摘? 要：近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬訓(xùn)練已經(jīng)成為提升部隊(duì)裝備訓(xùn)練質(zhì)量和效益的重要手段之一。首先，針對(duì)某型裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的特點(diǎn)，介紹了該系統(tǒng)的組成及功能。其次，從軟件架構(gòu)、開(kāi)發(fā)平臺(tái)相關(guān)技術(shù)、開(kāi)發(fā)規(guī)范及要求的角度，闡述了軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后，從圖形接口和虛擬設(shè)備接口兩個(gè)層面，描述了系統(tǒng)的接口與信息交互設(shè)計(jì)，以期在同類(lèi)型裝備虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)上為相關(guān)人員提供參考與指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：虛擬訓(xùn)練；虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)；交互設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）01-0033-03

Design and Implementation of Virtual Maintenance Training System for a Certain Type of Equipment

CHENG Jie

（Naval Scholar Official Academy， Bangbu? 233012， China）

Abstract： In recent years， with the rapid development of information technology， virtual training has become one of the important means to improve the quality and efficiency of military equipment training. Firstly， according to the characteristics of a certain type of equipment virtual maintenance training system， the composition and functions of the system are introduced. Secondly， from the perspective of software architecture， development platform related technologies， development specifications and requirement， the software structure design is described. Finally， the interface and information interaction design of the system are described from the two levels of graphic interface and virtual equipment interface， in order to provide reference and guidance for relevant personnel in the development of virtual training system for the same type of equipment.

Keywords： virtual training; virtual maintenance training system; interaction design

0? 引? 言

為加快推進(jìn)軍隊(duì)院校教育、部隊(duì)訓(xùn)練實(shí)踐、軍事職業(yè)教育三位一體新型軍事人才培養(yǎng)體系建設(shè)，依據(jù)裝備構(gòu)造特點(diǎn)、部隊(duì)訓(xùn)練及培訓(xùn)任務(wù)的需要，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)某型裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效地進(jìn)行訓(xùn)練環(huán)境及裝備模擬、常用故障模擬、故障診斷與排除模擬、訓(xùn)練效果評(píng)估，以解決裝備教學(xué)訓(xùn)練難以貼近使用實(shí)際的問(wèn)題。

1? 系統(tǒng)組成及功能

1.1? 系統(tǒng)組成

某型裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)由綜合管理模塊、原理教學(xué)模塊、操作訓(xùn)練模塊、維護(hù)保養(yǎng)模塊、維修訓(xùn)練模塊、考核評(píng)估模塊等組成。

1.2? 各模塊功能

1.2.1? 綜合管理模塊

主要提供用戶(hù)信息管理、訓(xùn)練/考核信息管理、訓(xùn)練科目管理、故障科目管理、綜合評(píng)估五項(xiàng)功能，同時(shí)具有對(duì)人員權(quán)限、成績(jī)以及訓(xùn)練科目等進(jìn)行管理，對(duì)考核、訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行大數(shù)據(jù)評(píng)估等功能。

1.2.2? 原理教學(xué)模塊

主要負(fù)責(zé)模擬并展示某型裝備各組成部分的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理，便于培訓(xùn)人員對(duì)裝備進(jìn)行形象化認(rèn)知，提高學(xué)習(xí)效率。利用鼠標(biāo)控制器，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)字化虛擬裝備模型360°無(wú)死角旋轉(zhuǎn)，無(wú)級(jí)縮放，指向標(biāo)示零件名稱(chēng)，選擇性透明模型等細(xì)微操作，全方位展示裝備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。在裝備相應(yīng)的零件上點(diǎn)擊可彈出功能原理界面，在此頁(yè)面中選擇相應(yīng)選項(xiàng)可學(xué)習(xí)該零件的功能及原理等相關(guān)知識(shí)，還可以通過(guò)平面或三維動(dòng)畫(huà)的形式，展現(xiàn)零部件的工作過(guò)程，包括零件的工作過(guò)程、設(shè)定方式以及相關(guān)零件關(guān)聯(lián)動(dòng)作等相關(guān)內(nèi)容。

