某型高速柴油機虛擬訓練系統?

李雪青 范毅晟 祝笑舟

（1.海軍模擬飛行訓練中心 北京 102488）（2.海軍軍訓器材研究所 北京 102308）

1 引言

在現實世界中，大型機械設備的使用、維護保障工作往往面臨學習理解難度大、操作復雜、成本高、學習時間周期長的問題。為了培養學員學會使用、維護保障這些設備，以往都是使用實裝進行現場演示、拆裝講解，然而機械設備大都不透明，學員無法了解其內部構造，缺少學習的直觀性，同時由于一些設備造價昂貴數量少，不能保證每個學員都有實操訓練的機會，發動機的面板操作更是無法現場演示。虛擬現實技術很好地解決了這一問題［1～3］，該技術不但實現成本低而且直觀、靈活，適于開發各種操作訓練應用。隨著虛擬現實技術的不斷進步和發展，多種平臺級虛擬現實軟件逐漸成熟，如EON Studio、Virtool［4］、OSG［5］、和 Unity3D［6］、Vega Prime［7］、GL Studio［7］等，這些軟件在虛擬維修、虛擬拆裝、虛擬操作等虛擬訓練軟件的開發上都得到了廣泛的應用［8～13］。

鑒于虛擬現實技術的優勢和特點，為了能夠快速、高效、低成本地培訓使用操作、維護保障人員，研制了某型高速柴油機的虛擬訓練系統。某型高速柴油機具有可靠性好、耗油率低、功率范圍廣等優點，廣泛裝備于我海軍水面艦艇。根據當前形勢需要，急需大量使用和維保人員，因此該系統的研制為部隊快速形成戰斗力奠定了基礎。該虛擬訓練系統以EON Studio、Vega Prime、GL Studio、Delphi等軟件為平臺，采用C/S架構，實現了虛擬拆裝、操控面板模擬操作、特情處置等功能，可供多名學員同時進行學習、訓練和考核。

2 系統概述

2.1 系統結構設計

該系統面向的使用對象為訓練基地的教員和學員。考慮到組織訓練的便利性和實用性，系統設計為多媒體教室教學形式，包括一個教員控制臺，若干臺學員客戶端，系統硬件結構如圖1所示。教學過程中，由教員通過控制臺下達統一的控制命令，學員在各自戰位上的學員端軟件進行操作，完成操作、考核等訓練任務。

圖1 系統硬件結構圖

系統軟件可以劃分為四個層級，包括應用層、平臺層、數據層和系統層，如圖2所示。

圖2 系統軟件層次

應用層主要包括人員注冊登錄信息管理模塊、模型管理模塊、操作記錄數據管理模塊、邏輯數據管理模塊、訓練考核內容設置模塊、訓練考核過程控制模塊、成績評定模塊和拆裝交互模塊。

平臺層主要包括EON Studio、Delphi和SQL Server等，為應用層提供三維環境、數據環境、開發環境等平臺支撐。數據層包括邏輯數據庫、模型數據庫、人員信息數據庫和操作記錄數據庫。系統中的人員信息、模型、操作信息和邏輯信息等都保存在上述數據庫中，由平臺層SQL Server驅動管理，控制界面由Delphi設計實現。系統層為系統提供基礎系統運行環境，本系統教員端和學員端使用Windows 7系統，服務器端使用Windows server操作系統。

2.2 系統功能

如圖3所示為該系統功能架構圖，主要包括教員端、學員端和開發工具三大功能模塊。教員端功能可以實現教學過程中的訓練過程控制、科目選擇發布、考核成績評定的功能。學員端功能主要包括人員注冊登錄，虛擬柴油機拆裝和柴油機操控面板模擬操作功能，學員可以通過這些功能完成柴油機拆裝和操控面板操作的學習、訓練與考核。開發工具具有向系統添加柴油機零部件三維模型、拆裝工具三維模型和拆裝邏輯的功能。三維模型和拆裝邏輯都以二進制文件形式保存在模型數據庫和邏輯數據庫中。

圖3 系統功能架構

教員登錄系統后，根據需要選擇相應的訓練內容，訓練內容包括虛擬柴油機拆裝和柴油機操控面板模擬操作兩大部分。系統運行的簡易信息流程如圖4所示。

虛擬柴油機拆裝包括拆裝學習、拆裝訓練和拆裝考核三種模式。在虛擬柴油機拆裝學習模式下，學員可以根據提示完成拆裝學習，軟件界面中會顯示關于柴油機零部件的理論學習資料，可以提示拆裝流程。拆裝訓練模式下，學員在沒有提示的狀態下練習拆卸零件。拆裝順序嚴格執行邏輯編輯器所設定的邏輯順序，拆裝工具也只能選擇預先設定的工具才能進行拆裝，拆裝過程中可多次反復試驗拆裝工具和操作順序，直到工具和邏輯都正確為止。考核模式下，由教員統一發布考核內容，學員根據考核內容判斷部件損壞部位并能夠使用正確的工具進行拆卸操作。操作過程記錄在數據庫中。拆裝過程中，使用工具和操作順序發生錯誤，都會記錄下來，根據操作錯誤次數，最終由成績評判模塊完成成績評定，還可以通過回放模塊從數據庫中讀取操作數據回放操作過程，供教員人工評判拆裝過程。虛擬柴油機拆裝訓練信息流程如圖5所示。

