基于NGRAIN的虛擬訓(xùn)練保障裝備開發(fā)方法研究＊

喬 軼 程 晉

（1.91550部隊(duì) 大連 116023）（2.海軍工程大學(xué)信息安全系 武漢 430033）（3.91278部隊(duì) 大連 116041）

1 引言

隨著軍隊(duì)信息化建設(shè)的逐步深入，大量新型裝備列裝到部隊(duì)，如何開展有效的、有針對(duì)性的保障訓(xùn)練使新裝備更快地形成并保持其戰(zhàn)斗力成為難題。另外，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)性能不斷提高和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展使得虛擬訓(xùn)練器材廣泛應(yīng)用于裝備的使用、維護(hù)、操控訓(xùn)練，實(shí)裝訓(xùn)練和仿真模擬訓(xùn)練相結(jié)合已成趨勢(shì)［1］。近年，軍隊(duì)在裝備技術(shù)支援保障過程中同樣需要虛擬訓(xùn)練保障裝備的支持，新裝備列裝部隊(duì)在這方面類似需求強(qiáng)烈。為此選擇NGRAIN軟件平臺(tái)，開展了虛擬裝備訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)開發(fā)方法研究。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

NGRAIN軟件如何在虛擬訓(xùn)練中應(yīng)用問題，目前已有不少國家（如美國、加拿大）已在航母、魚雷、飛機(jī)、坦克等裝備上進(jìn)行應(yīng)用研究和開發(fā)；國內(nèi)軍械工程學(xué)院等單位對(duì)制作交互式虛擬訓(xùn)練課件等方面做了一些研究［2］。但存在一些問題，如發(fā)布的交互式訓(xùn)練課件僅是裝備維修訓(xùn)練素材，無法實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練過程中的管理。鑒于此，本文提出了具有全三維仿真環(huán)境、多人協(xié)同操作、真實(shí)再現(xiàn)裝備的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)等特 點(diǎn) 的 NGRAIN 三 維 知 識(shí) 對(duì) 象 （3KO－3Dimensional Knowledge Objects）作為裝備保障訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)方法，為基于Web3D（基于網(wǎng)絡(luò)的三維仿真應(yīng)用程序）的操控訓(xùn)練、數(shù)字化演練以及訓(xùn)練效果評(píng)估提供技術(shù)支持。

3 虛擬訓(xùn)練

虛擬訓(xùn)練可以分為武器平臺(tái)級(jí)的模擬訓(xùn)練、戰(zhàn)術(shù)級(jí)模擬訓(xùn)練以及更高級(jí)別的模擬訓(xùn)練。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)件的虛擬裝備，模擬的是裝備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和操控特性，作為模擬部隊(duì)、模擬戰(zhàn)場(chǎng)、模擬攻擊、模擬作戰(zhàn)甚至模擬指揮控制等一系列模擬化軍事訓(xùn)練活動(dòng)的底層支持，基礎(chǔ)性作用不言而喻。采用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，可以實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練中的視覺、聽覺和觸覺三者統(tǒng)一，達(dá)到“反復(fù)實(shí)景操作訓(xùn)練”、“操訓(xùn)綜合處理”和“訓(xùn)練信息即時(shí)反饋”的要求。研究表明，人的神經(jīng)系統(tǒng)接受信息能力是需反復(fù)實(shí)踐磨練才能提高的，如果僅靠讀或聽只能接受10%～20%，那么通過虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)訓(xùn)練可達(dá)到90%，可見，虛擬訓(xùn)練有助于提高參訓(xùn)人員的接受能力［3］。

3.1 虛擬訓(xùn)練的特點(diǎn)

虛擬訓(xùn)練作為一種新型訓(xùn)練方法，顯而易見，有許多不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：首先，虛擬訓(xùn)練是增強(qiáng)課堂教學(xué)效果和擴(kuò)大訓(xùn)練效果的有效手段；其次，虛擬訓(xùn)練能在同一模擬現(xiàn)場(chǎng)完成各種不同環(huán)境下的訓(xùn)練?？墒故勘w驗(yàn)到實(shí)際操訓(xùn)中一般不大可能遇到的事情，并可實(shí)現(xiàn)基于分布式網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程協(xié)同訓(xùn)練。另外，采用虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，除上述固有特點(diǎn)外，還具有獨(dú)特的效益，主要體現(xiàn)在減少訓(xùn)練傷亡和節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)兩個(gè)方面。許多國家之所以在短短幾年中舍得投資數(shù)十億美元研制虛擬現(xiàn)實(shí)模擬系統(tǒng)，原因就在于它既經(jīng)濟(jì)又安全，是能訓(xùn)練出精良部隊(duì)的最佳手段［4］。

