智能工程機(jī)械仿真訓(xùn)練系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

卜凡，肖玉美，李敏，趙玉鈞

(徐州前誠網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，江蘇徐州，221000)

1 總體介紹

智能工程機(jī)械仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的主體及專家?guī)炀捎肅#語言開發(fā)，基于MONO，兼容微軟.net framework。軟件界面及流程部分基于Unity引擎開發(fā)，支持各種主流設(shè)備，包括PC、MAC等。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫支持本地?cái)?shù)據(jù)庫SqlLite以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫SQLServer；系統(tǒng)主要開發(fā)工具為Microsoft Visual Studio 2016，輔以3DSMax和.net 網(wǎng)絡(luò)庫進(jìn)行三維模型及場景構(gòu)建和導(dǎo)出與網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)通訊的開發(fā)。

對于多種不同的工程機(jī)械設(shè)備，基于面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_發(fā)統(tǒng)一的代碼基礎(chǔ)類庫，以方便代碼的重用，接口的統(tǒng)一，和功能的一致化升級。通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，抽象各設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)以在同一共享場景下進(jìn)行各設(shè)備的協(xié)同化工作。

本項(xiàng)目采用的技術(shù)復(fù)雜，跨越多個(gè)領(lǐng)域，涉及機(jī)械、機(jī)電一體化、多服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、多平臺協(xié)調(diào)，而且具有軟件種類繁多、硬件環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，因此在項(xiàng)目實(shí)施時(shí)，必須分步實(shí)施。

智能工程機(jī)械仿真訓(xùn)練系統(tǒng)采用模塊化方法進(jìn)行研發(fā)，模塊組成包括：視景仿真平臺、實(shí)時(shí)仿真、人機(jī)交互、視景特效技術(shù)、硬件控制和顯示系統(tǒng)等。整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部以“視景仿真平臺”為核心，連接外部“硬件接口單元”?！耙暰胺抡嫫脚_”通過視景特效技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真（包括運(yùn)動(dòng)仿真、碰撞檢測、視角控制、音效仿真等功能）和人機(jī)交互（包括人員管理、培訓(xùn)考核、系統(tǒng)組態(tài)配置、成績管理等功能）。“硬件接口單元”則可以將全實(shí)物的駕駛室、多屏顯示器、油門、操作桿等操作硬件連接起來，為“視景仿真平臺”提供傳感器輸入及對外執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2 主要技術(shù)說明

通過在智能工程機(jī)械仿真訓(xùn)練軟件系統(tǒng)中建立工程機(jī)械仿真訓(xùn)練信息大數(shù)據(jù)，進(jìn)而建立工程機(jī)械仿真訓(xùn)練智能專家?guī)臁４送?，通過運(yùn)用大數(shù)據(jù)的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，發(fā)現(xiàn)各種工程機(jī)械仿真訓(xùn)練相關(guān)規(guī)律與信息，并將這些規(guī)律引入到專家?guī)?，再將智能專家?guī)煊糜诠こ虣C(jī)械仿真訓(xùn)練中，從而實(shí)現(xiàn)主動(dòng)引導(dǎo)式訓(xùn)練，帶來高效的訓(xùn)練效果。

（1）通過大數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)學(xué)員學(xué)習(xí)情緒和效率的變化規(guī)律，建立專家?guī)煲?guī)則，并構(gòu)建使學(xué)員感興趣的教學(xué)情景，以穩(wěn)定學(xué)員學(xué)習(xí)情緒，提高學(xué)員學(xué)習(xí)效率。

（2）發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練問題與處理規(guī)律，實(shí)現(xiàn)智能糾錯(cuò)?！皻v史總是驚人的相似“，相似學(xué)員在訓(xùn)練過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤操作等問題，必定有著相似的起因。問題一旦發(fā)生，無外乎二個(gè)原因：人的原因、物的原因。大數(shù)據(jù)可以在繁復(fù)的故障及障礙相關(guān)數(shù)據(jù)中，總結(jié)出相應(yīng)的問題前期征兆以及后期的處理規(guī)律。當(dāng)有類似征兆出現(xiàn)后，專家?guī)炜梢噪S著征兆的符合程度依次提高智能糾錯(cuò)處理，讓學(xué)員的錯(cuò)誤操作盡快終止，以消除問題與障礙，盡快形成優(yōu)良的操作習(xí)慣。

（3）發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練中的管理規(guī)律，提高訓(xùn)練管理水平，針對性定制訓(xùn)練計(jì)劃。針對眾多學(xué)員的訓(xùn)練管理規(guī)律，可讓專家?guī)煜到y(tǒng)為每個(gè)學(xué)員定制訓(xùn)練計(jì)劃，有針對性的查優(yōu)補(bǔ)缺，提高訓(xùn)練設(shè)備利用率及學(xué)員訓(xùn)練效率。

