某型雷達虛擬維修訓練系統(tǒng)的開發(fā)與實踐應用

趙喜　胡文華　朱曉秀　李鳴　付強

摘要：根據(jù)雷達裝備實際教學訓練需求，利用虛擬現(xiàn)實技術設計開發(fā)了某型雷達虛擬維修訓練系統(tǒng)。本文首先介紹了虛擬維修訓練系統(tǒng)的功能、組成與工作流程，然后分析了基于系統(tǒng)的教學訓練特點，最后給出了系統(tǒng)在教學訓練中的應用實例。實踐證明，將虛擬現(xiàn)實技術應用于教學和訓練工作，能夠有效提高教學訓練的效果。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術；維修訓練；裝備訓練

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）49-0076-03

基于裝備的教學和訓練工作在提高參訓人員的工程實踐能力、裝備綜合素養(yǎng)以及打牢崗位任職能力方面具有重要作用。受教學訓練資源、手段的限制，裝備教學訓練過程中存在著裝備設備不足、教學訓練時間難以保證、訓練成本高等突出問題，在很大程度上制約著教學訓練效果的提高。

一、系統(tǒng)基本功能

根據(jù)裝備教學訓練需求，開發(fā)的某型雷達虛擬維修訓練系統(tǒng)具備裝備結(jié)構(gòu)展示、裝備操作訓練、裝備維修訓練、訓練效果評估以及數(shù)據(jù)支持等5項基本功能，系統(tǒng)基本功能框架如圖1所示。

1.裝備結(jié)構(gòu)展示功能。裝備結(jié)構(gòu)展示功能是以3D的形式，向參訓人員提供一套虛擬的雷達裝備，可從不同視角展示雷達及其附屬設備的外部及內(nèi)部組成，演示各組成的基本工作狀態(tài)，以滿足教學訓練中對某型雷達裝備結(jié)構(gòu)的認知需求。

2.裝備操作訓練功能。裝備操作訓練功能是以3D虛擬交互的方式，向參訓人員提供一個逼真的裝備操作訓練環(huán)境。利用該環(huán)境，可進行雷達裝備的架設、撤收、開機、關機、火炮標定、指揮鏡標定、正北標定、目標搜索、目標跟蹤、開火射擊、系統(tǒng)功能測試等操作訓練，以滿足教學訓練中對某型雷達裝備操作訓練的需求。

3.裝備維修訓練功能。裝備維修訓練的基本流程包括發(fā)現(xiàn)故障征兆，進行故障診斷、故障隔離、裝備拆卸、換件、裝備安裝和檢驗等。裝備維修訓練功能可為參訓人員提供逼真的某型雷達裝備虛擬維修訓練環(huán)境。利用該環(huán)境，可進行裝備基本操作、故障現(xiàn)象觀察、裝備測試、裝備部件更換等維修活動，以滿足對某型雷達裝備維修訓練的需求。

4.訓練效果評估功能。訓練效果評估功能是根據(jù)記錄的參訓人員操作、維修過程數(shù)據(jù)，利用訓練效果評估模型，分析計算參訓人員的操作和維修訓練效果，以滿足對參訓人員相應訓練科目的評測需求，同時評估結(jié)果也可為提高參訓人員訓練水平提供依據(jù)。

5.數(shù)據(jù)支持功能。數(shù)據(jù)支持功能由各類數(shù)據(jù)庫完成，這些數(shù)據(jù)庫主要包括三維模型庫、基礎數(shù)據(jù)庫、過程數(shù)據(jù)庫和結(jié)果數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)初始化時，可為虛擬維修訓練系統(tǒng)提供各類模型及基礎數(shù)據(jù)支撐。訓練過程中，可為參訓人員的操作行為提供數(shù)據(jù)支撐，并可記錄訓練過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。訓練效果評估時，可提供評估模型及訓練過程數(shù)據(jù)，記錄評估結(jié)果。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