3.2 NGRAIN軟件特點(diǎn)

利用NGRAIN系列軟件開發(fā)虛擬系統(tǒng)，其開發(fā)工具Producer和應(yīng)用工具M(jìn)obilizer是分開的，兩者中均都集成有三維引擎。利用Producer軟件用戶不需要編程或?qū)懩_本就可以快速制作并發(fā)布交互式三維知識(shí)對(duì)象3KO，利用該軟件可以對(duì)裝備的機(jī)電產(chǎn)品的虛擬操控進(jìn)行模擬仿真3KO中包含程序動(dòng)畫、用戶定義的裝備機(jī)械部件特性、裝配和拆卸任務(wù)、指向其他子系統(tǒng)模型和其他參考材料的鏈接。

3.3 NGRAIN三維引擎

在以往的三維仿真和虛擬樣機(jī)應(yīng)用中，采用的還是多邊形處理方式，當(dāng)模型復(fù)雜時(shí)，比如整機(jī)、整船的模擬，三角形數(shù)量會(huì)上百萬，數(shù)據(jù)容量在若干GB，這就對(duì)計(jì)算機(jī)的圖形處理能力要求非常高，只能在高檔圖形工作站上才能開發(fā)和運(yùn)行，更不可能進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和批量發(fā)布，無法用于復(fù)雜裝備的虛擬［5］。此外，虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)還涉及多任務(wù)、多輸入／輸出、動(dòng)態(tài)模擬及圖形綜合等更為復(fù)雜的軟硬件結(jié)構(gòu)，作為虛擬訓(xùn)練的終端設(shè)備，如果為每一個(gè)訓(xùn)練崗位都配置上昂貴的圖形工作站顯然不現(xiàn)實(shí)。因此，基于體圖形的三維引擎應(yīng)運(yùn)而生［6～7］。

NGRAIN采用獨(dú)特的體素模型轉(zhuǎn)換、渲染以及存儲(chǔ)技術(shù)，其可交互的體素化三維引擎采用Cell將三維實(shí)體實(shí)行網(wǎng)格分割，而非傳統(tǒng)的面圖形，避免了復(fù)雜設(shè)備多邊形面的巨量計(jì)算問題，做到了三維模型的超輕量化，保證模型物理屬性、外觀真實(shí)條件下的高比例壓縮，渲染引擎完全軟件實(shí)現(xiàn)，不需要硬件三維加速，支持低端計(jì)算機(jī)平臺(tái)。

4 虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用B／S模式架構(gòu)（如圖1所示），從功能上由配置管理系統(tǒng)、NGRAIN虛擬裝備管理系統(tǒng)、NGRAIN保障裝備管理系統(tǒng)、嵌入式LabWindowsCVI軟件系統(tǒng)、單員交互訓(xùn)練系統(tǒng)、崗位協(xié)同操訓(xùn)系統(tǒng)、教學(xué)演示系統(tǒng)、參訓(xùn)人員數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、訓(xùn)練考評(píng)管理系統(tǒng)、教員在回路控制系統(tǒng)、訓(xùn)練信息查詢系統(tǒng)等組成。底層支撐數(shù)據(jù)庫包括虛擬裝備數(shù)據(jù)庫、訓(xùn)練人員數(shù)據(jù)庫、訓(xùn)練考評(píng)數(shù)據(jù)庫、訓(xùn)練即時(shí)信息數(shù)據(jù)庫等［8］。

圖1 某虛擬訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

4.2 主要功能

目標(biāo)軟件系統(tǒng)是一個(gè)基于B／S架構(gòu)的支持 Web3D的軟件，某種程度上類似于現(xiàn)在流行的三維網(wǎng)游，能夠讓用戶以“體驗(yàn)游戲”的方式，達(dá)到虛擬訓(xùn)練的目的［9～10］。為此提出系統(tǒng)主要功能如下

1）提供與實(shí)裝功能一致的三維虛擬訓(xùn)練裝備／軟件，通過真實(shí)場(chǎng)景和運(yùn)動(dòng)實(shí)體建模，建立仿真模型，對(duì)操作人員在操作過程中作出的一系列決策和動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，提供逼真的顯示效果和操作感受，提高訓(xùn)練的演示效果和交互性；

2）建立基于實(shí)裝的模型庫，模型精細(xì)程度達(dá)到單位最高級(jí)操作訓(xùn)練和使用維護(hù)需求，為方便系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，建立裝備管理數(shù)據(jù)庫；

