某裝備虛擬維修訓練平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

王國新+宋殿義

摘要：美騰平臺在應(yīng)用過程中需要按其特定的方式進行操作，內(nèi)容設(shè)計也必須按照其固定的模式進行設(shè)計，操作方便性較差。針對這一缺陷，論文拋棄“美騰”平臺的固定框架，設(shè)計了一套基于Unity3D引擎的“傻瓜”式半實物仿真維修訓練平臺，該平臺操作簡單、使用方便，具有較強的可擴展性，能夠方便地添加各種資源，從而更好地滿足基層人員對裝備日常維修尋來年的需求。

關(guān)鍵詞：裝備虛擬維修訓練；設(shè)計；Unity3D

1系統(tǒng)功能設(shè)計

裝備維修涉及學科廣、涉及的知識也較多，對維修操作人員的能力素質(zhì)提出了較高的要求[1]。裝備虛擬訓練系統(tǒng)需要具備使培訓人員理解裝備工作原理，掌握裝備使用、維修技能、掌握典型故障維修技能的能力，因此，裝備虛擬維修訓練平臺應(yīng)該包含以下幾個方面的功能：

（1）裝備使用、維修以及工作原理的多媒體教學展示和文檔資料查詢的功能；

（2）裝備的操作使用、日常維護以及典型故障維修的訓練功能和考核評價功能。

多媒體資源以及文檔資源能夠作為基礎(chǔ)知識掌握的支撐。平臺的訓練功能允許用戶在虛擬的場景中進行裝備的使用、維護和維修等方面的訓練操作?？己斯δ軇t能夠?qū)ε嘤柸藛T的學習效果進行培訓，并提供反饋信息，方便制定后續(xù)的訓練和學習計劃，能夠更好地提高培訓的效率。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1給出了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)基于windows7操作系統(tǒng)，腳本通過C#語言編寫，模型通過3D MAX軟件制作，選用Unity3D引擎構(gòu)建虛擬場景仿真平臺，并選用SQL數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫[2]。

系統(tǒng)場景通過建模、碰撞檢測以及實時繪制技術(shù)進行構(gòu)建。然后通過數(shù)據(jù)庫對搭建好的場景進行保存，并利用系統(tǒng)的任務(wù)管理模塊對場景進行調(diào)用。系統(tǒng)包含學習、操作訓練、維護訓練以及考核四種工作模式。用戶通過用戶界面與系統(tǒng)進行交互，從而調(diào)用各種功能進行訓練和學習。

2.2系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)的功能主要包括為用戶提供學習、操作訓練、維護訓練以及考核四種應(yīng)用，這些應(yīng)用需要通過虛擬場景模塊、學習模塊、操作訓練模塊、考核模塊等模塊來實現(xiàn)。

（1）虛擬場景建模

裝備虛擬維修訓練平臺的虛擬場景建模主要包括對通信設(shè)備、維修工具以及相關(guān)的裝備零部件的建模。通信設(shè)備內(nèi)部包含了大量復(fù)雜的繼承電路，并且也是交互的主要場景，因此，對通信設(shè)備類模型的仿真度和精細度要求較高。在該平臺中，通過3DMAX以及Solidworks軟件進行裝備的1：1建模，然后通過與Unity3D引擎的高協(xié)同性，將*.FBX格式的設(shè)備模型和材質(zhì)信息導(dǎo)入到訓練平臺中。維修工具包括用于排除裝備故障所需要的各種工具，在建立模型之后，需要構(gòu)建虛擬維修工具箱，并導(dǎo)入Unity3D場景中。針對維修過程中需要更換元器件的維修操作內(nèi)容，制作與故障設(shè)定相關(guān)的裝備零部件模型，并建立虛擬零部件模型數(shù)據(jù)庫，在交互過程中供用戶進行調(diào)用，替換虛擬通信裝備上的問題元件。

模型的碰撞檢測主要使對模型之間是否產(chǎn)生接觸和交叉穿透的情況進行檢測。Unity3D引擎提供了基于AABB算法的原始碰撞器、基于模型網(wǎng)格的網(wǎng)格碰撞器以及復(fù)合碰撞器三種檢測算法，可以根據(jù)模型的具體形狀和功能選擇不同的碰撞器。

實施繪制技術(shù)能夠使系統(tǒng)的總體運算量大幅降低，從而提升系統(tǒng)的實時性。Unity3D引擎內(nèi)置了消隱技術(shù)、LOD技術(shù)、景深技術(shù)等，在應(yīng)用過程中，可以通過調(diào)用組件直接實現(xiàn)[3]。