1.2.3? 操作訓(xùn)練模塊

主要模擬某型裝備機(jī)械部分和電氣部分的操作訓(xùn)練。對(duì)某型裝備模擬操作演練流程的動(dòng)畫(huà)演示，操作界面類(lèi)似仿真操作訓(xùn)練，主要功能為參訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)提供便利，便于參訓(xùn)人員掌握基本操作流程，也可通過(guò)此功能進(jìn)行有關(guān)操作流程的教學(xué)演示。訓(xùn)練系統(tǒng)以某型裝備標(biāo)準(zhǔn)模擬操作流程為核心，模擬及判別流程操作正誤及邏輯關(guān)系，根據(jù)情況給出反饋，并以直觀的形式反映出來(lái)。

1.2.4? 維護(hù)保養(yǎng)模塊

主要模擬某型裝備日檢拭、周檢修、月檢修等所屬科目。

1.2.5? 維修訓(xùn)練模塊

主要模擬某型裝備常見(jiàn)故障的現(xiàn)象、排除方法。排除故障的操作設(shè)計(jì)與操作訓(xùn)練模塊操作方式類(lèi)似，不同之處在于操作訓(xùn)練模塊是完成預(yù)定的拆裝動(dòng)作流程，而排除故障的操作是根據(jù)裝備的故障現(xiàn)象找出并解決故障，記錄、收集訓(xùn)練成績(jī)。

1.2.6? 考核評(píng)估模塊

主要完成對(duì)理論知識(shí)、操作訓(xùn)練科目、維修訓(xùn)練科目的考核與評(píng)估，以檢驗(yàn)教學(xué)訓(xùn)練效果。理論知識(shí)考核可以以數(shù)字化試卷考試形式開(kāi)展，從數(shù)據(jù)庫(kù)題庫(kù)中隨機(jī)抽取考試題目，考試完成后自動(dòng)給予成績(jī)?cè)u(píng)定，考試結(jié)果傳至用戶(hù)管理模塊記入數(shù)據(jù)庫(kù)管理；操作訓(xùn)練考核與操作訓(xùn)練模塊的設(shè)計(jì)基本相同，不同之處在于界面中無(wú)法彈出流程圖作為參考，每一步驟完成后沒(méi)有成功提示出現(xiàn)，考核完成后自動(dòng)給予成績(jī)?cè)u(píng)定，考試結(jié)果傳至系統(tǒng)管理模塊記入數(shù)據(jù)庫(kù)管理；維修訓(xùn)練考核與維修訓(xùn)練模塊的設(shè)計(jì)基本相同，不同之處在于界面中無(wú)法彈出文字描述及解決方法提示，考核完成后自動(dòng)給予成績(jī)?cè)u(píng)定，考試結(jié)果傳至系統(tǒng)管理模塊記入數(shù)據(jù)庫(kù)管理。

2? 軟件設(shè)計(jì)

2.1? 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

采用多層結(jié)構(gòu)體系作為該訓(xùn)練系統(tǒng)的構(gòu)架形式，從結(jié)構(gòu)分層上劃分主要包括人機(jī)交互層、仿真數(shù)字模型層、仿真運(yùn)行支撐層、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。

2.1.1? ?人機(jī)交互層

人機(jī)交互層主要包括二維態(tài)勢(shì)GUI、三維視景GUI、綜合管理GUI、控制接口等部件，負(fù)責(zé)為系統(tǒng)使用人員、綜合管理人員、系統(tǒng)評(píng)估人員、其他交互設(shè)備及系統(tǒng)用戶(hù)提供可視化的交互使用界面。

