虛實結合層遞式裝備測試教學訓練模式研究

顧鈞元 等

陳育良? 肖支才? 盛沛

［摘 要］ 針對現有裝備技術保障教學訓練模式存在的不足，根據其技術保障全要素、全流程的要求和實戰，按照技術準備流程一致、操作內容一致、操作要求一致的標準，充分利用虛擬仿真訓練VR（Virtual Reality）等新興技術，基于虛擬訓練系統、操作訓練模擬器和實裝“三位一體”，進行層遞式一體化的裝備測試教學訓練模式構建研究，完成“三位一體”、層遞式的裝備測試教學訓練過程，構建層遞式、虛實一體的裝備測試教學訓練模式。

［關鍵詞］ 虛實結合；裝備測試；教學訓練模式

［基金項目］ 2020年度海軍航空大學青年教研創新人才工程項目（2020433）

［作者簡介］ 顧鈞元（1982—），男，山東煙臺人，博士，海軍航空大學講師，主要從事裝備測試保障研究；陳育良（1980—），男，浙江湖州人，博士，海軍航空大學講師，主要從事裝備測試保障研究；肖支才（1977—），男，湖北漢川人，博士，海軍航空大學副教授，主要從事裝備測試保障研究。

［中圖分類號］ G642.4 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1674-9324（2023）36-0131-05［收稿日期］ 2022-08-01

引言

習近平主席指出：“深入推進軍事訓練轉型，構建新型軍事訓練體系，全面提高訓練實戰化水平和打贏能力。”［1］測試是裝備技術保障的核心內容。近年來，隨著多型裝備的入役，現有的院校教學訓練裝備逐漸不能滿足教學訓練需求；另外，裝備使用壽命受通電時間、通電次數等限制，使用實裝訓練對裝備壽命消耗大，且容易造成裝備損傷；同時，現有實裝實訓方式無法形成教學訓練全覆蓋，無法滿足大量、足量的裝備實操訓練要求。針對現有裝備測試教學訓練模式存在的不足，充分利用VR（Virtual Reality）等新興技術，進行虛實結合的層遞式裝備測試教學訓練模式研究與實踐，構建面向實戰化的切實有效可行的裝備測試教學訓練模式，為全面提升院校裝備教學訓練實戰化水平提供堅實的支撐。

一、虛實結合教學模式研究背景

近年來，隨著信息化技術的迅速發展，新的教學方法正在不斷涌現，其中VR技術作為當前最具活力和前景的技術之一，已在教學實踐中得到一定程度的普及與應用［2-3］。在國外，基于VR的教育項目正成為一種越來越普及的教育媒體設計方案。美國華盛頓大學開發名為Magic Book的增強現實系統，使傳統出版讀物的圖文描述轉變為三維立體成像，開創了增強現實技術在教育教學中應用的初倪［4-5］。在VR應用研究方面，國外成熟的系統遍地開花，并結合相關的教學理論和學習理論進行了多方面的論述，成果斐然。在國內，許多高校已開展虛擬現實和增強現實方面的研究工作［6-8］。其中最有代表性的是北京師范大學現代教育研究所研發的“未來之書”，該團隊制作了一本虛實融合的立體交互書，利用增強現實的圖像識別、三維成像等技術克服傳統圖書的不足，帶來了新的教學模式和方法。

在國內外軍事訓練領域，基于虛擬技術的裝備訓練蓬勃發展，有力地推動了裝備教學訓練體系建設，美軍充分利用VR、AR等技術，完成了裝備保障和維修，甚至進行體系對抗、飛行員操作訓練等；國內的VR、AR等技術在各軍事院校教學中得到了大量運用，空軍工程大學導彈學院將VR、AR、MR等技術運用于裝備保障和教學中，海軍航空大學將VR應用到飛行訓練中，基于VR技術開發了艦載機某型導彈攻擊訓練裝備等。

二、裝備技術保障虛擬訓練系統設計

（一）系統硬件架構

根據技術準備要求，訓練系統可以單機操作也可多人協同操作，考慮多人交互訓練使用需求，配置訓練號手席位，并根據號手數量配置訓練臺位以及進行預留。同時考慮教學需求，還配置了導調控制席位，系統硬件架構如圖1所示。

