基于NGRAIN的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)在裝備教學(xué)訓(xùn)練中的應(yīng)用研究

摘 要： 本文針對當(dāng)前裝備教學(xué)訓(xùn)練中存在的突出矛盾，研究了基于NGRAIN開發(fā)的裝備虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的三維交互式學(xué)習(xí)和虛擬訓(xùn)練的特點，介紹了虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的在裝備教學(xué)中的應(yīng)用，說明了虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)能在很大程度上增強裝備教學(xué)效果和訓(xùn)練的費效比。

關(guān)鍵詞： NGRAIN 虛擬訓(xùn)練 裝備教學(xué)

1.引言

為了使新機機務(wù)人員盡快掌握各型高技術(shù)武器的保障方法，使三代飛機盡快形成戰(zhàn)斗力，必須對機務(wù)人員進行大量的訓(xùn)練。如果對機務(wù)人員進行實裝訓(xùn)練，首先機載電子設(shè)備和各型武器裝備的通電壽命有限，其次機載設(shè)備拆裝維護不可避免地加速了裝備的磨損，最后由于多數(shù)機載設(shè)備的限制，難以完成多人同時帶教。因此用實裝訓(xùn)練不僅訓(xùn)練效率較低，而且會大大增加訓(xùn)練成本。真實裝備很難滿足地勤人員訓(xùn)練的要求，我們研制出基于NGRAIN的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。該虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)可為地勤人員提供逼真的訓(xùn)練手段，完成軍械定檢和日常維護等科目的訓(xùn)練和考核評估。現(xiàn)在我們對該系統(tǒng)在裝備教學(xué)訓(xùn)練中應(yīng)用進行探討。

2.裝備教學(xué)訓(xùn)練存在的問題

近年來，由于裝備更新加快，人員數(shù)量和流動性大大增加，迫切需要開展在職培訓(xùn)，以提高裝備維護保障能力。但以實裝訓(xùn)練為手段的訓(xùn)練模式，存在“展不開、訓(xùn)不了、層次低”的問題，缺乏系統(tǒng)的培訓(xùn)手段，普遍反映的問題表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）維護訓(xùn)練的保障和組織困難。

利用實裝進行培訓(xùn)受多種條件的制約，在開展訓(xùn)練科目的時間和種類都不能得到保證。例如座椅200小時和600小時定檢是較為復(fù)雜的維護科目，部隊不可能抽調(diào)座椅實裝對維護人員進行該科目的訓(xùn)練，而受訓(xùn)人員也難以在一、兩次機會中就掌握這種復(fù)雜科目的操作技巧。這就造成部隊能完成復(fù)雜維護任務(wù)的骨干人員少的現(xiàn)象，另外只具備初級維護能力的人員卻苦苦等待受訓(xùn)機會。因此，利用實裝培訓(xùn)大大延長了培訓(xùn)周期，制約了人員成長的速度，限制了機務(wù)人員維護保障能力的提高。

（2）對實裝損傷大，難以保持裝備性能。

利用實裝進行機載設(shè)備拆裝不可避免地加速了裝備的磨損，尤其是電纜插頭、緊固件、動力系統(tǒng)等。如利用實裝對人員進行座椅分解清洗任務(wù)的培訓(xùn)，就會加速裝備磨損，降低壽命。同時，部分受訓(xùn)人員由于技能生疏造成的錯誤操作也會損傷實裝，這樣反復(fù)拆裝將難以保證座椅性能的穩(wěn)定和可靠。如果這些培訓(xùn)造成的實裝損傷沒有及時發(fā)現(xiàn)，就會危及飛行員的生命安全。

（3）訓(xùn)練效率較低，訓(xùn)練成本高。

基層部隊的訓(xùn)練模式多采用骨干手把手帶教的方式進行，但部隊技術(shù)骨干的數(shù)量有限，其主要任務(wù)是保障正常的飛行訓(xùn)練，有限的精力難以同時兼顧一線保障和人員帶教兩種任務(wù)。此外，由于這種訓(xùn)練模式嚴重依賴經(jīng)驗性，對維修訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)掌握的存在主觀因素，訓(xùn)練效果也很難保證。在利用實裝訓(xùn)練時，往往還需要消耗燃油、滑油和氮氣等損耗品，增加了訓(xùn)練成本。

