光電設備教學中虛擬三維建模技術的應用

周樂　羅威　董文鋒

摘 要：針對目前光電設備教學中存在的實物設備少、培訓時間緊、訓練內容難度大以及學員對于新型光電設備不熟悉、不敢用、不會用等問題，該文提出采用虛擬三維建模技術來輔助教學，分析了該技術在教學中的應用需求并介紹設計開發實現流程，最后采用該技術實現光電設備故障處理及維護模擬訓練。

關鍵詞：三維建模 教學 光電設備 模擬訓練

中圖分類號：G71 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）01（c）-0144-03

Abstract： With virtual three dimension modeling technique， this paper aim to solve the conflict of limited teaching device and training time in the course of optoelectronic device teaching which is considerably difficult for junior cadet. Application requirements of this technique and process of designing and developing are introduced. Finally， this technique is used to simulate trouble shooting training of optoelectronic device.

Key Words： Three dimension modeling； Teaching； Optoelectronic device； Simulation training

隨著裝備信息化程度的不斷提高，基于前沿探測技術和干擾技術的光電設備越來越多地得到應用。光電設備具有功能模塊單元多、光路結構精密以及裝配連接復雜等特點，因而對光電設備的教學訓練提出了更高的要求。

目前士官技師作為裝備和技術保障的一線人才，存在著專業領域較窄、知識面不夠寬廣、前沿技術了解不夠等突出問題。由于光電設備對光電技術原理基礎要求較高，士官技師對于新型光電裝備普遍不熟悉、不敢用、不會用，因而光電設備相關的院校教學和任職培訓面臨任務緊、需求大的現實要求。針對上述矛盾需求，該文提出采用虛擬三維建模技術來解決光電設備教學中所面臨的現實難題。

1 虛擬三維建模技術在光電設備教學中的應用需求分析

目前對于光電設備教學培訓面臨著較大困難，主要表現在如下幾個方面。

（1）目前使用的光電設備普遍價格昂貴，配發供教學使用的數量有限，學員在校學習期間安排的操作使用課時較少。在崗技師的裝備學習往往僅憑借設備技術說明書和相關培訓文檔，在沒有系統教學和指導的條件下，在崗位工作中重新學習認識設備單元及其器件，降低了學員培養的效益。

（2）光電設備屬精密儀器設備，其中的光路和光學器件精密復雜，且一般需要密封安裝，難以進行實物拆開單元講解。而從事技術保障崗位的士官技師，對于設備實物特別是內部單元結構認識較淺，難以判斷故障及其成因，因而無法對設備進行修理和有效維護。

（3）教學參考資料往往是機械設計二維平面圖紙，對于復雜結構的光電設備沒有空間可視性，教學使用不直觀，也不便于空間想象力差的學員理解。而任職培訓課時緊、信息量大，難以在有限的課堂教學時間內，達到使學員深入透徹理解前沿技術和設備的教學效果。

（4）教學訓練缺乏對抗性和實戰情景。通過虛擬技術虛擬對抗目標和對抗手段，可以設置交互性較強的對抗訓練內容；立體維度包含聲光視覺效果的情景能夠有效地模擬實戰環境，促進學員實戰環境的認知和適應性。

隨著虛擬現實、三維建模和仿真交互等技術的不斷發展與應用，在傳統課堂的演講式教學方法基礎上，輔以各種形式的現代教育技術，正逐步形成新的教學手段。采用計算機虛擬三維建模技術可以克服目前教學實裝少、缺口大的問題，同時三維模型使得教學的內容更直觀、更具啟發性，虛擬現實技術還可以有效地幫助學員進行操作維護訓練和對抗訓練，因而可以有效地提高教學授課的效率與操作訓練的質量。

2 光電設備虛擬三維模型設計開發與實現

這里以光電設備配電箱為例，介紹虛擬三維模型教學庫的設計開發與實現過程：采用SolidWorks和CAD等建模軟件建立設備單元與環境單元模型庫（包括該配電箱的按鈕、液晶屏顯示、空氣開關、撥動開關單元等），根據該設備結構以及訓練科目要求采用虛擬現實軟件3D-quest建立原型模型，然后添加設備運行數據以及環境和視覺合成數據到虛擬引擎中（如按鈕和空氣開關的撥動以及屏幕的數碼顯示等），最后采用桌面式虛擬現實集成系統來模擬設備工作狀態，通過系統調試后，將不同的訓練科目以及相關的數據進行存儲歸檔便于后續的開發和應用，即可完成光電設備教學三維模型庫的開發，如圖1所示。

根據該開發流程進行光電設備配電箱的設計開發效果如圖2所示。基于該模型即可以直觀地進行該配電箱結構和功能模塊以及操作流程的講解，并可以結合3D-quest等虛擬現實軟件引擎進行開關機流程及運行操作訓練，使學員在虛擬模擬器上熟練掌握裝備的操作要領。

3 模擬訓練光電設備內部故障維修

采用虛擬三維模型技術并結合虛擬引擎可實現設備故障及維護維修訓練。通過在光電設備各個單元的數據庫中建立較為典型和常見的故障現象，在虛擬環境下利用動畫視頻、聲音合成、儀表指示、對話框提示等方式來模擬操作維護及其效果，通過反復自主訓練使學員能夠掌握光電設備故障現象和排除方法的一般規律和特點。

光路傳輸裝置一般結構復雜精密，表面密封，難以進行拆卸練習。圖3為光路傳輸裝置的虛擬三維模型，通過虛擬三維模型來模擬其詳細的內部結構，使學員通過模型熟練掌握設備單元的內部結構及其主要特點，可模擬其中光電器件單元裝配和維護的順序、方法以及注意事項，通過反復自主的訓練使學員掌握拆卸方法、器件特點以及維護要領。

如圖4所示，可對其中的電機及軸連接部件設置故障現象并進行分析排故訓練，通過模擬訓練，可以熟練掌握設備各功能單元的常見故障現象及處理方法，從而能有效判斷故障成因并進行針對性的修理和日常維護。

4 結語

針對目前光電設備教學中存在的教學條件限制與崗位任職能力要求之間的矛盾問題，提出了采用虛擬三維模型技術來進行光電設備的教學和模擬訓練，有效提升了教學質量和學員崗位任職能力，為培養學生成為光電設備保障和維護技師打下良好基礎。

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