圖4 簡易信息流程

圖5 虛擬柴油機拆裝訓練信息流程

柴油機操控面板可以實現柴油機備車、啟動、暖機、運行、加減負荷和停車等基本操縱練習，也可以通過教員控制臺設置特情實現特殊情況處置訓練。柴油機操控面板模擬操作包括訓練和考核兩種模式。在考核模式下，會限制操作時間，同時會將操作動作記錄到數據庫，可以通過成績評判和操作回放模塊進行成績評定和操作回放。操控面板模擬操作信息流程如圖6所示。

圖6 柴油機操控面板模擬操作信息流程

邏輯編輯器主要功能就是拆裝邏輯編輯，編輯器首先通過三維模擬加載功能，將待拆裝的零部件和拆裝工具轉換成二進制文件保存到模型數據庫，然后通過邏輯編輯界面編輯拆裝邏輯編輯，并將邏輯信息以二進制文件形式保存到邏輯數據庫。信息流程如圖7所示。

圖7 邏輯編輯器信息流程

3 系統主要功能實現

3.1 開發工具功能實現

系統研發過程使用的開發工具包括商用軟件和自開發軟件兩類，商用軟件實現平臺功能，自開發軟件以商用軟件為工具平臺實現邏輯編輯功能。本文只介紹自開發工具軟件的功能實現。

系統中的邏輯編輯工具主要用于編輯虛擬拆裝邏輯。柴油機虛擬拆裝涉及到的部件有上成百上千個，每個部件又由若干零件組成，每個零件的拆裝所需工具各不相同，拆裝的操作順序、邏輯更是有幾十種，如果按照傳統軟件制作方式，通過編程實現柴油機每個部件、每個零件的位置、狀態、姿態控制，將給軟件開發帶來巨大的工作量，而且這種方式做出的軟件不可重復使用，一旦有新的部件加入，操作人員必須通過代碼才能實現拆裝功能，這大大降低了軟件的實用性。考慮到上述因素，結合一些工具軟件的特點，選擇以Delphi和EON Stu?dio作為平臺，開發邏輯編輯器。邏輯編輯器可以通過可視化的界面操作對待拆裝部件中的每一個零件實現單獨運動狀態編輯，并可以設定拆裝約束關系和邏輯順序。最終，這些編輯內容會以二進制文件的形式保存到數據庫。

EON Stuido是由EON Reality公司開發的基于GUI的虛擬顯示場景設計工具，該軟件可以導入多種3D模型，并通過直觀的圖形設計界面方便的對模型進行控制，也可以通過腳本編程實現一些復雜的行為控制。本系統將柴油機部件模型和工具模型導入到EON Studio軟件中，通過腳本實現控制接口和模型行為并生成edz文件。Delphi可以將edz文件作為控件插入對話框界面中，再通過接口實現各種模型的行為控制，以實現復雜的拆裝邏輯。為了方便管理，edz文件以二進制文件形式保存在數據庫中，當系統需要調用某一部件的edz文件時，軟件會自動生成該部件的臨時edz文件。如圖8所示為柴油機某一部件的EON Studio Routes關系界面。該界面下可以將各節點通過輸入輸出接口相連，實現事件觸發、數據輸入和數據輸出等功能。每個部件Route關系圖包含4個圖層，將不同功能特點的節點放在不同圖層，以不同顏色標識，便于管理。4個圖層功能主要包括對象位置控制、工具欄、鍵鼠控制、外部交互控制，圖8為外部交互控制圖層，以綠色標識，該圖層節點主要功能是實現EON與Delphi數據交互。

圖8 EON Studio Routes關系界面

邏輯編輯器共包含9大功能模塊，分別是部件信息、部件結構、零件信息、零件邏輯、零件運動、工序信息、工序邏輯和數據庫管理。部件信息功能主要是在數據庫中添加三維模型設備，并定義名稱、描述等信息；部件結構可以為部件添加結構層級；零件信息可以編輯部件中每個零件的名稱、描述、故障與否狀態以及拆卸工具等信息；零件邏輯可以為不同零件之間的拆卸設置約束關系；零件運動可以定義拆卸后零件的動畫程序；在工序信息界面下，可以定義部件的拆裝工序；數據庫管理用以設置數據庫參數。邏輯編輯信息流程如圖9所示，邏輯數據庫ER圖如圖10所示。