上述因素嚴重影響了平時的訓(xùn)練保障及戰(zhàn)斗力的進一步提升，部隊迫切需要一種安全、高效、成本較低的訓(xùn)練模式。

3.虛擬訓(xùn)練的優(yōu)點

近年來，我院通過不斷實踐，摸索出一條“虛擬+模擬+實裝”的訓(xùn)練模式。與利用實裝訓(xùn)練的方式相比，虛擬訓(xùn)練具有以下特點。

（1）組織協(xié)調(diào)方便，針對性強。

虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)只需要計算機和教室即可開展培訓(xùn)，不受天氣影響，不需要協(xié)調(diào)各種實裝，即使部隊正在進行本場訓(xùn)練、野外駐訓(xùn)和演習(xí)，依然可以利用虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)針對不同機型的維護人員開展各種科目的訓(xùn)練，還可針對部隊在特定時間發(fā)生的問題開展有針對性的訓(xùn)練。

（2）培訓(xùn)效率高，縮短了人員的成長周期。

虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)可通過動畫、聲音和字幕對維護流程、維護標(biāo)準(zhǔn)進行演示和介紹，不需要技術(shù)骨干對受訓(xùn)人員進行口口相傳，可利用多媒體教室的計算機同時對多人進行培訓(xùn)。同時，虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)可完成所有機載設(shè)備拆裝和檢測設(shè)備使用的虛擬訓(xùn)練，不需要實裝的保障，受訓(xùn)人員可在虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中反復(fù)練習(xí)，熟練掌握維護流程和標(biāo)準(zhǔn)后，只需要在實裝上進行一、兩次操作即可獨立完成任務(wù)。虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)可大大提高培訓(xùn)效率，有效縮短維護人員的成長周期。

（3）培訓(xùn)效果好。

虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)具備實裝所不具備的任意移動、高亮、縮放、透視、解剖和自動組裝等獨特功能，有利于受訓(xùn)人員更深入、更透徹地理解維護操作規(guī)程，且虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)對受訓(xùn)人員按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進行評判，客觀公正。同時，虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)尤其符合35歲以下維護人員喜愛計算機的特點，比完全使用實裝訓(xùn)練的培訓(xùn)效果好。

（4）安全性高，訓(xùn)練成本低。

由于不使用實裝，即使操作錯誤，也不會損傷實裝，更不會使受訓(xùn)人員受到人身傷害。虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)本質(zhì)上是一種計算機軟件，其安裝數(shù)量沒有限制，尤其適合大量人員的反復(fù)培訓(xùn)，訓(xùn)練成本很低。同時，虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的移植性好，可在臺式、計算機和平板計算機上使用，可嵌入到IETM（交互式電子手冊），用于外場維修。

因此，虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)對縮短機務(wù)保障人才培養(yǎng)周期，降低訓(xùn)練風(fēng)險和成本有著重要的經(jīng)濟和軍事意義。

4.某型座椅虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的應(yīng)用

某虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)以三維模型為基礎(chǔ)，基于NGRAIN二次開發(fā)制作而成。采用NGRAIN制作的集動畫、練習(xí)、測試于一體的虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)在對地勤人員訓(xùn)練上就體現(xiàn)出了其強大的優(yōu)勢。裝備認知和實踐訓(xùn)練歷來是裝備教學(xué)的兩大重點，我們可以將裝備教學(xué)過程分為熟悉和掌握維修知識和技能、實踐練習(xí)和維修能力確認，即可以用學(xué)習(xí)—練習(xí)—考核來簡單描述裝備教學(xué)過程。據(jù)此，某型座椅虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)置了這三大模塊：原理簡述、構(gòu)造學(xué)習(xí)、部件拆裝，原理簡述和構(gòu)造學(xué)習(xí)屬于認知模塊，部件拆裝屬于實踐訓(xùn)練模塊，即理論學(xué)習(xí)—講解演示—引導(dǎo)式訓(xùn)練—自主訓(xùn)練—考核。訓(xùn)練模式如圖所示：