虛擬訓練系統主要用于技術準備的操作訓練，根據內場技術準備和外場掛機訓練配置不同的號手，根據操作號手數量配置不同數量的號手實訓臺，每個臺位包括1套工作站，主要用于完成3D視景渲染等工作，還包括1套用于虛擬訓練的VR外設，包括VR頭顯、數據手套和追蹤器等。

導調操控臺主要用于訓練數據管理、訓練任務管理、統計分析和操作實時監控等。交互顯示系統完成整個虛擬訓練進程的顯示和投影。導調操控臺、號手實訓臺和顯示系統之間的控制數據、場景數據、監控數據等傳輸由網絡鏈路完成。

（二）系統軟件架構

依據功能需求和硬件配置進行軟件設計，虛擬訓練系統軟件架構如圖2所示，由技術層和應用層兩部分組成。依據功能要求，應用層面有操作訓練和導調控制兩部分內容，由8大主要功能、24個功能模塊組成；技術層涉及人機自然交互、相關底層算法和建模技術，包括1個人機自然交互技術、9個仿真運算底層算法和10個建模技術。

為了保證主框架和各模塊之間有較好的兼容性，軟件在VS開發上統一使用三維引擎驅動開發包實現二次開發。為實現系統的模塊化和通用性，盡量減少耦合性，系統在接口和數據定義明確的情況下分為若干模塊同時開發，最后依次集成。

（三）裝備三維模型、行為模型和交互模型的構建

1.三維模型構建。（1）資料收集和實地測繪。收集仿真對象的文本、圖像、視頻等相關資料，對擬構建的仿真對象根據實際情況綜合采用實地測量、拍照，3D掃描、攝影重構等方法對仿真實體進行1D、2D、3D數字化測量，獲得仿真對象的空間尺寸、輪廓形狀、表面材質和紋理等多維信息。（2）資料匯總和標準化處理。對采集的仿真實體的各種相關信息進行資料分類、匯總，對拍攝的照片進行白平衡矯正、射影矯正和尺寸校準。（3）高模修正。對重點仿真實體3D掃描或攝影逆向的模型進行模型修正、冗余去除、孔洞填補、表面光順，調整細節。（4）拓撲重構。在建模軟件中參考高模、三視圖和相關的尺寸模型進行3D拓撲重構，用關鍵點位均一化的Poly和Vertex代替高模中雜亂的3D布線，可以將渲染復雜度降低到原來的1/100甚至1/1 000，同時保證實時仿真的流暢性。（5）坐標調整和DOF設置。在虛擬訓練仿真中，會涉及很多復雜的機械機構，而每個機構包含多層DOF父子層級以及不同的局部坐標中心。在3D仿真模型重構的過程中也要根據實際的仿真實體設置對應的坐標中心、DOF局部坐標以及綁定關系，確保仿真3D模型在運動過程中與實體的一致性。（6）UV映射、拆分。對低模進行UV空間黎曼保形映射，UV拆分、縫合、修正，UV空間紋理密度歸一化處理。（7）紋理重映射和烘焙。在建模軟件GI渲染引擎下將高模的高頻Diffuse、Normal、AO、Reflection、Roughness、Glossiness、Alpha等多通道細節和GI信息重投影到低模表面空間，并對異常部位修正。（8）多通道紋理繪制。在繪圖軟件中參考仿真實體照片、低模UV信息和高模烘焙信息進行Diffuse、Normal、AO、Reflection、Roughness、Glossiness、Alpha等多通道紋理繪制、調整、修復。（9）PBR材質制作。將制作好的低模及Diffuse、Normal等多通道紋理導入PBR實時渲染引擎中交互式調整表面材質使用的Shader，并利用內置的材質筆刷等工具對表面多通道紋理進行進一步細化調整。（10）模型導入VR引擎并調整。將經過PBR流程處理的模型導入VR實時引擎，進行模型裝配和進一步調整材質、紋理和光照、Shader的最終效果。在VR引擎中設置相應的著色器、HDR貼圖、GI以及合適的Light Probes，確保實時渲染效率和效果的均衡。在VR引擎中檢查做好的模型有無問題，如果出錯則返回前面的步驟繼續調整。（11）虛擬仿真環境模型構建即分塊調度。虛擬仿真環境模型除了上述幾個建模步驟以外，還有自己獨特的建模需求。一般來講，仿真環境相對仿真實體來說會大很多，而VR的視角每次能看到的角度是有限制的，這就意味著需要對場景模型進行適當的切分和分塊調度。合理規劃場景模型的分塊，處理好分塊之間的接縫，構建場景的BSP調度算法，提高渲染的效率。

