照設(shè)定好的流程，根據(jù)考核過(guò)程引導(dǎo)逐項(xiàng)完成考核內(nèi)容，考生自身沒(méi)有自主選擇性。本文設(shè)計(jì)考核流程科目隨機(jī)的高自由度，允許考生在考核過(guò)程中具有選擇考核科目順序的自主性。

發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修系統(tǒng)在虛擬車間分散設(shè)置考核科目，當(dāng)考生進(jìn)入虛擬考核環(huán)境后，根據(jù)考生漫游路徑，系統(tǒng)考核環(huán)境提示考生是否就當(dāng)前考核科目接受考核，其考核流程示意圖如圖6所示。比如，如果考生先漫游至虛擬拆裝考區(qū)，系統(tǒng)提示考生是否接受此科目考核，此時(shí)，考生具有自主選擇權(quán)，若考生接受此科目考核，則優(yōu)先進(jìn)行虛擬拆裝考核。該科目考核結(jié)束后，考生再隨機(jī)漫游至其他考區(qū)，直至完成所有考核。

因此，在具有科目隨機(jī)高自由度的考核流程中，隨著考生的能力水平、漫游路徑、個(gè)人習(xí)慣、臨考狀態(tài)的不同，科目考核順序也會(huì)產(chǎn)生較大區(qū)別。這種個(gè)性化和差異化的考核設(shè)計(jì)，使考生具有較高的自主選擇性，可以根據(jù)自己的實(shí)際情況作出適合自己的選擇，由此打破了考核科目順序固定的傳統(tǒng)模式。

圖6 考核流程科目隨機(jī)的高自由度設(shè)計(jì)

2.2 考核內(nèi)容動(dòng)態(tài)調(diào)整

傳統(tǒng)考核模式考前完成抽組試題，其組卷策略大多采取隨機(jī)抽取法，雖能基本按照知識(shí)點(diǎn)分布情況分配試題，但是此方法較為簡(jiǎn)單呆板，無(wú)法滿足現(xiàn)今多變的考核要求[8]?？己藘?nèi)容動(dòng)態(tài)調(diào)整的高自由度設(shè)計(jì)隨著考核過(guò)程的動(dòng)態(tài)發(fā)展調(diào)整題目?jī)?nèi)容，只在當(dāng)前科目考核完畢后、確定后續(xù)考核科目前進(jìn)行抽組。一方面，由于考核流程科目隨機(jī)的高自由度設(shè)計(jì)，考生選擇考核科目順序不同，考核知識(shí)點(diǎn)有所差異，組卷依據(jù)的知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度發(fā)生變化，直接影響后續(xù)考題抽??；另一方面，系統(tǒng)分析考核成績(jī)，實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)依據(jù)，優(yōu)化組卷模型約束條件，保證試題抽取的適應(yīng)性。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)按照考核順序依次抽組試卷，根據(jù)考核內(nèi)容動(dòng)態(tài)調(diào)整，其組卷流程如圖7所示。

圖7 考核內(nèi)容動(dòng)態(tài)調(diào)整組卷流程

本文建立題目難易度、知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度以及錯(cuò)誤率等多項(xiàng)約束條件，采取遺傳算法組卷策略[9]。該組卷算法將題目的屬性分為：試卷總分、答題總時(shí)間、題型分布、知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度、試卷難度分布，題目難易度值劃分如表1所示。

表1 題目難易度值

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修考核組卷約束條件

根據(jù)表2發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修考核組卷約束條件，建立目標(biāo)矩陣：

該矩陣中，為一套試卷總題目數(shù)，每一行代表一道題目，行元素代表每道題目的約束條件。當(dāng)目標(biāo)矩陣符合所有約束條件時(shí)，試卷抽組才算完成，否則要優(yōu)化約束條件，不斷回溯繼續(xù)抽組，直到條件滿足為止[10]。

目標(biāo)矩陣涵義如表3所示。

表3 目標(biāo)矩陣涵義

試卷約束條件計(jì)算規(guī)則如下所示：

（1）約束條件1：試卷總分。

（2）約束條件2：答題總時(shí)間

（3）約束條件3：題型分布

（4）約束條件4：知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)度

（5）約束條件5：試卷難度

基于多種約束條件的個(gè)性化組卷策略，篩選組合題庫(kù)中題目，針對(duì)不同考核者實(shí)現(xiàn)了智能化組卷，動(dòng)態(tài)調(diào)整考核內(nèi)容，保證考核內(nèi)容的綜合性和全面性，更加有助于對(duì)考生的虛擬維修水平進(jìn)行合理評(píng)價(jià)。

