周聞云　董自衛(wèi)　原瑞宏　李翠玲

摘 要： 單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)維修，作為一門(mén)新興課程，涵蓋大量設(shè)備信息和相關(guān)知識(shí)，單靠傳統(tǒng)的教學(xué)手段是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。本文針對(duì)該課程的特點(diǎn)探討了仿真專修室的建設(shè)，主要運(yùn)用信息化手段和現(xiàn)代媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交流、自助自主學(xué)習(xí)、裝備仿真模擬維修訓(xùn)練，以及在線考核等項(xiàng)目，為單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)教學(xué)的實(shí)踐訓(xùn)練奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 仿真專修室 單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng) 維修教學(xué)

現(xiàn)今時(shí)代越來(lái)越離不開(kāi)信息化交流，各類信息技術(shù)、多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的高速發(fā)展，為學(xué)校的教育手段、方法提供了多元化途徑。隨著知識(shí)的更新速度如爆炸般地加快，促使每個(gè)學(xué)科在有限的時(shí)間里更高效地完成教學(xué)任務(wù)。要學(xué)生在短時(shí)間里接受大量知識(shí)，又有效地用以實(shí)踐，傳統(tǒng)黑板式教學(xué)顯然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[1]。而我們學(xué)科主要培養(yǎng)的是步兵裝備維修人才，尤其是針對(duì)單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)這種全新復(fù)合型維修人才的培養(yǎng)，除了必要的理論學(xué)習(xí)外，更要有大量的實(shí)踐訓(xùn)練，這就要求專業(yè)需配置大面積的訓(xùn)練場(chǎng)地、大量訓(xùn)練用器材和裝備及足夠的師資力量，然而目前的資源仍然無(wú)法讓每位學(xué)生得到充分鍛煉。所以，用新科技、新技術(shù)改變現(xiàn)行專修室格局迫在眉睫。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的探索和研究，我們進(jìn)行了適合單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)教學(xué)的仿真專修室建設(shè)[2][3]。

單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真專修室采用全程3D動(dòng)畫(huà)立體化教學(xué)。由多塊大屏幕并行展示教學(xué)內(nèi)容，達(dá)到多學(xué)科技術(shù)協(xié)同式教學(xué)的目的。采用最新體感交互技術(shù)，替代傳統(tǒng)的接觸式人機(jī)交互模式，實(shí)現(xiàn)虛擬維修的操作體驗(yàn)；采用先進(jìn)的光譜立體顯示技術(shù)，展示實(shí)裝的結(jié)構(gòu)，替代傳統(tǒng)的教學(xué)模型，形象逼真，節(jié)約空間。采用立體教材，將系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識(shí)講解、裝備的原理結(jié)構(gòu)、維護(hù)保養(yǎng)、維修、考核等學(xué)習(xí)內(nèi)容，用生動(dòng)活潑的3D動(dòng)畫(huà)、嚴(yán)肅游戲的形式表現(xiàn)出來(lái)，改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，為教員提供豐富的教學(xué)資源，為學(xué)生提供寓教于樂(lè)的自主學(xué)習(xí)模式。以電子掛圖、電子示教板替代傳統(tǒng)呆板的掛圖、示教板，并配以動(dòng)畫(huà)、聲音、翻頁(yè)，使其具有交互功能。

一、虛擬仿真專修室硬件建設(shè)

本專修室由下列硬件構(gòu)成：

大屏幕觸摸屏教學(xué)系統(tǒng)：3面觸摸屏一體機(jī)，用于立體教材的教學(xué)、機(jī)電液原理的協(xié)同教學(xué)、遠(yuǎn)程示教。在協(xié)同教學(xué)中，3面一體機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)進(jìn)行同步通信?？捎糜诜?yè)展示立體教材。

電子示教觸摸屏：8面觸摸屏一體機(jī)。電子示教觸摸屏既可用于電子掛圖的翻頁(yè)展示，內(nèi)置電子掛圖軟件，又具備定點(diǎn)放大、縮小、移動(dòng)等功能。

學(xué)生機(jī)：20臺(tái)。學(xué)生機(jī)上裝備各類符合本實(shí)驗(yàn)室四階段教學(xué)相關(guān)的軟件，學(xué)生利用鼠標(biāo)進(jìn)行操作，滿足學(xué)生預(yù)習(xí)、訓(xùn)練、考核的需求。

體感設(shè)備：1臺(tái)，無(wú)線交互體驗(yàn)在虛擬維修中的應(yīng)用。

立體投影機(jī)：1套，立體投影主機(jī)和投影墻。

大屏幕LED顯示系統(tǒng)：用于各類宣傳等字幕的滾動(dòng)輸出。

集成控制系統(tǒng)：對(duì)各種軟硬件系統(tǒng)的集成管控，包括開(kāi)關(guān)機(jī)、內(nèi)聯(lián)信號(hào)的發(fā)送轉(zhuǎn)移、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的備份等。

