某型裝備虛擬維修訓練系統設計與實現

摘? 要：近年來，隨著信息技術的快速發展，虛擬訓練已經成為提升部隊裝備訓練質量和效益的重要手段之一。首先，針對某型裝備虛擬維修訓練系統的特點，介紹了該系統的組成及功能。其次，從軟件架構、開發平臺相關技術、開發規范及要求的角度，闡述了軟件結構設計。最后，從圖形接口和虛擬設備接口兩個層面，描述了系統的接口與信息交互設計，以期在同類型裝備虛擬訓練系統的開發上為相關人員提供參考與指導。

關鍵詞：虛擬訓練；虛擬維修訓練系統；交互設計

中圖分類號：TP311? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：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

為加快推進軍隊院校教育、部隊訓練實踐、軍事職業教育三位一體新型軍事人才培養體系建設，依據裝備構造特點、部隊訓練及培訓任務的需要，設計并開發某型裝備虛擬維修訓練系統，該系統能夠有效地進行訓練環境及裝備模擬、常用故障模擬、故障診斷與排除模擬、訓練效果評估，以解決裝備教學訓練難以貼近使用實際的問題。

1? 系統組成及功能

1.1? 系統組成

某型裝備虛擬維修訓練系統由綜合管理模塊、原理教學模塊、操作訓練模塊、維護保養模塊、維修訓練模塊、考核評估模塊等組成。

1.2? 各模塊功能

1.2.1? 綜合管理模塊

主要提供用戶信息管理、訓練/考核信息管理、訓練科目管理、故障科目管理、綜合評估五項功能，同時具有對人員權限、成績以及訓練科目等進行管理，對考核、訓練結果進行大數據評估等功能。

1.2.2? 原理教學模塊

主要負責模擬并展示某型裝備各組成部分的內部結構、工作原理，便于培訓人員對裝備進行形象化認知，提高學習效率。利用鼠標控制器，能夠實現數字化虛擬裝備模型360°無死角旋轉，無級縮放，指向標示零件名稱，選擇性透明模型等細微操作，全方位展示裝備結構特點。在裝備相應的零件上點擊可彈出功能原理界面，在此頁面中選擇相應選項可學習該零件的功能及原理等相關知識，還可以通過平面或三維動畫的形式，展現零部件的工作過程，包括零件的工作過程、設定方式以及相關零件關聯動作等相關內容。

1.2.3? 操作訓練模塊

主要模擬某型裝備機械部分和電氣部分的操作訓練。對某型裝備模擬操作演練流程的動畫演示，操作界面類似仿真操作訓練，主要功能為參訓人員的學習提供便利，便于參訓人員掌握基本操作流程，也可通過此功能進行有關操作流程的教學演示。訓練系統以某型裝備標準模擬操作流程為核心，模擬及判別流程操作正誤及邏輯關系，根據情況給出反饋，并以直觀的形式反映出來。

1.2.4? 維護保養模塊

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? 維修訓練模塊

主要模擬某型裝備常見故障的現象、排除方法。排除故障的操作設計與操作訓練模塊操作方式類似，不同之處在于操作訓練模塊是完成預定的拆裝動作流程，而排除故障的操作是根據裝備的故障現象找出并解決故障，記錄、收集訓練成績。

1.2.6? 考核評估模塊

主要完成對理論知識、操作訓練科目、維修訓練科目的考核與評估，以檢驗教學訓練效果。理論知識考核可以以數字化試卷考試形式開展，從數據庫題庫中隨機抽取考試題目，考試完成后自動給予成績評定，考試結果傳至用戶管理模塊記入數據庫管理；操作訓練考核與操作訓練模塊的設計基本相同，不同之處在于界面中無法彈出流程圖作為參考，每一步驟完成后沒有成功提示出現，考核完成后自動給予成績評定，考試結果傳至系統管理模塊記入數據庫管理；維修訓練考核與維修訓練模塊的設計基本相同，不同之處在于界面中無法彈出文字描述及解決方法提示，考核完成后自動給予成績評定，考試結果傳至系統管理模塊記入數據庫管理。

2? 軟件設計

2.1? 軟件架構設計

采用多層結構體系作為該訓練系統的構架形式，從結構分層上劃分主要包括人機交互層、仿真數字模型層、仿真運行支撐層、數據庫系統。

2.1.1? ?人機交互層

人機交互層主要包括二維態勢GUI、三維視景GUI、綜合管理GUI、控制接口等部件，負責為系統使用人員、綜合管理人員、系統評估人員、其他交互設備及系統用戶提供可視化的交互使用界面。