2.行為模型構建。裝備行為模型是指用于描述裝備三維模型執行某些動作行為的模型。虛擬訓練系統中有很多復雜的仿真實體有獨特的行為模型和動力學模型，如技術勤務和外場掛機等專業用到的機械部件，連接件之間有復雜的鉸鏈約束、滑動約束、頂點約束、柔性約束，也會涉及剛體動力學、柔體動力學、IK動力學、彈簧、布料、繩索、蒙皮等一系列復雜的行為模型和動力學模型，本研究將參考經典的剛體、柔體等動力學方程，結合仿真對象的特點建立裝備仿真的行為模型。

3.交互模型構建。交互模型主要用來表達行為模型之間、人與行為模型之間、人與人之間的動作協作關系。交互式虛擬訓練系統屬于人在回路的虛擬仿真。當號手在不同時刻執行不同的動作時，裝備行為模型會產生動態的反應和交互。

根據裝備技術準備實操訓練過程和操作流程，運用UML構建技術準備各科目的實操序列圖和協作圖。序列圖用于描述裝備行為模型根據號手命令執行動作且行為模型之間基于時間順序的動態交互，強調消息傳遞和行為執行的先后順序，展示如何按步驟完成系統的某項功能。協作圖用于表現模型與模型之間、人與人之間的協作關系，強調發送和接收消息的行為模型之間的結構組織的交互以及各號手在規定時間內操作的協調關系，顯示行為模型、行為模型之間的鏈接、行為模型之間的消息以及各號手的協調動作。

（四）虛擬訓練系統三維動畫的制作

1.UI界面的搭建與實現。為了訓練系統整體的美觀與操作者的良好體驗，簡潔美觀的UI是必不可少的，這可以使號手迅速了解系統每項功能的使用，提高號手的學習效率。首先設計人員繪制界面草圖，然后美工人員做出相應的電子切圖，最后仿真平臺開發人員根據設計圖搭建界面。

2.虛擬訓練系統工程的搭建。運用VR仿真平臺搭建虛擬訓練工程，將制作好的裝備、技術支援系統、儀器儀表、訓練環境等三維模型導入工程，工程資源包括訓練場景、訓練腳本、三維模型、紋理、貼圖、音頻文件、視頻文件和預制等組件。

3.虛擬實體模型空間布局和定位。運用VR仿真編輯器編輯各三維模型在空間中的位置和姿態，避免模型之間的干涉、交叉與穿越。

4.裝備行為仿真模型的實現。運用VS模塊化編程技術，根據前期構建的裝備行為模型編制對象行為程序流程圖，將裝備行為數學模型轉化為仿真模型，形成VR仿真平臺支持的腳本語言，實現裝備的位移、旋轉等行為的虛擬仿真。

5.交互仿真模型的實現。交互包括人與裝備行為模型之間、行為模型與行為模型之間的交互。交互非常重要，整個虛擬訓練的工作和運轉需通過交互完成。運用VS模塊化編程技術，根據前期構建的交互序列圖和協作圖編制對象交互程序流程圖，將交互數學模型轉化為仿真模型，形成VR仿真平臺支持的腳本語言，實現虛擬訓練的交互仿真。

6.仿真過程中實體模型的碰撞檢測。虛擬訓練過程中，三維模型在執行位移和旋轉行為時，有時要避免模型和模型的接觸（現實生活中發生碰撞會損傷裝備，而虛擬仿真中模型碰撞會導致穿越，如扳手插進墻壁），有時又需要模型和模型進行接觸（如裝備的拆卸和安裝），所以仿真過程中三維模型的碰撞檢測是必須的?；谂鲎矙z測技術，采用射線檢測和碰撞器檢測兩種方式，通過腳本程序獲取和調用記錄碰撞事件發生的各種信息，實現對碰撞事件的處理和相應的動作執行。碰撞檢測的應用既對裝備運動路徑進行合理性檢查，又能夠增強操作者在系統內漫游時的參與感與真實感。

