某型雷達(dá)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(陸軍工程大學(xué) 石家莊校區(qū)，石家莊 050003)

0 引言

雷達(dá)實(shí)裝教學(xué)訓(xùn)練當(dāng)中，受教學(xué)訓(xùn)練資源、手段的限制，裝備教學(xué)訓(xùn)練過程中存在著裝備設(shè)備不足、教學(xué)訓(xùn)練時(shí)間難以保證、成本高等突出問題，很大程度上制約著教學(xué)訓(xùn)練效果的提高[1]。而利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)可在很大程度上緩解上述問題，且系統(tǒng)具有交互性強(qiáng)、安全性高、不損耗實(shí)際裝備器材、不受裝備和場(chǎng)地限制等優(yōu)點(diǎn)[2]。因此，本文結(jié)合裝備教學(xué)訓(xùn)練實(shí)際需求，針對(duì)某型火控雷達(dá)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[3]設(shè)計(jì)并開發(fā)了某型雷達(dá)[4]虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，并在教學(xué)訓(xùn)練實(shí)踐中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了很好的教學(xué)訓(xùn)練效果。

1 系統(tǒng)基本功能

根據(jù)雷達(dá)教學(xué)訓(xùn)練實(shí)際需求，開發(fā)的某型雷達(dá)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)具有五項(xiàng)基本功能：裝備展示功能、裝備操作功能、裝備維修功能、訓(xùn)練評(píng)估功能以及數(shù)據(jù)支持功能，如圖1所示。

1.1 裝備展示功能

裝備構(gòu)造原理認(rèn)知是進(jìn)行雷達(dá)裝備操作訓(xùn)練、維修訓(xùn)練的基礎(chǔ)。裝備展示功能針對(duì)裝備構(gòu)造原理認(rèn)知需求，包括兩方面的內(nèi)容：一是以虛擬交互的方式，向參訓(xùn)人員展示雷達(dá)整機(jī)及其各分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成；二是向參訓(xùn)人員演示雷達(dá)整機(jī)及其各分系統(tǒng)的工作過程。

1.2 裝備操作功能

裝備操作訓(xùn)練是裝備教學(xué)訓(xùn)練的一項(xiàng)基本內(nèi)容，也是進(jìn)行雷達(dá)維修訓(xùn)練的基礎(chǔ)。裝備操作功能針對(duì)裝備操作訓(xùn)練需求，利用系統(tǒng)提供的虛擬裝備操作環(huán)境，可進(jìn)行雷達(dá)架設(shè)、撤收、開機(jī)、關(guān)機(jī)、系統(tǒng)標(biāo)定、搜捕目標(biāo)等裝備操作訓(xùn)練。

1.3 裝備維修功能

裝備維修訓(xùn)練是雷達(dá)裝備教學(xué)訓(xùn)練的一項(xiàng)重要內(nèi)容。裝備維修訓(xùn)練包括三個(gè)基本的步驟：故障觀察、故障診斷、故障排除[5-6]。針對(duì)這一基本過程，系統(tǒng)提供的裝備維修功能可為參訓(xùn)人員提供一個(gè)虛擬的雷達(dá)裝備維修環(huán)境，利用該環(huán)境，可進(jìn)行裝備性能檢查、組合拆裝、組件更換等裝備維修活動(dòng)[7-8]。

1.4 訓(xùn)練評(píng)估功能

訓(xùn)練評(píng)估是檢驗(yàn)雷達(dá)裝備教學(xué)訓(xùn)練效果的有效手段。系統(tǒng)提供的裝備操作訓(xùn)練和裝備維修訓(xùn)練環(huán)境可實(shí)時(shí)記錄參訓(xùn)人員的訓(xùn)練過程，并將訓(xùn)練過程數(shù)據(jù)存入過程數(shù)據(jù)庫(kù)。需要進(jìn)行訓(xùn)練評(píng)估時(shí)，系統(tǒng)可調(diào)用訓(xùn)練過程數(shù)據(jù)，利用訓(xùn)練評(píng)估模型，對(duì)參訓(xùn)人員的訓(xùn)練效果進(jìn)行評(píng)估。

1.5 數(shù)據(jù)支持功能

數(shù)據(jù)支持功能是系統(tǒng)裝備展示、裝備操作、裝備維修、訓(xùn)練評(píng)估等功能的保障。裝備構(gòu)造原理展示時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)可為虛擬系統(tǒng)提供裝備結(jié)構(gòu)模型，基本行為模型等數(shù)據(jù)支撐。裝備操作或維修訓(xùn)練時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)除了提供基本的運(yùn)行數(shù)據(jù)外，還可記錄訓(xùn)練過程數(shù)據(jù)。訓(xùn)練評(píng)估時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)可為訓(xùn)練評(píng)估提供評(píng)估數(shù)據(jù)及評(píng)估模型，并記錄評(píng)估結(jié)果。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