2.1.2? 仿真數(shù)字模型層

仿真數(shù)字模型層主要是仿真應(yīng)用中各種仿真對(duì)象的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)，具體包括仿真對(duì)象數(shù)學(xué)模型、工業(yè)仿真業(yè)務(wù)模型、環(huán)境及其他公用模型、接口對(duì)象化封裝及擴(kuò)展等，本層作為仿真對(duì)象的直接實(shí)現(xiàn)，是仿真應(yīng)用功能的主要內(nèi)容，同時(shí)在本層實(shí)現(xiàn)的底層接口封裝可提高應(yīng)用的擴(kuò)展性，以致形成底層透明的中間層應(yīng)用框架。

2.1.3? 仿真運(yùn)行支撐層

仿真運(yùn)行支撐層包括支持分布式仿真運(yùn)行的中間件、引擎、API等，主要有運(yùn)行時(shí)支撐環(huán)境、圖形引擎、系統(tǒng)服務(wù)、系統(tǒng)API等部分，它提供了仿真系統(tǒng)運(yùn)行所需的分布式互連服務(wù)、圖形渲染、數(shù)據(jù)服務(wù)、系統(tǒng)功能調(diào)用等底層功能。

2.1.4? 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)主要用于存儲(chǔ)仿真模型數(shù)據(jù)、三維建模數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、配置參數(shù)、用戶(hù)數(shù)據(jù)等各種數(shù)據(jù)，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出數(shù)據(jù)分析和挖掘功能后，還可以提供仿真數(shù)據(jù)評(píng)估、仿真流程優(yōu)化、環(huán)境影響分析、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比等多方面分析功能，從而實(shí)現(xiàn)仿真訓(xùn)練的數(shù)據(jù)化、自動(dòng)化、科學(xué)化。

2.2? 開(kāi)發(fā)平臺(tái)相關(guān)技術(shù)

某型裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)主要采用Microsoft Dierect3D、OpenGL及成熟的跨平臺(tái)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)Unity3D引擎，搭載SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)，該方案可適應(yīng)當(dāng)前最新的3D顯卡驅(qū)動(dòng)，并支持DirectX 11渲染技術(shù)，同時(shí)也向下兼容DirectX 9圖形渲染，可適應(yīng)在高端顯卡上的高質(zhì)量視景開(kāi)發(fā)及GPU編程，同時(shí)訓(xùn)練系統(tǒng)也可適應(yīng)普通PC的運(yùn)行。其他輔助軟件包括圖形圖像處理（Adobe Photoshop、CorelDraw）、動(dòng)畫(huà)制作（Maya）、音頻處理（Audition）、視頻處理（Adobe Premiere、After Effects）、3D模型轉(zhuǎn)換（Okino PolyTrans、各種轉(zhuǎn)換插件）、紋理貼圖（DeepPaint 3D、Deep UV）、文字處理（Word）。

2.3? 開(kāi)發(fā)規(guī)范及要求

開(kāi)發(fā)環(huán)境數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與程序語(yǔ)言符合標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編程規(guī)范，各軟件模塊符合指定的類(lèi)封裝規(guī)范；各軟件模塊須適應(yīng)Windows 32/64位操作系統(tǒng)；軟件具有對(duì)人機(jī)對(duì)話時(shí)的輸入命令、參數(shù)、數(shù)據(jù)的語(yǔ)法檢查功能；對(duì)異常輸入具有容錯(cuò)能力，不會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)故障和死機(jī)；程序采用模塊化設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息處理和顯示控制之間相對(duì)分離；采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)模式。

3? 接口與信息交互設(shè)計(jì)

3.1? 圖形接口

目前的系統(tǒng)主要采用三種3D圖形接口（3D API），分別為Direct3D、OpenGL和Quick Draw 3D（Heidi）。這三種常用的API格式在使用中都體現(xiàn)出一定的擴(kuò)展性、靈活性和便捷性。目前Heidi接口多見(jiàn)于機(jī)械及工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。其他領(lǐng)域的3D系統(tǒng)絕大多數(shù)都建立在Direct3D、OpenGL兩種接口之上。