某型座椅虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以滿足不同教學(xué)對象的需要，具有很強的人機交互性；可以對座椅零部件進行任意分離，并對分離的部件進行任意角度的旋轉(zhuǎn)，方便學(xué)員對部件進行不同角度觀察認知；選擇透視功能，可以看到零部件的內(nèi)部構(gòu)造，更方便學(xué)員對裝備的認知學(xué)習(xí)；通過裝配功能，可以把這些拆下的部件一一復(fù)位，讓學(xué)員更容易明白它們之間的裝配關(guān)系。某型座椅虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)合裝備日常維護訓(xùn)練，提供15個常拆裝部件演示、練習(xí)和測試。該系統(tǒng)真正實現(xiàn)了三維交互式學(xué)習(xí)和虛擬訓(xùn)練，學(xué)員根據(jù)維護任務(wù)可以進行拆裝學(xué)習(xí)。自主學(xué)習(xí)后，學(xué)員可以進行虛擬拆裝訓(xùn)練。

下面以某型座椅200小時定檢時穩(wěn)定傘射傘槍的拆卸為例介紹。經(jīng)過對裝備從不熟悉到了解掌握的認知學(xué)習(xí)后，學(xué)員觀看穩(wěn)定傘射傘槍的拆裝演示，大致了解后，學(xué)員可以進行虛擬拆裝訓(xùn)練，在系統(tǒng)引導(dǎo)下進行拆裝練習(xí)。如圖2所示，右邊欄為拆卸步驟提示，如果操作正確，系統(tǒng)會給出提示：操作正確，下一步！如果操作錯誤，系統(tǒng)會給出提示：操作錯誤，請重試！如果再次操作錯誤，系統(tǒng)給出提示：操作錯誤，請重試！然后自動演示正確的操作，以供學(xué)員自主學(xué)習(xí)，真正實現(xiàn)了人與三維設(shè)備實時交互操作。練習(xí)結(jié)束后，系統(tǒng)對學(xué)員的操作過程進行分析，給出一個綜合評定。如圖3所示，系統(tǒng)給出的反饋信息顯示出操作錯誤的位置的錯誤次數(shù)，完成本次操作所花費的時間，根據(jù)以上打出的綜合分數(shù)。

根據(jù)空軍部隊的經(jīng)驗表明，院校畢業(yè)的干部要獨立完成彈射救生座椅吊裝、換彈和定檢等全部維護任務(wù)，通常需要12～16個月的帶教周期。某師某團在使用我院研制的《某型彈射救生座椅虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)》后，帶教周期縮短為4～5個月。可見，虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)可大大提高培訓(xùn)效率，有效縮短維護人員的成長周期。

5. NGRAIN軟件制作的虛擬拆裝訓(xùn)練任務(wù)存在的缺點

（1）拆下零件在putsbin中隨意擺放，無法排序。

所有稍微懂裝備的人都明白，在武器裝備拆裝訓(xùn)練時，學(xué)員拆下的裝備部件擺放必須整齊，并且按照一定的順序，只有整齊而有序地擺放，才能保證準(zhǔn)確而迅速地裝好設(shè)備。而戰(zhàn)時拆裝裝備維護，時間就是生命，時間就是勝利，搶的就是時間。而本軟件雖然可以進行拆裝模擬仿真訓(xùn)練，但是僅僅限于拆裝順序和方法，還不夠全面。

（2）創(chuàng)建任務(wù)中添加簡答問題時，其答案太死板，必須吻合100%才算正確。

中文一個正確答案可以有很多種文字表達方式，即使知道正確答案，一般情況下也無法回答出100%文字吻合率的答案。在練習(xí)時只能添加多項或單項選擇題，同樣不全面，過于單調(diào)。

（3）需要用其他方式首先建立完整的模型并記錄全部路徑。

6.結(jié)語

基于NGRAIN的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)為院校、部隊、訓(xùn)練基地提供了可靠、逼真的彈射救生系統(tǒng)訓(xùn)練手段，解決了利用實裝訓(xùn)練協(xié)調(diào)組織困難、訓(xùn)練風(fēng)險大和評估不嚴謹?shù)膯栴}，具有訓(xùn)練成本低、無風(fēng)險、訓(xùn)練成績客觀公正的優(yōu)點，可有效提高地勤人員的維護技能，降低違規(guī)操作的概率，大大縮短地勤人員的成長周期，具有良好的推廣應(yīng)用前景和軍事效益。

參考文獻：

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