（2）學習模塊

裝備虛擬訓練平臺的學習模塊主要使向?qū)W習者提供多媒體資料和文字資料。文字資料主要由廠家提供的使用維護說明書為基礎(chǔ)，形成HTML類的幫助文件。多媒體資料則以實地拍攝和電腦制作的視頻和圖片資料為主。實地拍攝的資料更加直觀，但是容易受限于拍攝場景，所表達的效果較為有限，更多的適用于裝備使用維護的教學。電腦制作的動畫資料更加靈活，但是制作成本相對較高，主要適用于原理教學。通過將資料文件導(dǎo)入到Unity3D之后，系統(tǒng)會自動為文件調(diào)用電影紋理組件。

（3）操作訓練模塊

裝備的使用實際上是使用人員與裝備進行信息交換的過程，使用人員根據(jù)裝備的使用規(guī)則輸入相關(guān)信息對其進行操作。裝備在獲取信息后，按照信息的指令運行，并通過一定的形式反饋給使用人員。裝備的操作訓練則是對該過程的模擬，圖2給出了系統(tǒng)中進行信息傳遞的過程，用戶通過鍵盤和鼠標控制虛擬的角色進行裝備的操作，虛擬角色和虛擬裝備通過場景變化將信息反饋給用戶。

圖2 系統(tǒng)信息交互過程

裝備的功能是提前設(shè)定好的，因此，用戶的使用操作流程也基本是固定的。系統(tǒng)將裝備的操作規(guī)則錄入到數(shù)據(jù)庫中，用戶在模擬操作時，系統(tǒng)會將用戶輸入的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)進行比對，從而判斷用戶的具體操作。

（4）維修訓練模塊

相對于操作訓練而言，維修訓練中的信息傳輸更加復(fù)雜，維修訓練的流程更多。維修訓練的目標主要是讓用戶能夠更好地理解裝備的工作原理，掌握故障的維修方法。系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的裝備維修任務(wù)生成對應(yīng)的任務(wù)信息，用戶在訓練的過程中通過調(diào)用這些信息指導(dǎo)用戶完成維修訓練的過程。裝備維修訓練模塊中用戶需要完成以下幾方面的任務(wù)：第一，目標件的定位拆卸；第二，相關(guān)零部件的拆卸；第三，目標零件的更換；第四，零部件的拆裝；第五，相關(guān)功能檢驗。其中，零部件的拆裝過程使裝備維修中最多的，因此也是該模塊的重點內(nèi)容。

（5）考核模塊

考核模塊主要使對用戶的裝備操作維護能力進行評價。模塊可以在關(guān)閉操作訓練模塊和維護訓練模塊輔助功能的情況下，記錄用戶完全自主完成各種操作和維護任務(wù)的數(shù)據(jù)，然后與標準流程進行比對，從而對用戶的操作和維修過程進行綜合評價，并根據(jù)評價結(jié)果給出相應(yīng)的學習建議。另外，還能夠?qū)τ脩艨己说恼麄€過程進行錄像，在完成之后提供回放功能，方便培訓人員進行總結(jié)分析。

用戶在操作和維修裝備的過程中會產(chǎn)生大量的信息，如何選出具有代表性的評價指標使考核模塊實現(xiàn)的關(guān)鍵。根據(jù)裝備虛擬維修訓練平臺的特點按照任務(wù)是否完成、是否超出規(guī)定時限、操作順序是否正確、是否存在無效操作四個指標進行評價。四個指標對任務(wù)和裝備的影響存在差異，完成任務(wù)不完整會直接導(dǎo)致任務(wù)失敗；操作順序錯誤可能影響零部件的壽命，嚴重的還可能導(dǎo)致裝備損壞。任務(wù)完成時間超標則任務(wù)失敗，存在無效操作則說明操作步驟錯誤。

3結(jié)語

論文針對美騰平臺的缺陷，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于Unity3D的裝備虛擬維修訓練平臺，該平臺能夠為培訓人員提供從基礎(chǔ)原理學習到實踐模擬訓練再到考核的整個應(yīng)用過程，具有適用性強、成本低、推廣性強等特點，能夠在實際工程應(yīng)用中發(fā)揮較好的作用。

參考文獻：

[1]梅朝.武器裝備虛擬維修訓練系統(tǒng)設(shè)計[J].火力與指揮控制，2016，（09）：151-155+160.

[2]鄭林.通用裝備虛擬維修訓練系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2012，（12）：4681-4685.

[3]王上軍.某裝備虛擬維修訓練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].兵工自動化，2009，（09）：11-14.endprint