結(jié)構(gòu)組成上，可將某型雷達(dá)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)分為兩部分：系統(tǒng)主界面以及系統(tǒng)集成框架，如圖2所示。

圖2 某型雷達(dá)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

其中，系統(tǒng)主界面包括三個(gè)功能模塊：訓(xùn)練科目設(shè)置、訓(xùn)練過程監(jiān)控、訓(xùn)練評(píng)估。訓(xùn)練科目設(shè)置主要用于對(duì)裝備操作或裝備維修訓(xùn)練科目進(jìn)行設(shè)置；訓(xùn)練過程監(jiān)控主要對(duì)訓(xùn)練過程進(jìn)行監(jiān)視和控制；訓(xùn)練評(píng)估主要用于對(duì)裝備操作或裝備維修訓(xùn)練過程進(jìn)行評(píng)估。

系統(tǒng)集成框架集成各類仿真模型模塊，控制各類模型模塊的加載、卸載以及運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)"人-機(jī)"交互式仿真。

系統(tǒng)集成框架集成的模型模塊主要包括：構(gòu)造原理展示模型模塊、訓(xùn)練環(huán)境模型[9]模塊、運(yùn)行機(jī)理模型模塊和人機(jī)交互模型[10]模塊。其中，構(gòu)造原理展示模型包括兩類：裝備結(jié)構(gòu)模型和基本行為模型。裝備結(jié)構(gòu)模型主要包括雷達(dá)及其附屬設(shè)備(如指揮鏡、雷達(dá)備附件等)模型；基本行為模型主要包括操作過程中裝備展現(xiàn)出的各種基本現(xiàn)象和行為模型。訓(xùn)練環(huán)境模型主要包括雷達(dá)所處地域環(huán)境、氣象條件等基本訓(xùn)練環(huán)境條件模型。運(yùn)行機(jī)理模型包括兩類：裝備操作模型和裝備維修模型。裝備操作模型是對(duì)裝備操作行為的描述；裝備維修模型是對(duì)裝備故障排除行為的描述。人機(jī)交互模型用于將操作人員的操作轉(zhuǎn)換為對(duì)虛擬裝備的操作指令，從而實(shí)現(xiàn)交互式虛擬訓(xùn)練。四類仿真模型的關(guān)系如圖3所示。

圖3 四類模型關(guān)系

人機(jī)交互模型將操作人員的操作行為轉(zhuǎn)換為屏幕定位信息，并作用于構(gòu)造原理展示模型；構(gòu)造原理展示模型給運(yùn)行機(jī)理模型發(fā)出操作請(qǐng)求，根據(jù)裝備操作規(guī)則，運(yùn)行機(jī)理模型向構(gòu)造原理展示模型發(fā)送裝備響應(yīng)使能，同時(shí)將提示信息發(fā)送給人機(jī)交互模型，從而可為操作人員提供提示信息。在虛擬訓(xùn)練過程中，訓(xùn)練環(huán)境模型提供訓(xùn)練環(huán)境信息。

3 系統(tǒng)仿真模型的開發(fā)

維修訓(xùn)練系統(tǒng)仿真模型的開發(fā)主要包括裝備結(jié)構(gòu)模型開發(fā)、訓(xùn)練機(jī)理模型開發(fā)、人機(jī)交互模型開發(fā)和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型的開發(fā)。這里著重介紹裝備結(jié)構(gòu)模型、訓(xùn)練機(jī)理模型和人機(jī)交互模型的開發(fā)過程。

3.1 裝備結(jié)構(gòu)模型開發(fā)

裝備結(jié)構(gòu)模型在一定程度上具有與真實(shí)雷達(dá)裝備相似的幾何與功能真實(shí)度，具有支持訓(xùn)練活動(dòng)過程的空間、時(shí)間、自由度約束的運(yùn)動(dòng)特性和物理特性。裝備結(jié)構(gòu)模型開發(fā)主要包括裝備的物理結(jié)構(gòu)描述與基本行為描述。

裝備物理結(jié)構(gòu)描述按照“單裝”→“分體/組合”→“面板/電路板”→“部件/測(cè)試點(diǎn)”的四級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行，以滿足對(duì)裝備結(jié)構(gòu)認(rèn)知及不同訓(xùn)練的需求。根據(jù)不同的需求，裝備的最小開發(fā)單元可以是“部件/測(cè)試點(diǎn)”，也可是“面板/電路板”，因此在進(jìn)行3D模型是應(yīng)統(tǒng)籌考慮，模型開發(fā)有詳略重點(diǎn)，這樣有利于減小裝備建模的工作量。

