某裝備虛擬維修訓練平臺的設計與實現

王國新+宋殿義

摘要：美騰平臺在應用過程中需要按其特定的方式進行操作，內容設計也必須按照其固定的模式進行設計，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。

關鍵詞：裝備虛擬維修訓練；設計；Unity3D

1系統功能設計

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提出了較高的要求[1]。裝備虛擬訓練系統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。考核功能則能夠對培訓人員的學習效果進行培訓，并提供反饋信息，方便制定后續的訓練和學習計劃，能夠更好地提高培訓的效率。

2系統結構設計與實現

2.1系統結構設計

圖1給出了系統的結構，系統基于windows7操作系統，腳本通過C#語言編寫，模型通過3D MAX軟件制作，選用Unity3D引擎構建虛擬場景仿真平臺，并選用SQL數據庫作為系統數據庫[2]。

系統場景通過建模、碰撞檢測以及實時繪制技術進行構建。然后通過數據庫對搭建好的場景進行保存，并利用系統的任務管理模塊對場景進行調用。系統包含學習、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進行交互，從而調用各種功能進行訓練和學習。

2.2系統功能實現

系統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用，這些應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。

（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備、維修工具以及相關的裝備零部件的建模。通信設備內部包含了大量復雜的繼承電路，并且也是交互的主要場景，因此，對通信設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引擎的高協同性，將*.FBX格式的設備模型和材質信息導入到訓練平臺中。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，需要構建虛擬維修工具箱，并導入Unity3D場景中。針對維修過程中需要更換元器件的維修操作內容，制作與故障設定相關的裝備零部件模型，并建立虛擬零部件模型數據庫，在交互過程中供用戶進行調用，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、基于模型網格的網格碰撞器以及復合碰撞器三種檢測算法，可以根據模型的具體形狀和功能選擇不同的碰撞器。

實施繪制技術能夠使系統的總體運算量大幅降低，從而提升系統的實時性。Unity3D引擎內置了消隱技術、LOD技術、景深技術等，在應用過程中，可以通過調用組件直接實現[3]。

（2）學習模塊

裝備虛擬訓練平臺的學習模塊主要使向學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，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。通過將資料文件導入到Unity3D之后，系統會自動為文件調用電影紋理組件。

（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，使用人員根據裝備的使用規則輸入相關信息對其進行操作。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 系統信息交互過程

裝備的功能是提前設定好的，因此，用戶的使用操作流程也基本是固定的。系統將裝備的操作規則錄入到數據庫中，用戶在模擬操作時，系統會將用戶輸入的數據與數據庫中存儲的數據進行比對，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。系統根據用戶選擇的裝備維修任務生成對應的任務信息，用戶在訓練的過程中通過調用這些信息指導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：第一，目標件的定位拆卸；第二，相關零部件的拆卸；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的數據，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，并根據評價結果給出相應的學習建議。另外，還能夠對用戶考核的整個過程進行錄像，在完成之后提供回放功能，方便培訓人員進行總結分析。

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

3結語

論文針對美騰平臺的缺陷，設計并實現了一種基于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原理學習到實踐模擬訓練再到考核的整個應用過程，具有適用性強、成本低、推廣性強等特點，能夠在實際工程應用中發揮較好的作用。

參考文獻：

[1]梅朝.武器裝備虛擬維修訓練系統設計[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的設計與實現[J].計算機工程與設計，2012，（12）：4681-4685.

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