在Windows系統(tǒng)上以Direct3D作為3D圖形接口能更加有效地發(fā)揮硬件的圖形加速性能，取得更好的視覺(jué)和性能效果。

3.2? 虛擬設(shè)備接口

某型裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)具有支持VR（虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)）升級(jí)的潛在能力。在軟件架構(gòu)、系統(tǒng)內(nèi)核、編程方式以及硬件驅(qū)動(dòng)等方面全面支持新一代VR虛擬設(shè)備，只需簡(jiǎn)單的升級(jí)就可以實(shí)現(xiàn)VR功能。

4? 系統(tǒng)應(yīng)用

對(duì)管理導(dǎo)控軟件以及各分系統(tǒng)之間的交互信息進(jìn)行細(xì)化測(cè)試，約定通信協(xié)議，及時(shí)對(duì)交互方式進(jìn)行可靠性測(cè)試。根據(jù)技術(shù)分析以及虛擬仿真軟件的功能需求，各種功能模塊之間的通信控制關(guān)系如圖1所示，系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

原理教學(xué)模塊界面如圖3所示，嵌入配音，左下角配有文字說(shuō)明，中間部分用于展示部件結(jié)構(gòu)原理，右面的正文部分設(shè)置有播放按鍵，學(xué)習(xí)者可以自行調(diào)整學(xué)習(xí)進(jìn)度，也可以使用鼠標(biāo)調(diào)整學(xué)習(xí)角度。

操作訓(xùn)練模塊界面如圖4所示，左上角為計(jì)時(shí)窗口，記錄訓(xùn)練所用時(shí)間，包括每個(gè)操作步驟所使用的時(shí)間（后臺(tái)記錄）；右上角為工具欄，顯示操作過(guò)程中所用到的配套工具等；左下角為流程圖箭頭，點(diǎn)擊后彈出流程圖，顯示模擬操作流程及操作進(jìn)程。

維護(hù)保養(yǎng)和維修訓(xùn)練模塊界面如圖5所示，左下角為訓(xùn)練步驟，用于提示學(xué)習(xí)者按照流程完成維護(hù)維修訓(xùn)練。

系統(tǒng)運(yùn)行指標(biāo)要求Win 7 64操作系統(tǒng)，顯存4 GB以上的獨(dú)立顯卡（性能不低于RTX1050）。全系統(tǒng)經(jīng)過(guò)聯(lián)調(diào)測(cè)試，各項(xiàng)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)符合要求，可刻錄成光盤(pán)形式使用。

5? 結(jié)? 論

該系統(tǒng)綜合運(yùn)用信息技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)了裝備內(nèi)部構(gòu)造的可視化、仿真化，將裝備模型與操作步驟有機(jī)地結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了交互式訓(xùn)練、考核、記錄與評(píng)估，具備系統(tǒng)復(fù)盤(pán)功能，有效提升了部隊(duì)的訓(xùn)練水平和訓(xùn)練質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂云，王海泉，孫偉.虛擬現(xiàn)實(shí)理論、技術(shù)、開(kāi)發(fā)與應(yīng)用 [M].北京：清華大學(xué)出版社，2019.

[2] 張枝軍.圖形與圖像處理技術(shù) [M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[3] 魯寧，邢麗偉，張宏翔，等.大學(xué)計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)與新技術(shù) [M].北京：清華大學(xué)出版社，2020.

[4] 倪彤，許文靜，張偉.信息化教學(xué)技術(shù) [M].北京：清華大學(xué)出版社，2020.

[5] 張相炎.火炮設(shè)計(jì)理論 [M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2014.

作者簡(jiǎn)介：程杰（1978—），男，漢族，安徽桐城人，副教授，碩士，研究方向：裝備構(gòu)造與使用。

收稿日期：2022-10-06