2.3 考核標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判多樣

在發(fā)動(dòng)機(jī)維修考核實(shí)踐中，考生的各項(xiàng)操作步驟是否符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，主要由考官實(shí)時(shí)實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)評(píng)判。在現(xiàn)場(chǎng)考核中，考生的所有行為可視可見(jiàn)，包括作風(fēng)紀(jì)律和操作步驟等，均在考官注視下進(jìn)行。考核時(shí)考生只要不違反操作規(guī)程，不損傷機(jī)器設(shè)備，科學(xué)合理的范圍內(nèi)的操作都會(huì)被允許，考核結(jié)果由考官進(jìn)行綜合評(píng)判。

當(dāng)前虛擬維修系統(tǒng)考核設(shè)計(jì)時(shí)，大多按照某一操作標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置了固定序列，考生唯有嚴(yán)格按照此序列操作，才能完成考核。這種考核設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)置簡(jiǎn)單，評(píng)價(jià)規(guī)則相對(duì)單一，可供考生選擇的方法不具有多樣性，也不符合客觀實(shí)際。因此，面向高自由度的發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修考核，需要根據(jù)實(shí)際操作規(guī)程和維修考核經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置多種操作序列，提供考生多樣化選擇并予以合理評(píng)判。

（1）虛擬拆裝的高自由度設(shè)計(jì)

零部件拆卸存在先后順序，用拆卸優(yōu)先關(guān)系來(lái)表示，得到所有零部件的拆卸優(yōu)先關(guān)系圖DA，設(shè)DA＝{,}，為零件集合，為有向邊集合，對(duì)于有向邊e∈表示零件優(yōu)先于零件拆卸[11]。

在一般的零部件拆卸優(yōu)先關(guān)系圖中引入穩(wěn)定性因素：零部件間存在重力支撐關(guān)系以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的連接為穩(wěn)定性連接，用增強(qiáng)鄰接矩陣表達(dá)具有穩(wěn)定連接性的拆卸優(yōu)先關(guān)系，設(shè)＝{l}，表示零件對(duì)零件具有穩(wěn)定性約束。如果有向邊e存在，則l＝１，即零件優(yōu)先于零件拆卸；零件、間存在穩(wěn)定性連接關(guān)系，則l＝2，即零件需緊接零件拆卸，否則導(dǎo)致部件不穩(wěn)定；有向邊e不存在，則l＝0，即零件、之間不存在直接的優(yōu)先關(guān)系，如表5所示。

表5 增強(qiáng)鄰接矩陣取值涵義

在機(jī)械機(jī)構(gòu)中，部件越復(fù)雜，存在的約束關(guān)系也就越復(fù)雜。虛擬拆裝設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到零件的高自由度特點(diǎn)，其拆裝的優(yōu)先關(guān)系存在著較大的差異。當(dāng)前研究者側(cè)重于尋求最優(yōu)拆裝路徑算法，如蟻群算法、遺傳算法、離散布谷鳥(niǎo)算法等，但對(duì)于高自由度的拆裝設(shè)計(jì)鮮有涉及[12-14]。

以虛擬拆卸為例，根據(jù)零部件幾何約束關(guān)系，本文通過(guò)蟻群算法求得最優(yōu)序列，并以拆卸方向、工具改變次數(shù)和過(guò)程穩(wěn)定性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立虛擬拆卸序列評(píng)價(jià)目標(biāo)函數(shù)為：

式中：f()為單次拆卸操作評(píng)價(jià)指標(biāo)；min∑f()為拆卸序列最優(yōu)化時(shí)的目標(biāo)函數(shù)值。

式中：ω（＝1, 2, 3）為權(quán)重系數(shù)；s（＝1, 2, 3）為目標(biāo)影響因子。當(dāng)c＝2時(shí)，1＝0.1；否則1＝1。拆卸序列→，如果拆卸方向相同，則2＝0.1；否則2＝1。拆卸序列→，拆卸工具相同，則3＝0.1；否則3＝1，具體計(jì)算方法參照基于蟻群算法的選擇性拆卸序列規(guī)劃研究。

同理，虛擬分解、虛擬裝配和虛擬安裝按照此方法建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)目標(biāo)函數(shù)。虛擬拆裝的高自由度設(shè)計(jì)，模擬真實(shí)零部件約束關(guān)系，使考生在虛擬環(huán)境操作中有充分的自由選擇，更加符合拆裝實(shí)際。