7.多人協同操作的實現。每個科目的裝備測試訓練都需要多個號手協同操作完成。協同操作就號手本身而言，每個動作有其嚴格的時間順序，就專業整體而言，則需在規定的時間內協調一致共同完成某項操作。根據多人協同交互序列圖和協作圖，編制各科目各號手規定時間內的規定口令和動作表，運用多人時空同步技術實現多號手在時間上和空間上的同步運行，運用VR多人聯網技術，實現多客戶端的信息通信、邏輯交互和協同操作。

三、虛實結合層遞式裝備測試教學訓練模式

（一）模式構建

構建層遞式、虛實一體化的裝備測試教學訓練模式，進行裝備測試教學訓練模式研究和實踐，基于VR虛擬訓練系統，熟悉裝備測試過程和流程；基于模擬裝備訓練，熟悉電纜連接、操作等過程；基于實裝進行科目化、崗位式練兵，鞏固、提高教學訓練效果，由此構建“虛擬—模擬—實裝”的層遞式、虛實一體化的裝備測試教學訓練模式。（1）構建虛實一體化、標準化、流程化的裝備測試教學流程內容；（2）建立虛擬訓練、模擬訓練、實裝訓練“三位一體”的層遞式、實戰化的裝備測試教學模式；（3）分型號、分科目、分崗位建立科目化的裝備測試教學訓練標準。

（二）構建內容

1.建立科目化的裝備測試教學內容。根據裝備技術準備流程、規程和要求，進行科目化裝備測試內容構建，建立包含裝備測試讀卡制要求、裝備技術準備相關流程表格化、崗位化號手制操作規程等，構建科目化的裝備教學虛擬訓練流程。

2.分號手、全流程裝備虛擬測試教學訓練流程設計。針對裝備測試專業初學者對裝備操作過程不熟悉的特點，依據裝備技術準備規程，建立以操作者為中心的形象化、智能化、引導式的訓練系統，幫助操作者借助虛擬現實技術完成復雜的裝備技術準備保障工作，熟悉基本流程?？朔酝b備教學訓練時學員采用邊讀卡邊操作方式的弊端，解決了訓練人員不便或難以在現場操作的同時查找翻閱文檔資料，造成效率低下、容易出現遺忘和差錯的問題。

3.全要素、實戰化裝備測試教學訓練模式構建。結合虛擬訓練系統以及實裝和訓練模擬器構建新型裝備測試教學訓練模式，基于VR技術進行虛擬訓練，熟悉裝備測試過程和流程；基于模擬裝備訓練，熟悉電纜連接、操作等過程；基于實裝進行科目化、崗位式練兵，鞏固、提高教學訓練效果。

結語

通過構建基于VR的全流程裝備技術保障訓練系統，充分利用虛擬現實技術營造逼真的訓練環境，利用計算機仿真技術模擬技術準備中各種操作行為所引起的設備實時反應，解決院校訓練裝備缺乏的難題。在此基礎上，優化裝備測試教學訓練的內容，并完成虛實結合的層遞式裝備測試教學訓練內容規劃，構建了裝備測試教學訓練模式。通過初步探索，改進的教學訓練模式能夠縮短教學訓練周期、豐富訓練內容、降低訓練成本，獲得了良好的實訓效果。同時，為院校裝備教學訓練提供了一種可參考的模式。

參考文獻

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Study on Progressive Virtual-real Combined Equipment Test Teaching and Training Pattern

GU Jun-yuan， CHEN Yu-liang， XIAO Zhi-cai， SHENG Pei

（Naval Aviation University， Yantai， Shandong 264001， China）

Abstract： In view of the shortcomings of the teaching and training mode of equipment technical support， according to the requirements of the whole elements and the whole process of the technical support， and the standard of the actual combat according to the process of the technical reality， the content of the operation and the requirements of the operation， making full use of the advanced technology such as virtual simulation training VR， based on the integration of VR training system， the operation training simulator and the real equipment， progressive integration equipment test teaching and training pattern construction research is carried out to complete the trinity progressive equipment test teaching and training process and construct the progressive virtual and real equipment test teaching and training pattern.

Key words： combination of virtuality and reality; equipment testing; teaching and training pattern