3）系統(tǒng)支持單員虛擬交互操訓(xùn)和網(wǎng)絡(luò)多人協(xié)同訓(xùn)練；

4）提供自由瀏覽和引導(dǎo)模式（限定步驟）下的虛擬交互操訓(xùn)訓(xùn)練；

5）根據(jù)教學(xué)訓(xùn)練需要配置各種難度的訓(xùn)練科目，量化訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)操作人員進(jìn)行全面培訓(xùn)；

6）系統(tǒng)提供教員在回路控制和過程回放機(jī)制，訓(xùn)練即時(shí)信息庫實(shí)時(shí)記錄參訓(xùn)人員的訓(xùn)練動(dòng)作，教員可以隨時(shí)凍結(jié)場(chǎng)景進(jìn)行針對(duì)性講評(píng)；

7）利用訓(xùn)練考評(píng)系統(tǒng)（理論考核＋虛擬實(shí)操）對(duì)操作手的操作質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)分。

4.3 技術(shù)路線

系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)即面向部隊(duì)操控訓(xùn)練的用戶，采用業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的軟件開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行：三維建模采用Unigraghic或Pro.E；模型轉(zhuǎn)換控制采用Okino Poly Trans、Transmagic；采用NGRAIN Producer及其二次開發(fā)工具包API開發(fā)三維虛擬訓(xùn)練裝備；在對(duì)NGRAIN Mobilizer進(jìn)行二次開發(fā)時(shí)使用.NET語言C＃能最全面、最直接的訪問其所有的功能。C＃是對(duì)NGRAIN Mobilizer進(jìn)行二次開發(fā)的首選語言。采用該技術(shù)路線具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）具有強(qiáng)大的 Web3D動(dòng)畫功能，支持高質(zhì)量的三維畫面，全三維實(shí)時(shí)渲染，畫質(zhì)效果好，采用高數(shù)據(jù)壓縮比，能最大限度節(jié)省磁盤和內(nèi)存空間；

2）高性能的渲染算法。渲染速度快，幀率高而穩(wěn)定，支持海量三角面的大場(chǎng)景渲染。要支持管線渲染、頂點(diǎn)渲染和像素渲染以及多種烘焙貼圖；

3）用戶界面（GUI）及交互功能友好，居于可擴(kuò)充性，方便參數(shù)配置和優(yōu)化，內(nèi)存占用量低，運(yùn)行流暢；

4）要有高性能的物理引擎：可模擬剛體運(yùn)動(dòng)、流體運(yùn)動(dòng)等物理效果，物體之間的相互作用精準(zhǔn)而高效。先進(jìn)的碰撞檢測(cè)算法和強(qiáng)大的腳本系統(tǒng)；

5）基于B／S模式的服務(wù)器模塊功能強(qiáng)大而穩(wěn)定，服務(wù)器之間協(xié)同工作高效穩(wěn)定；

6）對(duì)市面流行的CAE建模軟件的良好支持，具有強(qiáng)大的二次開發(fā)接口。

5 虛擬訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

5.1 主要研發(fā)內(nèi)容

本著教學(xué)與訓(xùn)練相結(jié)合的原則，采用多媒體集成技術(shù)、三維交互技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及嵌入式軟件開發(fā)技術(shù)開發(fā)虛擬訓(xùn)練裝備，借助業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的NGRAIN開發(fā)平臺(tái)將三維知識(shí)對(duì)象集成到虛擬訓(xùn)練裝備中，采用C＃、SQL Sever 2005等開發(fā)工具進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)。主要完成了研制內(nèi)容如下

1）建立與實(shí)際裝備實(shí)裝功能一致的三維體素模型；

2）建立實(shí)裝管理數(shù)據(jù)庫，方便系統(tǒng)功能的擴(kuò)展；

3）研究網(wǎng)絡(luò)多人協(xié)同訓(xùn)練的虛擬訓(xùn)練方法；

4）研制與實(shí)裝界面一致的嵌入式系統(tǒng)模擬訓(xùn)練軟件；

5）建立訓(xùn)練人員、考評(píng)等信息管理數(shù)據(jù)庫；

6）研究“理論考核＋虛擬實(shí)操”訓(xùn)練考評(píng)方法，對(duì)操作手的操作進(jìn)行綜合評(píng)分。

以下僅闡述C＃環(huán)境下的NGRAIN虛擬裝備的集成、協(xié)同訓(xùn)練方法設(shè)計(jì)以及訓(xùn)練效果評(píng)估設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)。