基本行為描述針對(duì)裝備模塊實(shí)際的基本狀態(tài)而開發(fā)，如按鍵的按下、天線的轉(zhuǎn)動(dòng)、組合從車體的抽出、電路板從組合中的分解、開關(guān)的扳動(dòng)、顯示部件狀態(tài)的改變、測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)輸出等，基本行為描述可結(jié)合裝備的3D模型同步進(jìn)行。

3.2 訓(xùn)練機(jī)理模型開發(fā)

訓(xùn)練機(jī)理模型按照實(shí)際裝備操作和故障排除流程而開發(fā)，包括以下內(nèi)容：訓(xùn)練過程、正常使用操作的步驟、故障診斷與排除的過程；裝備維修/操作過程中，各部件、測(cè)試儀器儀表等相互之間的激勵(lì)與響應(yīng)關(guān)系； 在戰(zhàn)斗操作或故障診斷過程時(shí)，在每個(gè)步驟下允許或禁止的操作。因此，訓(xùn)練機(jī)理模型開發(fā)包括兩大步驟：裝備操作/維修流程描述，對(duì)每一個(gè)操作步驟進(jìn)行詳細(xì)說明。

第一步，裝備操作/維修流程描述。該步驟可用維修/操作過程流圖來表示，圖4給出了雷達(dá)戰(zhàn)斗準(zhǔn)備的操作過程流程圖。

圖4 雷達(dá)戰(zhàn)斗準(zhǔn)備的操作過程流程圖

裝備維修/操作過程流圖繪圖要素包括三項(xiàng)：操作步驟、聯(lián)接和交匯點(diǎn)。操作步驟用于描述裝備維修/操作過程中的一個(gè)步驟或狀態(tài)，在該步驟下包括一項(xiàng)關(guān)鍵操作，完成該操作后則轉(zhuǎn)向下一個(gè)步驟。聯(lián)接是把操作步驟等模塊連接在一起的機(jī)制，表明它們之間時(shí)間的、邏輯的、因果的等聯(lián)系。交匯點(diǎn)是用于說明過程分支之間邏輯關(guān)系的一種機(jī)制包括過程的分叉與匯合、過程之間的關(guān)系。

第二步，對(duì)裝備操作/維修流程涉及到的每一個(gè)操作步驟進(jìn)行詳細(xì)說明。操作步驟詳細(xì)說明的目的是描述出在該操作步驟中的關(guān)鍵操作(如按鈕的“按下”、“抬起”，開關(guān)的“打開”、“關(guān)閉”，電路板測(cè)試點(diǎn)的“測(cè)量”等)，并對(duì)這些操作的激發(fā)原因和響應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行描述(如按下按鈕后指示燈亮，指示燈則是對(duì)按鈕按下操作的響應(yīng)對(duì)象，又如對(duì)電路板上的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行操作時(shí)，測(cè)試儀表對(duì)其進(jìn)行響應(yīng)，顯示數(shù)據(jù)、波形等)。

3.3 人機(jī)交互模型開發(fā)

人機(jī)交互模型主要采用面向消息的模式開發(fā)，包括使用外部設(shè)備對(duì)虛擬裝備觸發(fā)產(chǎn)生的操作消息和觸發(fā)裝備產(chǎn)生的響應(yīng)消息。在模型開發(fā)的過程中，為了便于控制裝備各個(gè)部分的狀態(tài)，將裝備操作和裝備響應(yīng)分離開來設(shè)計(jì)。利用外設(shè)(如鍵盤、操縱桿、觸控手勢(shì)等)對(duì)裝備進(jìn)行操作，系統(tǒng)將這些操作按照一定的規(guī)則轉(zhuǎn)換成操作消息，向機(jī)理模型發(fā)出操作請(qǐng)求；機(jī)理模型對(duì)操作請(qǐng)求進(jìn)行判斷，如果是允許操作，則發(fā)出響應(yīng)消息，裝備結(jié)構(gòu)模型對(duì)消息進(jìn)行響應(yīng)；如果是不允許的操作，則發(fā)出操作錯(cuò)誤的提示。

4 虛擬訓(xùn)練基本工作流程

利用某型雷達(dá)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，操作過程可分為訓(xùn)練科目選擇、系統(tǒng)初始化、裝備訓(xùn)練、訓(xùn)練效果評(píng)估4個(gè)步驟，如圖5所示。

