基于虛擬現實的裝備可視化維修訓練系統

牛余朋 高 強 霍文彪 王 娜

(中國人民解放軍96630部隊)

基于虛擬現實的裝備可視化維修訓練系統

牛余朋 高 強 霍文彪 王 娜

(中國人民解放軍96630部隊)

針對裝備武器系統傳統維修訓練模式的不足，本文提出了一種基于虛擬現實技術的可視化裝備虛擬維修訓練系統，給出了系統的總體架構、結構組成和功能實現。該系統已成功應用于某型號裝備的虛擬維修訓練中。

虛擬現實；裝備維修；虛擬訓練

1 引言

隨著科學技術的不斷進步，裝備科技含量越來越高，結構更加復雜，由于受造價和條件的限制，大型裝備缺乏實裝訓練器材，嚴重制約了維修操作訓練和人員培訓。而且傳統的維修訓練模式需要消耗大量材料、動用實裝開展操作，訓練成本高，操作風險大。因此，迫切需要開發一種新的訓練手段來解決困擾部隊實裝訓練的難題。

虛擬現實(Virtual Reality,以下簡稱VR)技術是指采用以計算機技術為核心的現代高科技生成逼真的視、聽、觸覺等一體化的虛擬環境，用戶可根據自身的感覺，通過多種傳感設備，使用人的自然技能對虛擬環境中的物體進行考察或操作，參與其中的事件。該技術綜合了計算機技術、圖像圖形學技術、傳感技術、人工智能技術及生理心理學等技術。概括地說，虛擬現實技術就是實現人與計算機之間理想交互的一種綜合應用技術。

虛擬維修技術是虛擬現實技術在裝備維修過程中的應用，它可以突破實裝操作在空間和時間上的限制，在可視化的虛擬維修操作環境中，實現逼真的裝備虛擬維修操作。此外，虛擬維修還能有效地驗證裝備裝配操作的正確性，通過對維修過程全天候的反復虛擬訓練，能夠促進受訓人員迅速提高裝備武器裝備的維修能力。系統的建立可實現領域內大規模的系統重用，即在構建新的虛擬維修訓練系統時，無須從頭開始重新設計，而是在核心資源的基礎上靈活地集成，輸出高質量的系統，以適應不同的仿真需求，從而提高系統的可維護性、擴展性和通用性。

2 一體化仿真平臺設計

一體化仿真平臺是一套基于C#的可視化仿真框架，主要用于集成和合理配置各種資源，建立仿真場景，提供交互手段。該平臺主要由以下幾部分組成。

（1）虛擬場景組件

虛擬場景是為受訓者在接受訓練時提供一個“實裝”“實地”“實時”的仿真環境。它包括虛擬裝備、虛擬零部件和虛擬操作環境。主要是建立虛擬設備模型、運動模型和動作模型；建立具有裝備幾何、外觀以及拆卸等動作的虛擬樣機模型；建立具有拆卸動作的精確設備模型；建立真實感強的虛擬環境。由于本系統中對虛擬設備的操作動作識別等實現比較復雜，而人員操作則相對簡單，因此主要以鼠標/觸摸點選事件來代替虛擬人動作，以驅動對象的各種動作的仿真實現。

（2）人機交互組件

系統的人機交互實現主要通過鼠標、鍵盤和觸摸屏幕等標準外設,利用USB總線技術，經仿真應用程序接口采集交互設備輸出的參數，最后在仿真應用程序中進行數據處理。

（3）過程仿真組件

主要包括過程描述、過程仿真方法及基本作業仿真。過程描述是以文字、圖等表達方式對整個操作過程的描述,以指導教學、訓練和考核等過程仿真實現。過程仿真方法是按照實際操作流程對整個操作過程進行多叉樹形分解,形成基本的操作序列邏輯。按照這個邏輯進行基本作業模型則可完成整個操作過程的仿真。

3 系統架構設計

系統基本組成如圖1所示。

本系統面向裝備教學與訓練中的實際需求，通過虛擬訓

練的方式提高操作人員技術水平。該系統集教學、訓練、考核多種資源為一體，基于虛擬現實軟硬件系統，采用先進的三維動畫、視景仿真和虛擬現實技術，通過對某裝備外部和內部結構、拆裝順序、虛擬操作等教學和訓練資源進行高精度建模和仿真，實現了對某裝備原理相關知識、操作訓練、拆裝流程、理論教學等資源的一體化仿真開發。基于該系統，能夠加深用戶對裝備相關知識直觀和深入的理解，促進對裝備整體結構和內部結構更加深層次的把握，鍛煉人員的基本技能和實際操作能力。