（2）維護(hù)保養(yǎng)的高自由度設(shè)計(jì)

維護(hù)保養(yǎng)考核中，其高自由度的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在保養(yǎng)任務(wù)完成順序方面，即在規(guī)范條件下，允許考生自由選擇保養(yǎng)任務(wù)完成的先后順序。但是考慮到過(guò)高的自由度設(shè)計(jì)會(huì)給系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和運(yùn)行帶來(lái)困難，因此，在符合實(shí)際需求條件下，在完成每項(xiàng)保養(yǎng)任務(wù)時(shí)不再設(shè)置操作的自由度，考生需按照規(guī)定步驟完成具體保養(yǎng)任務(wù)。

（3）故障排除的高自由度設(shè)計(jì)

在故障排除考核中，發(fā)動(dòng)機(jī)故障的原因是多方面的，因此在設(shè)計(jì)自由度時(shí)在排除故障原因順序之間設(shè)置自由度，也就是允許考生自由選擇故障排除完成的先后順序。同樣考慮到系統(tǒng)設(shè)計(jì)繁雜的原因，對(duì)具體故障排除步驟不再進(jìn)行高自由度的設(shè)計(jì)，考生亦需按照規(guī)范要求的步驟完成故障排除。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修考核科目設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修考核設(shè)計(jì)總共設(shè)置五個(gè)考核單元，分別為理論知識(shí)、形態(tài)認(rèn)知、虛擬拆裝、維護(hù)保養(yǎng)、故障排除。每個(gè)考核單元既相互獨(dú)立，又互有關(guān)聯(lián)度，考核內(nèi)容和考核順序隨著考核進(jìn)度動(dòng)態(tài)調(diào)整。

3.1 理論知識(shí)考核設(shè)計(jì)

理論知識(shí)單元是對(duì)原理示教內(nèi)容的考核，主要考查考生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理和組成結(jié)構(gòu)的掌握情況，題型分為單項(xiàng)選擇題、多項(xiàng)選擇題、判斷題三種題型，組卷方法為智能化組卷策略。主要采取兩種考核方式：一是試卷問(wèn)答，考生需集中時(shí)間完成試卷；二是隨機(jī)問(wèn)答，將理論知識(shí)穿插在其他單元考核過(guò)程中，根據(jù)系統(tǒng)環(huán)節(jié)設(shè)置隨機(jī)提問(wèn)，答題方式依然為選擇與判斷的形式。

3.2 形態(tài)認(rèn)知考核設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)各組成部件的形態(tài)認(rèn)知是虛擬拆裝和故障維修的基礎(chǔ)，考生只有熟練辨別每個(gè)零部件才能更好地完成其他復(fù)雜的科目。該考核單元主要分為部件識(shí)別和零件識(shí)別，采取百分制?？己瞬扇∵x擇題的形式，由系統(tǒng)顯示需要判別的零部件，考生可控制模型進(jìn)行360度漫游觀察，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成判斷。形態(tài)認(rèn)知采取兩種考核方式：一是組卷考核，考生需在集中時(shí)間內(nèi)連續(xù)完成識(shí)別；二是隨機(jī)問(wèn)答，在虛擬拆裝過(guò)程中隨機(jī)設(shè)置形態(tài)識(shí)別，需要考生對(duì)拆下的零件進(jìn)行判別。

3.3 虛擬拆裝考核設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝是發(fā)動(dòng)機(jī)維修的基礎(chǔ)工作和必備技能，是虛擬維修訓(xùn)練的重要內(nèi)容之一，對(duì)維修能力的生成產(chǎn)生直接影響。虛擬拆裝考核單元主要分為四個(gè)內(nèi)容：虛擬拆卸、虛擬分解、虛擬裝配、虛擬安裝。在該單元考核設(shè)計(jì)時(shí)，不僅設(shè)置有發(fā)動(dòng)機(jī)整裝的虛擬拆裝，還有重點(diǎn)部件的拆裝（比如高壓柴油泵、燃油泵、柱塞泵等）。同時(shí)充分考慮虛擬拆裝過(guò)程中的高自由度特點(diǎn)，允許考生選擇不同的拆裝方法，并對(duì)于不同的拆裝序列進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.4 維護(hù)保養(yǎng)考核設(shè)計(jì)