二、虛擬仿真專修室軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是為全程輔助實(shí)驗(yàn)室四階段教學(xué)過(guò)程搭建的，包含的軟件系統(tǒng)有：

立體教材：實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的交互式電子教材。

電子掛圖：內(nèi)置電子掛圖軟件，實(shí)現(xiàn)電子掛圖圖片的自動(dòng)導(dǎo)入功能，能支持翻頁(yè)、縮放、移動(dòng)等功能。

虛擬操作培訓(xùn)軟件：提供三維交互式虛擬操作軟件系統(tǒng)，將實(shí)裝設(shè)備放置在虛擬世界中，模擬和訓(xùn)練裝備的操作過(guò)程。

維護(hù)保養(yǎng)考核實(shí)訓(xùn)平臺(tái)：提供三維交互式軟件系統(tǒng)，能達(dá)到維護(hù)保養(yǎng)技能培訓(xùn)和考核的目的。

技術(shù)檢查考核實(shí)訓(xùn)平臺(tái)：提供三維交互式軟件系統(tǒng)，能達(dá)到技術(shù)檢查技能培訓(xùn)和考核的目的。

故障排除實(shí)訓(xùn)平臺(tái)：三維交互式軟件系統(tǒng)，能達(dá)到故障排除技能培訓(xùn)和考核的目的。

游戲天地：將嚴(yán)肅游戲應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室教學(xué)當(dāng)中，輔助學(xué)員從預(yù)習(xí)、訓(xùn)練到考核多個(gè)階段的學(xué)習(xí)過(guò)程。

師生互動(dòng)教學(xué)教改論壇：采用E—Learning的教學(xué)模式[4]，將學(xué)生和老師在教學(xué)教改方面的相關(guān)信息以互動(dòng)的方式錄入進(jìn)系統(tǒng)，并對(duì)學(xué)生的專業(yè)、訓(xùn)練成績(jī)等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為教學(xué)教改提供有力依據(jù)。

（一）立體教材

立體教材采用交互式多媒體電子書(shū)方式，引入二三維交互展示[5]、游戲元素輔助于教學(xué)培訓(xùn)，大大提高學(xué)習(xí)的效率和趣味性。

針對(duì)單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)每個(gè)子系統(tǒng)軟硬及使用特點(diǎn)，采用不同的主體教材表現(xiàn)方式，立體教材包含的內(nèi)容形式有：主體教材、虛擬操作系統(tǒng)、虛擬維修訓(xùn)練、維護(hù)保養(yǎng)訓(xùn)練、虛擬拆裝訓(xùn)練系統(tǒng)、課程訓(xùn)練游戲、重難點(diǎn)、課后習(xí)題、記筆記、學(xué)生學(xué)習(xí)記錄，等等。

（二）虛擬維修訓(xùn)練與考核平臺(tái)

本平臺(tái)采用虛擬維修訓(xùn)練共性技術(shù)[6]，包括虛擬維修訓(xùn)練體系框架、支持維修訓(xùn)練的虛擬樣機(jī)模型、虛擬維修訓(xùn)練的過(guò)程與控制模型、虛擬維修訓(xùn)練數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、虛擬維修訓(xùn)練技術(shù)、虛擬維修訓(xùn)練數(shù)據(jù)與S1000D的映射技術(shù)、裝備虛擬維修訓(xùn)練通用平臺(tái)功能拓展。

1.虛擬維修訓(xùn)練體系框架

該擬維修訓(xùn)練體系框架的主要研究?jī)?nèi)容包括虛擬維修訓(xùn)練體系框架通用性研究、虛擬維修訓(xùn)練體系框架擴(kuò)展性研究、虛擬維修訓(xùn)練體系框架標(biāo)準(zhǔn)化研究，等等。

2.支持維修訓(xùn)練的虛擬樣機(jī)模型

支持維修訓(xùn)練的虛擬樣機(jī)模型的研究?jī)?nèi)容主要包括幾何虛擬樣機(jī)模型、裝備部件運(yùn)動(dòng)約束仿真模型、維修訓(xùn)練故障虛擬模型、維修工具虛擬仿真模型及研究可視化組態(tài)維修工藝編輯平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)問(wèn)題。

3.虛擬維修訓(xùn)練的過(guò)程與控制模型

虛擬維修訓(xùn)練模型包含過(guò)程模型和控制模型。維修過(guò)程信息包括：維修序列、維修路徑、維修動(dòng)作和維修資源規(guī)劃信息；維修控制信息包括維修過(guò)程控制信息及誤操作和操作延時(shí)判斷信息，允許正確的維修操作進(jìn)行下去，對(duì)誤操作和操作延時(shí)進(jìn)行記錄和辨別。

我們重點(diǎn)將維修過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)化定義，采用按工藝流程大類分別定義各流程節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)規(guī)范。在維修控制信息方面，定義控制策略信息及實(shí)現(xiàn)上層組態(tài)流控工具的開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)研究多工位維修控制問(wèn)題。維修訓(xùn)練過(guò)程模型研究包括建立維修活動(dòng)模型、維修任務(wù)分解、過(guò)程建模三部分內(nèi)容。