2.1.2? 仿真數字模型層

仿真數字模型層主要是仿真應用中各種仿真對象的數學模型實現，具體包括仿真對象數學模型、工業仿真業務模型、環境及其他公用模型、接口對象化封裝及擴展等，本層作為仿真對象的直接實現，是仿真應用功能的主要內容，同時在本層實現的底層接口封裝可提高應用的擴展性，以致形成底層透明的中間層應用框架。

2.1.3? 仿真運行支撐層

仿真運行支撐層包括支持分布式仿真運行的中間件、引擎、API等，主要有運行時支撐環境、圖形引擎、系統服務、系統API等部分，它提供了仿真系統運行所需的分布式互連服務、圖形渲染、數據服務、系統功能調用等底層功能。

2.1.4? 數據庫系統

數據庫系統主要用于存儲仿真模型數據、三維建模數據、環境數據、配置參數、用戶數據等各種數據，進一步開發出數據分析和挖掘功能后，還可以提供仿真數據評估、仿真流程優化、環境影響分析、實測數據對比等多方面分析功能，從而實現仿真訓練的數據化、自動化、科學化。

2.2? 開發平臺相關技術

某型裝備虛擬維修訓練系統主要采用Microsoft Dierect3D、OpenGL及成熟的跨平臺應用程序開發Unity3D引擎，搭載SQLite數據庫進行應用開發，該方案可適應當前最新的3D顯卡驅動，并支持DirectX 11渲染技術，同時也向下兼容DirectX 9圖形渲染，可適應在高端顯卡上的高質量視景開發及GPU編程，同時訓練系統也可適應普通PC的運行。其他輔助軟件包括圖形圖像處理（Adobe Photoshop、CorelDraw）、動畫制作（Maya）、音頻處理（Audition）、視頻處理（Adobe Premiere、After Effects）、3D模型轉換（Okino PolyTrans、各種轉換插件）、紋理貼圖（DeepPaint 3D、Deep UV）、文字處理（Word）。

2.3? 開發規范及要求

開發環境數據結構與程序語言符合標準C語言編程規范，各軟件模塊符合指定的類封裝規范；各軟件模塊須適應Windows 32/64位操作系統；軟件具有對人機對話時的輸入命令、參數、數據的語法檢查功能；對異常輸入具有容錯能力，不會產生系統故障和死機；程序采用模塊化設計，數據存儲、信息處理和顯示控制之間相對分離；采用面向對象的設計模式。

3? 接口與信息交互設計

3.1? 圖形接口

目前的系統主要采用三種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出一定的擴展性、靈活性和便捷性。目前Heidi接口多見于機械及工業設計領域。其他領域的3D系統絕大多數都建立在Direct3D、OpenGL兩種接口之上。

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

3.2? 虛擬設備接口

某型裝備虛擬維修訓練系統具有支持VR（虛擬現實技術）升級的潛在能力。在軟件架構、系統內核、編程方式以及硬件驅動等方面全面支持新一代VR虛擬設備，只需簡單的升級就可以實現VR功能。

4? 系統應用

對管理導控軟件以及各分系統之間的交互信息進行細化測試，約定通信協議，及時對交互方式進行可靠性測試。根據技術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系如圖1所示，系統后臺數據流程如圖2所示。

原理教學模塊界面如圖3所示，嵌入配音，左下角配有文字說明，中間部分用于展示部件結構原理，右面的正文部分設置有播放按鍵，學習者可以自行調整學習進度，也可以使用鼠標調整學習角度。

操作訓練模塊界面如圖4所示，左上角為計時窗口，記錄訓練所用時間，包括每個操作步驟所使用的時間（后臺記錄）；右上角為工具欄，顯示操作過程中所用到的配套工具等；左下角為流程圖箭頭，點擊后彈出流程圖，顯示模擬操作流程及操作進程。

維護保養和維修訓練模塊界面如圖5所示，左下角為訓練步驟，用于提示學習者按照流程完成維護維修訓練。

系統運行指標要求Win 7 64操作系統，顯存4 GB以上的獨立顯卡（性能不低于RTX1050）。全系統經過聯調測試，各項戰術技術指標符合要求，可刻錄成光盤形式使用。

5? 結? 論

該系統綜合運用信息技術手段實現了裝備內部構造的可視化、仿真化，將裝備模型與操作步驟有機地結合在一起，實現了交互式訓練、考核、記錄與評估，具備系統復盤功能，有效提升了部隊的訓練水平和訓練質量。

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

收稿日期：2022-10-06