維護(hù)保養(yǎng)考核單元根據(jù)其保養(yǎng)規(guī)范設(shè)置了五項(xiàng)內(nèi)容：清潔、緊定、調(diào)整、潤(rùn)滑、防腐。參照保養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)，虛擬維修系統(tǒng)將保養(yǎng)流程存儲(chǔ)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)考生的每一步操作流程進(jìn)行識(shí)別判斷并評(píng)價(jià)。但發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每個(gè)系統(tǒng)或部件都有很多保養(yǎng)項(xiàng)目，每個(gè)項(xiàng)目都有一定的技術(shù)要求。因此，系統(tǒng)在進(jìn)行保養(yǎng)考核設(shè)計(jì)時(shí)，必須使保養(yǎng)內(nèi)容嚴(yán)格按照技術(shù)要求進(jìn)行，避免摻雜過(guò)多的主觀因素。

3.5 故障排除考核設(shè)計(jì)

故障排除考核是檢驗(yàn)考生發(fā)現(xiàn)故障能力和解決故障能力的重要單元。系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)典型故障排除案例，以此檢驗(yàn)考生的維修能力。按照故障排除的邏輯思維步驟，主要考查考生的故障分析、故障判斷、故障定位、故障排除等四個(gè)方面的內(nèi)容。故障排除考核設(shè)計(jì)主要考慮以下幾個(gè)方面的因素：

（1）維修工具的選擇、使用方法和歸置秩序；

（2）故障部位的識(shí)別與定位；

（3）故障情況的檢查方法；

（4）維修操作的實(shí)施步驟；

（5）維修效果的評(píng)價(jià)。

4 發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修考核流程設(shè)計(jì)

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)維修考核實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高自由度特點(diǎn)，靈活設(shè)置考核內(nèi)容和考核順序。當(dāng)考生進(jìn)入考核系統(tǒng)后，經(jīng)用戶身份驗(yàn)證進(jìn)入虛擬考核環(huán)境，考生可自由漫游至各個(gè)考區(qū)，根據(jù)自身情況選擇考核順序。當(dāng)考生到達(dá)相應(yīng)考核單元時(shí)，系統(tǒng)提示考生是否接受該單元考核，此時(shí)考生具有自主選擇性。當(dāng)考生完成某項(xiàng)考核后，系統(tǒng)提示考核完成，而后考生繼續(xù)漫游至其他考區(qū)，直至完成所有考核。

在進(jìn)行虛擬拆裝、維護(hù)保養(yǎng)和故障排除三項(xiàng)操作考核過(guò)程中，系統(tǒng)穿插進(jìn)行理論知識(shí)和形態(tài)識(shí)別的隨機(jī)問(wèn)答，同時(shí)根據(jù)已考單元考核內(nèi)容，動(dòng)態(tài)調(diào)整后續(xù)試卷考題，避免考核內(nèi)容的重復(fù)性。

考核全部結(jié)束后，根據(jù)考核評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)和操作行為記錄，系統(tǒng)對(duì)每項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行賦值打分，經(jīng)評(píng)價(jià)模型解算，給出最終的發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修等級(jí)水平，并提供各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所得分值和對(duì)應(yīng)等級(jí)的查詢。發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修系統(tǒng)考核過(guò)程部分工作界面如圖8所示。

圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修考核過(guò)程工作界面

5 結(jié)論

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修的涵義和主要內(nèi)容，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修考核的高自由度設(shè)計(jì)進(jìn)行了考核流程科目隨機(jī)、考核內(nèi)容動(dòng)態(tài)調(diào)整和考核標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判多樣等三個(gè)方面的闡述，明確了理論知識(shí)、形態(tài)認(rèn)知、虛擬拆裝、維護(hù)保養(yǎng)和故障排除五個(gè)模塊的考核內(nèi)容和考核規(guī)則，最后設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修考核的總體流程，并得到以下結(jié)論：

（1）考核流程科目隨機(jī)設(shè)置個(gè)性化和差異化特點(diǎn)，能夠適應(yīng)不同考生的考核需求。

（2）考核內(nèi)容動(dòng)態(tài)調(diào)整通過(guò)智能化組卷方式，合理調(diào)整考核內(nèi)容，使考核方法更加科學(xué)。

（3）考核標(biāo)準(zhǔn)評(píng)判多樣設(shè)置多種操作序列，提供考生多樣化選擇，使考核評(píng)價(jià)更加合理。

（4）發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬維修考核方法的高自由度設(shè)計(jì)，創(chuàng)新了虛擬訓(xùn)練考核模式，方式新穎，設(shè)計(jì)科學(xué)，能夠客觀評(píng)價(jià)考生的訓(xùn)練效果。

[1]李甜甜，姜麗娜. 基于理實(shí)一體化教學(xué)的課程和考核模式改革與實(shí)踐—以《工程機(jī)械柴油機(jī)裝調(diào)與維修》課程為例[J]. 教育現(xiàn)代化，2019，6（44）：70-71，80.