（4）強(qiáng)化學(xué)員危機(jī)意識，形成良好的操作習(xí)慣。運(yùn)用大數(shù)據(jù)挖掘并發(fā)現(xiàn)工程機(jī)械在實(shí)際操作過程中因錯(cuò)誤操作發(fā)生的事故經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，并引入到智能專家?guī)熘?，讓智能專家?guī)於ㄖ瞥鱿鄳?yīng)的訓(xùn)練場景，避免學(xué)員因操作失誤導(dǎo)致類似事故發(fā)生。

智能工程機(jī)械仿真訓(xùn)練系統(tǒng)會將系統(tǒng)中的各操作硬件有機(jī)組合起來，并與大數(shù)據(jù)平臺中的專家?guī)煜到y(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)安全、極速的浸入式3D全景主動(dòng)式訓(xùn)練。

基于三維虛擬現(xiàn)實(shí)多媒體技術(shù)的計(jì)算機(jī)平臺來實(shí)現(xiàn)真實(shí)工程機(jī)械設(shè)備的仿真演示、模擬真實(shí)操作的應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全新訓(xùn)練視覺效果。編制的仿真操作軟件畫面真實(shí)感強(qiáng)，操作反應(yīng)迅速、體現(xiàn)物理效果、動(dòng)態(tài)陰影效果、音效等，并能結(jié)合工程機(jī)械等硬件，開發(fā)了由操作臺、控制箱、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、接口卡、顯示設(shè)備等構(gòu)成的工程機(jī)械仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)的智能主動(dòng)式的智能工程機(jī)械仿真訓(xùn)練系統(tǒng)在操作人員培訓(xùn)中可以完全解決目前同類系統(tǒng)存在的以下弊端：

（1）工程機(jī)械駕駛員培訓(xùn)難以實(shí)現(xiàn)個(gè)別化教學(xué)方案，不能適應(yīng)受訓(xùn)人員不同的知識、心理、年齡等綜合因素的影響。

（2）培訓(xùn)老師認(rèn)知結(jié)構(gòu)不同、操作方式、培訓(xùn)技能不同導(dǎo)致培訓(xùn)出來的學(xué)員質(zhì)量良莠不齊。

（3）工程機(jī)械操作人員培訓(xùn)耗時(shí)、耗力、培訓(xùn)困難。尤其常規(guī)直接上機(jī)操作的培訓(xùn)方式還非常危險(xiǎn)。

3 軟件實(shí)現(xiàn)過程

為了系統(tǒng)軟件各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)，首先，項(xiàng)目參與的技術(shù)人員分三個(gè)小組：策劃、程度、美工，三者有著緊密的合作關(guān)系，每一個(gè)分工部分都會有各自不同的工作內(nèi)容，如果把所有的工作成果整合在一起并在一個(gè)平臺中實(shí)現(xiàn)，就組成了一個(gè)完整的訓(xùn)練平臺產(chǎn)品。軟件功能實(shí)現(xiàn)過程中，核心工作有：

（1）訓(xùn)練平臺策劃

訓(xùn)練平臺策劃類似于一個(gè)游戲開發(fā)的策劃。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人以創(chuàng)建者和維護(hù)者的身份參與到訓(xùn)練系統(tǒng)平臺的世界中，將想法和設(shè)計(jì)傳遞給程序設(shè)計(jì)和美工設(shè)計(jì)；在策劃過程中，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人需要把握系統(tǒng)的整體概念并對開發(fā)工作進(jìn)行管理和協(xié)調(diào)，并對訓(xùn)練平臺的系統(tǒng)進(jìn)行整體策劃，例如選擇機(jī)型、工作狀況、錯(cuò)誤狀況、排行榜、實(shí)際得分等系統(tǒng)，需要提供界面及界面操作、邏輯判斷流程圖、各種提示信息等。

訓(xùn)練平臺數(shù)值策劃又稱平衡性策劃。平衡性策劃需要把握平衡性方面的規(guī)則和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括AI、關(guān)卡等，以及除了操作過程以外，都需要數(shù)值策劃負(fù)責(zé)。游戲數(shù)值策劃的日常工作和數(shù)據(jù)打的交道比較多，如在訓(xùn)練平臺中所見的操作失誤損失值、HP 值，甚至包括得分的公式等等都由數(shù)值策劃所設(shè)計(jì)。需要進(jìn)行訓(xùn)練關(guān)卡策劃，例如負(fù)責(zé)訓(xùn)練場景的設(shè)計(jì)以及任務(wù)流程、關(guān)卡難度的設(shè)計(jì)，其工作包羅萬象，包括場景中的操作失誤分布、AI 設(shè)計(jì)以及訓(xùn)練平臺中的碰撞設(shè)計(jì)等等都會涉及。需要對訓(xùn)練平臺的腳本進(jìn)行策劃，例如場景中水紋運(yùn)動(dòng)的腳本編程，工程機(jī)械聯(lián)動(dòng)的腳本編程，工程機(jī)械所用的反向動(dòng)力學(xué)的腳本編程等。

