車載指控通信系統(tǒng)虛擬維修教學訓練平臺設計

張 增 李曉燕 趙 萌 尚世鋒

（陸軍裝甲兵學院，北京 100072）

1 引言

分隊車載指控通信系統(tǒng)通常包括電臺、車內(nèi)通信系統(tǒng)（簡稱“車通”）、計算機、北斗等典型設備及連接線纜，信息化程度高，傳統(tǒng)維修教學對實裝依賴性大，教學訓練條件不足矛盾突出；反復拆裝修理易造成裝備損壞，實裝教學成本高；人工故障設置種類少，維修過程缺乏數(shù)據(jù)記錄，訓練評估模式陳舊，難以進行精準全面的指導[1]。虛擬仿真技術在裝備訓練方面有著巨大的優(yōu)勢，具有表現(xiàn)形式形象直觀、交互方式豐富便捷、應用時空不受限制等顯著特點[2]，可以通過構建“實景”“實地”和“實物”的虛擬訓練環(huán)境，仿真裝備操作、使用、維護、維修工作，從而實現(xiàn)三維虛擬可視化認知教學和近實戰(zhàn)化仿真交互訓練[3]。目前，車載指控通信系統(tǒng)的虛擬仿真技術主要是在單體設備上的運用，沒有體現(xiàn)在成體系的作戰(zhàn)網(wǎng)絡中的運用[4]。本文結合VR沉浸式虛擬維修技術，構建了一個分隊車載指控通信系統(tǒng)虛擬維修教學訓練平臺，突出系統(tǒng)級維修訓練模式，實現(xiàn)了基于設備、平臺及網(wǎng)絡三級的維修教學訓練功能。

2 系統(tǒng)需求分析

本系統(tǒng)平臺為滿足教學訓練需求，能夠提供理論知識學習、設備維修訓練、訓練考核、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)訓練、系統(tǒng)管理等功能。

（1）理論知識學習功能?？梢酝ㄟ^相關科目的學習了解設備的功能、組成、結構、工作原理、拆裝流程，以及設備的使用操作；系統(tǒng)級的構造原理以文字、圖片、音頻、動畫視頻等多媒體形式演示單車、排車、連車指控通信系統(tǒng)的設備組成、連接關系、信息流和信號流；能夠交互實現(xiàn)電臺、車內(nèi)通信系統(tǒng)、計算機、北斗從整機、附件安裝拆卸到內(nèi)部組件、模件板的拆卸更換；能夠交互實現(xiàn)設備技術狀況的檢測，以及故障排除的基本流程。

（2）設備維修訓練功能。可以通過操作相關科目來熟悉設備的操作使用、設備使用過程中可能遇到的各種故障現(xiàn)象，然后通過故障現(xiàn)象分析故障產(chǎn)生的原因，再通過拆卸更換模件逐步排除故障，從而掌握排除故障的流程。通過硬件設備提供沉浸式訓練支撐環(huán)境，為電臺、車內(nèi)通信系統(tǒng)、計算機、北斗等設備提供維修訓練環(huán)境。

（3）訓練考核功能。學員通過進入具體科目進行實際操作，從查找故障，到分析故障，再到一步步排除故障，教員從學員用戶的得分來判斷學員對設備故障排除的熟練程度及訓練效果。

（4）系統(tǒng)聯(lián)調(diào)功能。通過車與車之間進行話音、數(shù)據(jù)聯(lián)調(diào)來模擬車輛之間的通信；模擬車際組網(wǎng)的信息流和信號流；并能對典型車輛的話音、數(shù)據(jù)信息流進行演示；聯(lián)調(diào)模塊可以對分隊級組網(wǎng)（連車/排車/單車三級組網(wǎng)）信息流和信號流進行演示。

（5）系統(tǒng)管理功能?？梢栽O置系統(tǒng)時間、管理口令，可以查詢訓練及考核情況等信息。系統(tǒng)可以對登錄的學員及教員用戶進行驗證，同時通過數(shù)據(jù)文件匹配學員用戶的訓練數(shù)據(jù)及相關信息。教員通過系統(tǒng)管理模塊可以對受訓學員進行訓練科目和考核科目的設置，根據(jù)訓練科目或?qū)I(yè)等級要求進行科目標準設置。可遠程進行數(shù)據(jù)同步到受訓人員操作環(huán)境中。教員及受訓學員在訓練環(huán)境下可隨時通過系統(tǒng)管理模塊進行退出操作，系統(tǒng)自動保存當前信息至本地；在考核情況下，受訓人員中途主動退出系統(tǒng)，系統(tǒng)會自動判定受訓人員的分數(shù)并保存。