圖9 邏輯編輯信息流程

圖10 邏輯數據庫ER圖

3.2 教員端功能實現

教員端功能主要包括學員信息管理、訓練控制、成績評定等。學員可以通過學員端注冊登錄信息，教員可以在教員端對學員信息進行管理，包括添加、修改、簡評等。教員端可以通過網絡控制學員端的訓練內容。學員端安裝有可接收教員端控制信息的駐留程序，教員端發送訓練控制命令后，學員端駐留程序調用相應的程序實現不同的訓練內容。柴油機操控面板模擬操作，往往需要多人配合完成操作，因此教員控制臺軟件設計了學員分組功能，分組包括手動和自動兩種方式。分組后，教員端會自動將分組中編號最小的學員端計算機作為臨時邏輯解析服務器，實現邏輯解算功能。柴油機操控面板模擬操作訓練的信息流程如圖11所示。

圖11 柴油機操控面板模擬操作訓練信息流程

在考核模式下，學員操作內容會寫入操作記錄數據庫，教員通過成績評定模塊實現成績評定。成績評定包括自動和手動兩種方式。成績評定模塊會將考核記錄數據與標準操作數據進行對比，按照操作正確率給出百分制評分。教員也可以通過人工判別實現評分功能。

3.3 學員端功能實現

3.3.1 柴油機拆裝

邏輯編輯器將柴油機部件拆裝邏輯以數據形式存儲在數據庫中，學員端通過三維操作界面即可實現拆裝操作，如圖12所示為學員端操作界面。該界面下學員可以通過選擇工具按照邏輯關系拆裝相應的零件。被拆裝部件可以通過鼠標點擊操作實現半透明效果，這種半透明效果利于學員觀察部件的內部結構，了解部件結構原理。學員可以通過工具欄控制工具區的位置，由鍵盤控制工具的姿態，未選擇工具以半透明狀態顯示，已被選擇工具不透明狀態顯示。拆裝過程采用定性匹配關系的方式來處理工具使用的正確與否，不需要三維模型精確匹配位置關系，即選擇工具后在對應的零件上點擊鼠標就可以實現拆裝工作。這種方式可以使學員不必將精力耗費在精確比對模型位置關系上，只是完成使用工具的邏輯正確性上即可，一旦拆裝邏輯正確，零件會按照在編輯器中預先設定好的方式運動到特定位置。在學習模式下，可以使用“上一步”和“下一步”實現拆裝過程的提示；訓練、考核模式下，沒有提示內容，學員必須自行完成拆裝操作，考核模式下每一個拆裝動作都會被記錄到數據庫，考核結束后，教員端成績評定模塊調用操作記錄數據完成成績評定。

圖12 部件拆裝界面

3.3.2 柴油機操控面板模擬操作

柴油機的控制由一套操控面板實現，因為涉及到艦艇上的多個系統，從成本和危險性上考慮，無法讓每個學員都實操控制面板，特別是一些特殊情況，如飛車等，更是無法在實裝艦艇上模擬實現，為了鍛煉學員的實操能力，也為了讓學員能夠具有一定的處理特殊情況的能力，通過虛擬現實實現柴油機操控面板模擬操作，成為培訓學員的最佳方式。為了逼真模擬真實操作環境，使用建模工具Creator創建虛擬的操作艙，GL Stuido制作操作面板模塊，使用Vega Prime實現視景驅動。教員可以通過教控臺對學員進行分組并發布如開關機、特殊情況處置等訓練科目，學員端接收到加載訓練科目后，軟件自動加載訓練場景，學員可以通過鍵盤、鼠標漫游整個機艙，在不同戰位操作不同的面板，實現柴油機的控制。如圖13所示為柴油機模擬操控面板機艙，機艙內的開關、儀表、指示燈等可控設備都是由GL Studio制作并作為插件插入到Vega Prime中的。學員通過鼠標操作各操作面板上的開關，邏輯解算服務器進行邏輯解算，各種儀表、指示燈、控制電腦以及聲效都會與真實機艙保持一致，使學員有身臨其境的感覺。在訓練過程中，教員端可以根據訓練需要設置特殊情況，如飛車、柴油機滑油壓力下降等，學員根據發生特殊情況時出現的現象判斷特情類型，采取相應的處置手段，完成特殊情況處置訓練。

圖13 柴油機操控面板機艙

4 結語

該系統不但能夠學習部件結構原理、拆裝方法，還能夠進行柴油機操控面板操作訓練，為學員上艦實操提供了有效的訓練手段。該套系統使用后，訓練基地在短時間內培訓出了大量的柴油機維護保障人員，具有可觀的經濟和軍事效益。未來可以根據需要在系統中加入虛擬現實眼鏡和數據手套等設備，通過在軟件層面增加工具與零件間的精細碰撞檢測，使拆裝訓練更加逼真。

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