圖1 虛擬系統組成框圖

4 系統功能模塊設計

本系統是一種典型的過程仿真系統，它是對實際裝備原理、操作和內部運動過程的仿真，目的在于使受訓人員在計算機提供的仿真環境中熟練掌握某裝備整體或關鍵設備或某一系統的信息。除了常規的教學、考核模塊外，系統中最重要的是裝備的虛擬拆裝訓練，其訓練過程由一系列按照拆裝規定的操作行為組成，受訓人員按照拆裝操作規程實施一次裝配操作，引起所操作對象的狀態改變，進而經過控制系統更新或機械結構傳遞，導致其它部件狀態發生改變，從而完成一次完整的拆裝操作。

本系統在一體化仿真平臺下，由訓練計劃、裝備概述、裝備結構介紹、虛擬交互操作訓練、專業考核及相關資源共6個模塊組成，如圖2所示，并就其中個別典型模塊進行闡述。

圖2 系統功能模塊組成

（1）裝備概述模塊

裝備概述模塊主要通過圖文的形式，給出按照某裝備教學的裝備概述，在保留傳統PPT教學、教材及課后測試的基礎上，通過進行美工設計和交互性的設計，有助于實現自然、流暢的課程教學過程。

（2）裝備結構介紹模塊

該模塊主要是三維動畫技術結合語音配合，對武器裝備的功用、組成等進行細致的講解，分為動畫播放和手動漫游模式。手動漫游模式可以用鼠標拖拽拉近裝備，可以清楚地了解裝備的結構組成，為后面的操作打下扎實的基礎。

（3）虛擬訓練模塊

虛擬訓練模塊主要通過對現實訓練場景在虛擬世界中進行重構，通過結構展示、拆裝教學、拆裝訓練、拆裝考核等手段，訓練學員在裝備拆裝方面的技能。其中拆裝教學，具有拆卸和裝配兩種模式，自動演示拆卸或者裝配過程，零件拆卸放置到零件庫或者從零件庫中拖出裝配；拆裝訓練，同樣具有拆卸和裝配兩種模式，零件拆卸放置到零件庫或者從零件庫中拖出裝配；提示功能，當不知道步驟時可根據提示的高亮功能輔助拆卸或者裝配；拆裝考核是對拆裝教學及訓練的學習效果進行檢驗，沒有任何提示，由受訓者從儀器庫選取裝配的產品放置到安裝位置，然后從工具箱選取工具進行安裝，對于安裝有技術要求的操作步驟會以填空的形式對相關要求進行考核。

（4）專業考核模塊

專業考核模塊主要通過交互式電子考試形式，對某裝備重要知識點進行梳理，收集和整理各類試題。該模塊能夠完成單選、多選、判斷、填空、簡答等主客觀題進行判斷計分，最后進行統計。

5 結束語

采用虛擬現實技術建立的可視化裝備虛擬維修訓練系統，可以有效地解決當前裝備實裝維修訓練存在的問題，提高了維修訓練效果，有效解決了部隊裝備維修訓練工作滯后、維修訓練效率低、費用高等關鍵難題，最大程度地滿足了部隊平時和戰時裝備維修訓練的需求。

[1]劉鵬遠，李瑞，張錫恩．某型武器系統虛擬操作訓練系統[J]．計算機工程，2003，29(18)：180-182．

[2]陳卓，馬瑾，紀伯公．基于EON Studio 6．0的某裝備虛擬訓練系統設計[J]．裝甲兵工程學院學報，22(5)：55-58．

[3]王嵐．EON虛擬現實軟件應用教程[M]．天津：南開大學出版社，2004．

[4]李和香，皮燦軍．三維虛擬仿真產品展示平臺的應用與研究[J]．電腦與電信，2012(9)：60-61．

[5]程松濤，劉欣欣．可視化虛擬PLC實驗軟件設計與制作[J]．現代制造技術與裝備，2015(3)71-72．

[6]賈長偉，焉寧，廖建，等．面向虛擬試驗的可視化應用生成工具研究與實現[J]．計算機測量與控制，2015(4)：1256-1258．

[7]岳利群，夏青，黃勇，等．利用OpenGL實現武器裝備模型運動可視化[J]．測繪科學，2010(6)120-122．

[8]陳耀．計算機硬件組裝虛擬實驗系統設計與實現[J]．電腦與電信，2014(12)：67-69．

Visual Equipment Maintenance Training System Based on Virtual Reality

Niu Yupeng Gao Qing Huo Wenbiao Wang Na
(Army 96630 of PLA)

tract】 Aiming at the shortages of traditional weapon system maintenance training mode,this paper presents a visual equipment virtual maintenance training system based on virtual reality technology.It also discribes the system structure and function realization.The system has been successfully applied to the virtual maintenance training of a certain type of equipment.

words】 virtual reality;equipment maintenance;virtual training

TP391.9

A

1008-6609(2016)09-0059-03

牛余朋，男，山東濟南人，碩士，高級工程師，研究方向：信息化建設。