3 系統(tǒng)總體設計

根據(jù)應用目標和人機交互方式的不同，通常把虛擬現(xiàn)實技術劃分為桌面虛擬維修、沉浸式虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實或混合虛擬現(xiàn)實、分布式虛擬現(xiàn)實等。其中，沉浸式虛擬現(xiàn)實具有良好的用戶體驗，可使用戶完全沉浸在虛擬世界中[5]。因此，系統(tǒng)硬件設備的設計選型的原則是以提高用戶體驗和滿足系統(tǒng)性能為目標導向，從市場上選購滿足指標要求、技術成熟、性能穩(wěn)定的貨架產(chǎn)品綜合集成，構建沉浸式VR虛擬現(xiàn)實硬件平臺。

分隊車載通信系統(tǒng)虛擬維修訓練平臺涉及單車指控通信系統(tǒng)虛擬維修、排車指控通信系統(tǒng)虛擬維修和連車指控通信系統(tǒng)虛擬維修三個層級。虛擬維修系統(tǒng)是基于計算機技術和虛擬現(xiàn)實技術，由計算機和虛擬現(xiàn)實設備（VR設備）生成虛擬維修樣機和虛擬維修場景，采用維修人員在回路的方式，通過虛擬的人機互動來仿真實現(xiàn)整個維修過程[6]。每個設備訓練（系統(tǒng)聯(lián)訓）模塊又由設備三維數(shù)字模型、訓練管理功能模塊、理論知識學習功能模塊、設備拆裝/分解組合（信息流程）演示訓練功能模塊、設備維修（系統(tǒng)聯(lián)調(diào)）演示功能訓練模塊、訓練考核模塊等功能模塊組成，平臺組成及訓練模塊組成分別如圖1、圖2所示。

4 系統(tǒng)軟件設計

從裝備保障訓練過程看，裝備維修訓練環(huán)節(jié)主要有理論學習、維修訓練和訓練考核三大環(huán)節(jié)，這三個環(huán)節(jié)的串聯(lián)主線索則是維修保障對象。裝備種類及類型多種多樣，但維修保障總體上基本都屬于這種模式。為滿足系統(tǒng)平臺的開放性、通用性和集成性[7]，虛擬維修訓練平臺的基本軟件架構設計如圖3所示。

圖1 車載通信裝備系統(tǒng)級虛擬維修訓練平臺組成結構圖

圖2 設備訓練及系統(tǒng)聯(lián)訓模塊組成結構圖

（1）第一層是業(yè)務功能層。由系統(tǒng)管理、理論學習、維修訓練和訓練考核四部分程序組成。系統(tǒng)管理設置部分則實現(xiàn)用戶系統(tǒng)登錄，用戶管理（對用戶信息的查詢、添加、修改、刪除的驗證），訓練條件和考核設置等業(yè)務。理論學習部分按訓練科目分別選擇設備功能、組成、性能、結構、工作原理、拆卸安裝/分解組合演示、技術狀態(tài)檢測演示和訓練科目演示等維修相關理論和技能方法內(nèi)容進行學習。維修訓練和訓練考核部分則分別實現(xiàn)按訓練科目區(qū)分的設備故障排除訓練和訓練考核。訓練考核部分則是在維修訓練的基礎上，通過時間限定，再增加維修標準和規(guī)范、評分標準等數(shù)據(jù)庫，對參訓人員進行的各種維修操作由系統(tǒng)進行跟蹤記錄，并對參考人員考核過程打分評判。

（2）第二層是操作界面層。提供人機交互的界面，維修訓練和訓練考核按故障分類驅(qū)動，由仿真模型計算、界面交互、故障選擇、虛擬檢測工具、考核評分標準、訓練數(shù)據(jù)記錄等部分組成。