圖5 虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)基本流程

1)訓(xùn)練科目選擇：系統(tǒng)啟動(dòng)之后，根據(jù)訓(xùn)練計(jì)劃安排，在主界面選擇需要進(jìn)行的訓(xùn)練科目，然后進(jìn)行系統(tǒng)初始化；

2)系統(tǒng)初始化：讀取數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，加載戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型、裝備結(jié)構(gòu)展示模型和裝備機(jī)理模型，并對(duì)裝備的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置；

3)裝備訓(xùn)練：操作人員使用鍵盤鼠標(biāo)或其他人機(jī)交互設(shè)備進(jìn)行裝備操作訓(xùn)練過程中可提供相應(yīng)的提示信息，系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄操作步驟。

4)訓(xùn)練效果評(píng)估：操作完成后，系統(tǒng)利用操作過程數(shù)據(jù)和訓(xùn)練效果評(píng)估模型，進(jìn)行訓(xùn)練效果評(píng)估并顯示評(píng)估結(jié)果。

5 應(yīng)用實(shí)例

裝備教學(xué)訓(xùn)練活動(dòng)主要包括兩大類：構(gòu)造原理教學(xué)以及裝備操作訓(xùn)練。下面介紹系統(tǒng)在兩類教學(xué)訓(xùn)練活動(dòng)中的應(yīng)用實(shí)例。

5.1 在構(gòu)造原理教學(xué)中的應(yīng)用

結(jié)合虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，構(gòu)造原理教學(xué)可在如下環(huán)節(jié)展開：裝備展示、拆裝演示。

裝備展示?？衫孟到y(tǒng)提供的裝備3D模型，進(jìn)行雷達(dá)裝備整機(jī)及主要組成部分的演示，指明雷達(dá)裝備整機(jī)的組成及各組成在裝備中的位置。

拆裝演示。可利用系統(tǒng)提供的模擬操作環(huán)境，拆裝雷達(dá)各組成部分，雷達(dá)各組成部分的結(jié)構(gòu)和拆裝過程可被更加直觀的認(rèn)知。圖6為裝備某組成部分的結(jié)構(gòu)與拆裝演示過程。

圖6 裝備結(jié)構(gòu)與拆裝演示

結(jié)合虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，裝備操作訓(xùn)練在如下環(huán)節(jié)展開：操作演示、虛擬操作、訓(xùn)練評(píng)估。

利用虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行雷達(dá)裝備的構(gòu)造原理教學(xué)，可便利參訓(xùn)人員對(duì)裝備結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，提高參訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)效果。

5.2 在裝備操作訓(xùn)練中的應(yīng)用

結(jié)合虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，裝備操作訓(xùn)練在如下環(huán)節(jié)展開：操作演示、虛擬操作、訓(xùn)練評(píng)估。

操作演示。利用虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行裝備操作訓(xùn)練內(nèi)容演示。讓參訓(xùn)人員了解裝備的戰(zhàn)勤操作、維修操作等基本內(nèi)容，起到“教學(xué)引導(dǎo)”的作用。

虛擬操作。參訓(xùn)人員在系統(tǒng)上進(jìn)行虛擬交互操作，通過多次的虛擬交互式訓(xùn)練，可以熟悉操作的流程，為實(shí)裝操作做好準(zhǔn)備。

訓(xùn)練評(píng)估。結(jié)合模擬操作情況，運(yùn)用虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練效果評(píng)估功能，可評(píng)估參訓(xùn)人員訓(xùn)練水平。

將虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用于裝備操作訓(xùn)練環(huán)節(jié)，體現(xiàn)出了“開放式、情景式、交互式”的特征[1]，在很大程度上克服了實(shí)裝訓(xùn)練中存在的實(shí)裝不足、裝備損耗大、教學(xué)訓(xùn)練成本高等突出問題，促進(jìn)了裝備教學(xué)訓(xùn)練工作的開展。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的某型雷達(dá)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)可使受訓(xùn)者在不依托實(shí)際裝備的情況下進(jìn)行逼真的教學(xué)訓(xùn)練。目前，該系統(tǒng)已用于我校多個(gè)專業(yè)的裝備操作、維修等教學(xué)訓(xùn)練實(shí)踐中，不但解決了教學(xué)訓(xùn)練中裝備設(shè)備不足、時(shí)間難以保證、成本高等突出問題，同時(shí)也豐富了教學(xué)訓(xùn)練的手段，提高了參訓(xùn)人員參與訓(xùn)練的積極性，有效提高了裝備教學(xué)訓(xùn)練效果[6]。本文的研究可為其他裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)提供參考，具有積極的應(yīng)用價(jià)值和借鑒意義。