（1）研究和建立維修活動(dòng)模型

研究一般故障的維修活動(dòng)共性過(guò)程。

（2）對(duì)維修任務(wù)進(jìn)行分解

維修任務(wù)可分解為維修任務(wù)→維修工序→維修工步→動(dòng)作單元→基本姿勢(shì)這五個(gè)層次。虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)把一次完整的維修操作過(guò)程作為仿真對(duì)象，并建立相應(yīng)的過(guò)程仿真模型實(shí)現(xiàn)其功能。

（3）過(guò)程建模技術(shù)

目前有多種技術(shù)可用于過(guò)程建模，如IDEF3、UML、PERT、Perti網(wǎng)等。在此重點(diǎn)對(duì)Perti網(wǎng)[7]進(jìn)行研究建立維修訓(xùn)練的過(guò)程模型。

整個(gè)體系框架中包括有支持維修訓(xùn)練的虛擬樣機(jī)創(chuàng)建模塊、故障維修仿真模塊、維修訓(xùn)練評(píng)估模塊、維修訓(xùn)練系統(tǒng)運(yùn)行管理模塊、維修人員模塊、三維視景仿真系統(tǒng)模塊。

其中支持維修訓(xùn)練的虛擬樣機(jī)模塊提供創(chuàng)建支持維修的虛擬樣機(jī)的開(kāi)發(fā)工具和虛擬環(huán)境模型，同時(shí)提供可視化的維修工藝編輯平臺(tái)，以直觀的方式編輯維修各工藝流程及各步驟的具體信息。

故障維修仿真模塊由故障仿真模型、裝備原型系統(tǒng)模型、故障診斷和維修操作知識(shí)庫(kù)及專家系統(tǒng)、故障診斷和維修操作過(guò)程仿真模型組成。通過(guò)接受維修訓(xùn)練系統(tǒng)運(yùn)行管理模塊交互控制及維修人員模塊的狀態(tài)更新和數(shù)據(jù)請(qǐng)求，通過(guò)模塊底層的各類仿真模型驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算、過(guò)程分析及邏輯計(jì)算，并將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至協(xié)同維修人員模塊和三維視景仿真系統(tǒng)模塊，實(shí)現(xiàn)裝備虛擬維修訓(xùn)練不同任務(wù)模式下的故障設(shè)置、故障檢測(cè)、故障定位和故障排除過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真。

維修訓(xùn)練評(píng)估模塊包括有學(xué)員信息模塊、維修信息、維修過(guò)程監(jiān)控和評(píng)估打分系統(tǒng)。在根據(jù)不同學(xué)員的信息進(jìn)行各自維修訓(xùn)練任務(wù)過(guò)程中，通過(guò)維修過(guò)程監(jiān)控模塊對(duì)其過(guò)程行為進(jìn)行監(jiān)控，獲取維修活動(dòng)信息，由評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)判。

維修訓(xùn)練系統(tǒng)運(yùn)行管理模塊負(fù)責(zé)整個(gè)虛擬維修訓(xùn)練通用平臺(tái)的管理、維修訓(xùn)練環(huán)境生成和維修活動(dòng)及維修行為過(guò)程監(jiān)控管理。

維修人員操作模塊通過(guò)捕捉VR外設(shè)的數(shù)字信號(hào)輸入，獲取各操作人員的操作指令、身體姿態(tài)手部空間動(dòng)作等數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)信息處理模塊通過(guò)對(duì)獲取的操作輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，驅(qū)動(dòng)虛擬維修環(huán)境中各虛擬維修人員的人體運(yùn)動(dòng)仿真及其維修操作過(guò)程中與裝備零部件和維修資源的交互操作。

三維視景仿真系統(tǒng)模塊由三維視景模塊和通用化接口模塊組成[8]。通過(guò)顯示維修人員模塊的數(shù)據(jù)信息和交互控制信息，故障維修仿真模塊各類仿真驅(qū)動(dòng)模型數(shù)據(jù)的計(jì)算和更新，以及外部體感設(shè)備、立體顯示系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，對(duì)虛擬維修環(huán)境中的各類三維實(shí)體模型進(jìn)行底層驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)渲染、狀態(tài)更新、特效處理及信息顯示，并將更新后的數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)更新到可視化操作界面。

仿真專修室的規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)必須依賴于科學(xué)的分析和系統(tǒng)化的規(guī)劃設(shè)計(jì)。建好仿真專修室既解決了硬件設(shè)備不足的局限，又極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使他們將被動(dòng)學(xué)習(xí)化為主動(dòng)學(xué)習(xí)。但如何使仿真教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)完美結(jié)合，如何提高仿真系統(tǒng)的可操作性，如何讓仿真內(nèi)容更貼合實(shí)際等都是仿真專修室今后改善的方向。

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