（3）第三層是模型支持層。仿真模型計算主要包括信道模型、射頻信號模型、電氣連接模型等；界面交互主要包括天線的拆除、單元（部件）從整機上的拆除、單元（部件）緊固螺絲的拆除、單元（部件）內(nèi)模件的拆除、模件緊固螺絲的拆除、連接線纜的連接和拆除、模件的更換等交互；故障選擇主要包括每個設備按部件分類的故障生成，以及地形、距離、電子干擾造成的不能通聯(lián)等；虛擬檢測工具主要包括信息設備維修常用的三用表、通信系統(tǒng)綜合測試儀、功率計、連接電臺各部件用到的維修測試電纜等；考核評分標準主要是計時器、評分標準，用于考核計時和評定考核成績；訓練數(shù)據(jù)記錄主要是記錄操作時間、操作情況，用于訓練考核過程回放。

圖3 虛擬維修訓練平臺的基本軟件架構

5 系統(tǒng)教學設計

系統(tǒng)的教學設計，主要是對系統(tǒng)的訓練科目進行設計實現(xiàn)，以滿足教學大綱對學員維修理論和維修技能的要求。主要訓練科目設計如圖4所示。虛擬維修系統(tǒng)訓練科目，主要包括設備、平臺（車內(nèi)）、網(wǎng)絡（車際）3個層級。學員通過理論科目學習，能夠了解設備/車內(nèi)/車際功能組成及連接關系、設備/車內(nèi)/車際話音數(shù)據(jù)通信工作流程、設備拆裝及分解組合、設備技術狀況檢測、設備故障排除分析的理論介紹和功能演示。學員通過虛擬訓練及訓練考核科目學習，能夠進行設備/平臺/網(wǎng)絡各類典型故障科目的訓練模擬，并能進行訓練科目的考核；設備級故障虛擬訓練模擬按照電源、收信、發(fā)信、控制四種不同信號通路進行設計，平臺級故障訓練模擬按照電臺、車通、計算機、北斗、綜合五種不同設備類別進行設計，網(wǎng)絡級故障訓練模擬按照電臺、北斗、有線、路由、綜合五種不同鏈路類別進行設計。教員也可通過后臺訓練數(shù)據(jù)記錄，訓練考核過程回放，對受訓學員進行精準全面的指導。

下面以網(wǎng)絡層級虛擬訓練—電臺鏈路類故障訓練模擬—“天線故障導致無法通信”課目為例，介紹其維修訓練的操作流程設計。

（1）步驟一：將網(wǎng)絡內(nèi)所有電臺開機自檢，進入待機工作狀態(tài)。

（2）步驟二：將網(wǎng)絡內(nèi)所有電臺設置為模話、非靜噪狀態(tài)，耳機中有噪聲。

（3）步驟三：分別按下各自胸前開關的“發(fā)信”鍵，各自電臺分別由收信轉為發(fā)信狀態(tài)，顯示屏顯示狀態(tài)轉換標識，工作帽耳機背景噪聲有變化，發(fā)話可聽見自側音，上述現(xiàn)象可排除胸前開關及工作帽等音頻附件故障的可能。

（4）步驟四：設置各自電臺為模話模式，確認頻率設置無誤，雙方進行話音溝通聯(lián)絡，仍然無法接聽到對方信號，可排除電臺參數(shù)配置錯誤的可能。

（5）步驟五：在模話方式和相同的工作頻率下，單車1、排車2分別與電臺網(wǎng)絡內(nèi)第三方連車3（確認系統(tǒng)正常）進行話音溝通聯(lián)絡。若單車1與第三方均無法正常接收信號而單車2與第三方通信正常，則可確認單車1系統(tǒng)故障，按照連線檢查、天線檢查、電臺車通設備檢查的順序依次排除，確定最終單車1的故障部位。

6 結語

本文針對當前車載通信系統(tǒng)維修訓練方面遇到的一些問題以及現(xiàn)有的匱乏、落后的維修手段現(xiàn)狀，利用虛擬維修技術，由于其方便直觀，可以提高維修效率并降低成本，具有十分廣闊的應用前景。同時通過教學發(fā)現(xiàn)，虛擬維修訓練系統(tǒng)非常適合于實裝維修訓練前的認知和自主學習，對于規(guī)范學員操作流程、快速提高維修技能，以及形成全面精準的訓練評估模式具有重要意義。

圖4 虛擬維修訓練系統(tǒng)訓練科目組成結構圖