（2）訓(xùn)練平臺角色場景美工

以軟件美工為例，美工是指電子訓(xùn)練畫面中的美術(shù)組成部分。通俗的說，凡是訓(xùn)練中所能看到的一切畫面都屬于訓(xùn)練美工的工作范疇，包括地形、建筑、植物、人物、動(dòng)物、動(dòng)畫、特效、界面等的制作。訓(xùn)練美工可以簡單的分為2D 和3D 兩類，2D 即使用位圖等二維圖形制作訓(xùn)練場景；3D 則是通過大型的3D游戲引擎制作訓(xùn)練世界和各種物件的3D 模型，并由計(jì)算機(jī)處理后得到真實(shí)感較強(qiáng)的3D 圖像。

同理，在智能工程機(jī)械仿真訓(xùn)練軟件開發(fā)過程中，同樣需要對UI 進(jìn)行設(shè)計(jì)，簡單說就是訓(xùn)練平臺操作界面，登陸界面，訓(xùn)練平臺道具，得分標(biāo)志，訓(xùn)練平臺中小物件的設(shè)計(jì)等等。包括場景中的環(huán)境、機(jī)械、道具等的設(shè)計(jì)，以盡可能制作出精細(xì)逼真的場景元素。對角色進(jìn)行設(shè)計(jì)，對工程機(jī)械模擬訓(xùn)練平臺中的特效進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如訓(xùn)練平臺中機(jī)械的動(dòng)動(dòng)產(chǎn)生的灰塵、碰撞產(chǎn)生的火花、場景中水流的質(zhì)感等等。對訓(xùn)練平臺中的角色動(dòng)畫的制作，原畫、場景，角色、道具、動(dòng)畫、特效的全部制作工作和整合。需要制作的技術(shù)、規(guī)范，了解制作流程，通過完成模擬游戲項(xiàng)目鞏固和提高之前的知識，掌握游戲美術(shù)設(shè)計(jì)的綜合技能。

（3）訓(xùn)練平臺程序開發(fā)

在工程機(jī)械模擬訓(xùn)練平臺開發(fā)過程中，是通過C#對腳本程序進(jìn)行編程的，而在腳本程序?qū)崿F(xiàn)的過程中，則需要通過模塊化的方式，逐步實(shí)現(xiàn)軟件各個(gè)功能。

所謂模塊化是指解決一個(gè)復(fù)雜問題時(shí)自頂向下逐層把系統(tǒng)劃分成若干模塊的過程，有多種屬性，分別反映其內(nèi)部特性模塊化是一種處理復(fù)雜系統(tǒng)分解為更好的可管理模塊的方式。模塊化可用來分割，組織和打包軟件。模塊化是一種處理復(fù)雜系統(tǒng)分解成為更好的可管理模塊的方式，（兩句話重復(fù)？）它可以通過在不同組件內(nèi)設(shè)定不同的功能，把一個(gè)問題分解成多個(gè)小的獨(dú)立、互相作用的組件，以此來處理復(fù)雜、大型的軟件。在訓(xùn)練平臺的開發(fā)中，利用程序模塊化分工，進(jìn)行腳本編程，可以到達(dá)工作簡化的目的。

（4）基于大數(shù)據(jù)的智能主動(dòng)式仿真訓(xùn)練教程開發(fā)

基于多年采集的仿真訓(xùn)練數(shù)據(jù)，研發(fā)基于大數(shù)據(jù)的智能主動(dòng)式仿真訓(xùn)練模塊，可以實(shí)現(xiàn)對工程機(jī)械駕駛員培訓(xùn)的因材施教、個(gè)性化主動(dòng)培訓(xùn)，避免平臺被動(dòng)地受到受訓(xùn)人員的知識、心理、年齡等綜合因素的影響。同時(shí)，也避免了平臺因局限于培訓(xùn)老師對結(jié)構(gòu)不同、操作方式、培訓(xùn)技能認(rèn)知不同而導(dǎo)致培訓(xùn)出來的學(xué)員質(zhì)量良莠不齊的情況。

4 結(jié)語

基于本文介紹的軟件設(shè)計(jì)方法，近年來，筆者所在的公司研發(fā)、實(shí)現(xiàn)并已開始批量銷售的智能工程機(jī)械仿真訓(xùn)練系統(tǒng)有煤礦機(jī)械、汽車起重機(jī)、橋門式起重機(jī)、塔式起重機(jī)、挖掘機(jī)、叉車、裝載機(jī)等十余種。依靠操作簡單、界面友好、仿真度高、操作感受真實(shí)等優(yōu)勢，公司開發(fā)的一系列仿真訓(xùn)練系統(tǒng)受到了用戶的一致好評，取得了優(yōu)秀的銷售業(yè)績。