[2]劉萃. 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建在線課程的實(shí)踐教學(xué)研究與應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代職業(yè)教育，2019（14）：132-133.

[3]張玉軍，邢輝，洪增. 沉浸式虛擬戰(zhàn)場(chǎng)3維音效仿真研究[J]. 兵工自動(dòng)化，2017，36（1）：59-63.

[4]姚壽文，常富祥，李鵬宇，等. 面向虛擬維修的零件層次結(jié)構(gòu)模型[J]. 兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2019，40（5）：164-170.

[5]濮懷宇，黃家寧，韓江桂. 一種虛實(shí)結(jié)合艦船輔鍋爐維修模擬訓(xùn)練考核平臺(tái)的研制[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程，2020，20（7）：2905-2912.

[6]魯冬林，王海濤，曾擁華. 裝備保障理論與應(yīng)用[M]. 南京：陸軍工程大學(xué)，2020：72-75.

[7]潘素娟，林麗欽. 概率統(tǒng)計(jì)中自由度的理解與應(yīng)用[J]. 吉林師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（4）：138-140.

[8]周文勝，潘中柱. 一種實(shí)用的隨機(jī)組卷算法的設(shè)計(jì)思想[J]. 湖南科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，26（11）：299.

[9]孟祥娟，王俊峰，曹錦梅. 利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)試題庫(kù)自動(dòng)組卷問(wèn)題. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2010，19（1）：180-184.

[10]潘婷婷，詹國(guó)華，李志華. 基于知識(shí)點(diǎn)與錯(cuò)誤率關(guān)聯(lián)的個(gè)性化智能組卷模型[J]. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2018，27（5）：139-144.

[11]鄧明星，王菊梅，唐秋華，等. 基于蟻群算法的選擇性拆卸序列規(guī)劃研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2018，51（3）：257-261，267.

[12]吳昊，左洪福. 基于改進(jìn)遺傳算法的選擇性拆卸序列規(guī)劃[J]. 航空學(xué)報(bào)，2009，30（5）：952-958.

[13]張秀芬，蔚剛，王磊，等. 支持復(fù)雜產(chǎn)品并行拆卸序列規(guī)劃的遺傳算法[J]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2015，27（7）：1327-1333.

[14]居文晉，王小平，安魯陵. 基于離散布谷鳥(niǎo)搜索算法的拆卸序列規(guī)劃方法[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2020（10）：14-17..

Design of Engine Virtual Maintenance Assessment Method Oriented to High Degree of Freedom

WANG Haitao1，ZHAI Shiqi1,2，WANG Shuo1，QIAN Kun1，DENG Qing2

(1.College of Field Engineering, Army Engineering University of PLA, Nanjing 210007, China;2.31619 Unit of PLA, Zhenjiang 212421, China)

In the engine virtual maintenance training assessment, in order to overcome the singleness of the traditional assessment model and the fixedness of the judgment rules, a high degree of freedom design rule is introduced, and the assessment content of each virtual maintenance training module is included in the dynamic adjustment of the entire assessment process, which breaks the independence among the five modules of theoretical knowledge, morphological cognition, virtual disassembly, maintenance and troubleshooting. Intelligent strategy is adopted for the assessment, the subjects are set randomly, the content is adjusted dynamically, and the assessment rules are diversified, which is of high degree of freedom, so that the assessment content of each module is related and at the same time with diversified assessment rules, forming a virtual engine maintenance assessment method that is close to reality, free, flexible, scientific and efficient.

engine；virtual maintenance；evaluation method design；high degree of freedom

TP391

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.11.004

1006-0316 (2022) 11-0028-08

2022-03-24

裝備預(yù)先研究共用技術(shù)項(xiàng)目：基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的裝備維修輔助技術(shù)（50904040201）

王海濤（1978－），男，安徽宿松人，碩士，副教授、碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楣こ萄b備虛擬仿真與虛擬維修，E-mail：63208452@qq.com。*通訊作者：翟仕奇（1991－），男，安徽阜陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣こ萄b備虛擬維修，E-mail：1193603916qq.com。