5.2 關(guān)鍵技術(shù)問題與對(duì)策

5.2.1 C＃環(huán)境下的NGRAIN虛擬裝備的集成

以虛擬裝備的程序動(dòng)畫播放為例，簡(jiǎn)要介紹裝備虛擬訓(xùn)練評(píng)估系統(tǒng)的集成步驟如下：

1）利用Visual Studio 2005，創(chuàng)建基于Windows的C＃應(yīng)用程序項(xiàng)目。

2）添加項(xiàng)目引用NGrain.PKM.Mobilizer.dll等動(dòng)態(tài)鏈接庫。

3）在MainForm窗體的設(shè)計(jì)窗口，添加如下代碼：

另在MainForm中增加如下代碼：

4）調(diào)用Mobilizer功能（以執(zhí)行動(dòng)畫為例）。

回到窗體設(shè)計(jì)窗口，增加一個(gè)按鈕以及其響應(yīng)事件添加代碼如下

編譯并執(zhí)行程序，按下btnTest按鈕，Mobilizer窗口將執(zhí)行其中的動(dòng)畫。

5.2.2 協(xié)同訓(xùn)練方法設(shè)計(jì)

為了在系統(tǒng)間傳遞統(tǒng)一的控制信息及控制信息的擴(kuò)展，需定義一套統(tǒng)一的控制原語集。在協(xié)同訓(xùn)練評(píng)估控制流程過程中，需要一套標(biāo)準(zhǔn)的、簡(jiǎn)單易讀的語法來控制整個(gè)流程，為了實(shí)現(xiàn)協(xié)同訓(xùn)練評(píng)估控制流程編輯的通用化、易讀性，語法采用標(biāo)準(zhǔn)的XML標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，因?yàn)榇蟛糠值脑Z是異步方式執(zhí)行，因此需要使用事件通知方式獲得原語執(zhí)行結(jié)果，并同時(shí)更新系統(tǒng)狀態(tài)的變化，以便實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)共享，協(xié)同訓(xùn)練、演練。這樣就可以使虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的每一個(gè)訓(xùn)練者及時(shí)了解團(tuán)隊(duì)的工作狀態(tài)，以及使管理者及時(shí)了解整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)和訓(xùn)練狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)訓(xùn)練過程的管理和控制。

5.2.3 虛擬實(shí)操訓(xùn)練評(píng)估設(shè)計(jì)

利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如采用TCP／IP協(xié)議，可以把評(píng)估內(nèi)容發(fā)送到評(píng)估中心，評(píng)估中心可以對(duì)訓(xùn)練者的訓(xùn)練效果進(jìn)行客觀評(píng)估，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)保障訓(xùn)練中的薄弱環(huán)節(jié)，及時(shí)解決存在的問題。通過建立訓(xùn)練考核題庫，虛擬實(shí)操考核網(wǎng)上進(jìn)行，隨機(jī)抽取試題，即時(shí)提交、即時(shí)評(píng)分。支持理論考核成績(jī)?nèi)霂?，查詢?/p>

以logEvent記錄器形式記錄客戶端用戶的操作事件（記錄到可操作的零部件級(jí)），并上傳至服務(wù)器，入即時(shí)訓(xùn)練信息數(shù)據(jù)庫。比如

等等

表1 用戶操作事件表

以logEvent記錄器形式記錄答題內(nèi)容和結(jié)果（僅記錄考評(píng)關(guān)鍵點(diǎn)的事件），并上傳至服務(wù)器，入考評(píng)數(shù)據(jù)庫。比如：

p.LogEvent（"答題內(nèi)容"，"錯(cuò)誤：＃"＋question）；

表2 用戶考評(píng)結(jié)果事件表

提供訓(xùn)練信息回放：訪問即時(shí)訓(xùn)練信息數(shù)據(jù)庫、考評(píng)數(shù)據(jù)庫，運(yùn)行評(píng)估軟件模塊，自動(dòng)生成考評(píng)報(bào)表，僅服務(wù)器管理員有此權(quán)限。對(duì)訓(xùn)練信息數(shù)據(jù)庫、考評(píng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行維護(hù)：數(shù)據(jù)刪除、備份、恢復(fù)。

6 結(jié)語

基于NGRAIN軟件開發(fā)的虛擬裝備，支持B／S模式，具有全三維仿真環(huán)境、深度交互、自助式學(xué)習(xí)、多人協(xié)同操作、真實(shí)再現(xiàn)裝備的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，有利于促進(jìn)自主學(xué)習(xí)維修原理和技術(shù)，而且具有良好的教學(xué)、維修訓(xùn)練和評(píng)估作用，為裝備維修及使用培訓(xùn)提供了新的形式，作為裝備保障訓(xùn)練的專家支持系統(tǒng)，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景?？梢詾榛赪eb3D的遠(yuǎn)程協(xié)同訓(xùn)練、操控訓(xùn)練保障、數(shù)字化演練裝備以及訓(xùn)練效果評(píng)估提供技術(shù)支持。

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