某型雷達虛擬維修訓練系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可分為系統(tǒng)主界面和系統(tǒng)集成框架兩大部分。其中，系統(tǒng)主界面包括訓練設置、系統(tǒng)監(jiān)控、訓練評估三個功能模塊，分別提供訓練科目的選擇與設置、訓練過程的監(jiān)視與控制以及訓練效果評估等功能。系統(tǒng)集成框架包括結(jié)構(gòu)展示模型、戰(zhàn)場環(huán)境模型[2]、運行機理模型和人機交互模型[3]等四類仿真模型模塊，如圖2所示。

圖2中，系統(tǒng)集成框架為四類仿真模型模塊提供支撐，控制各仿真模型模塊的加載、卸載和系統(tǒng)運行狀態(tài)的切換，并利用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)對戰(zhàn)場環(huán)境模型、裝備結(jié)構(gòu)3D模型的集成，實現(xiàn)裝備操作訓練、裝備維修訓練的“人—機”交互式仿真。結(jié)構(gòu)展示模型包括裝備結(jié)構(gòu)3D模型和基本行為模塊。裝備結(jié)構(gòu)3D模型主要包括雷達及附屬設備的模型；基本行為模塊是指操作過程中雷達裝備展現(xiàn)出的各種基本現(xiàn)象和行為，如雷達加電時相應指示燈的狀態(tài)等。戰(zhàn)場環(huán)境模型用于反映作戰(zhàn)地域地形地貌、電磁環(huán)境、氣象條件等基本戰(zhàn)場環(huán)境條件，為模擬訓練提供逼真的背景。運行機理模型包括裝備操作模型和故障排除模型兩大類。裝備操作模型是對裝備操作過程中嚴格的操作流程的描述；故障排除模型是對裝備故障狀態(tài)和內(nèi)部運行規(guī)律的描述，模擬裝備出現(xiàn)故障時的行為和現(xiàn)象。人機交互模型用于將操作人員的鍵盤鼠標操作和其他節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為對裝備的操作指令，以完成對裝備的操作訓練。四類模型的關系如圖3所示。

圖3中，人機交互模型將外界的互操作信息轉(zhuǎn)換為屏幕定位信息，作用于結(jié)構(gòu)展示模型；結(jié)構(gòu)展示模型根據(jù)定位信息，向運行機理模型發(fā)出操作請求；機理模型根據(jù)操作規(guī)則，計算判斷響應結(jié)果，為人機交互模型提供提示信息，同時提供裝備響應使能信息給結(jié)構(gòu)展示模型，以進行相應的裝備響應。在此過程中，戰(zhàn)場環(huán)境模型為結(jié)構(gòu)展示模型提供特定的戰(zhàn)場條件背景信息。

三、虛擬訓練的基本工作流程

利用某型雷達虛擬訓練系統(tǒng)進行訓練，操作過程可分為訓練科目選擇、系統(tǒng)初始化、虛擬裝備訓練、訓練效果評估四個步驟，如圖4所示。

第一，訓練科目選擇。系統(tǒng)啟動之后，根據(jù)訓練計劃安排，在主界面選擇需要進行的訓練科目，然后進行系統(tǒng)初始化。

第二，系統(tǒng)初始化。讀取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，加載戰(zhàn)場環(huán)境模型、裝備結(jié)構(gòu)展示模型和裝備機理模型等，并對裝備的初始狀態(tài)進行設置。

第三，虛擬裝備訓練。操作人員使用鍵盤鼠標或其他人機交互設備進行裝備操作訓練，訓練過程中可提供相應的提示信息，系統(tǒng)實時記錄操作步驟。

第四，訓練效果評估。操作完成后，系統(tǒng)利用操作過程數(shù)據(jù)和訓練效果評估模型，進行訓練效果評估并顯示評估結(jié)果。

四、基于系統(tǒng)的教學訓練特點

將虛擬維修訓練系統(tǒng)應用于裝備教學訓練當中，具有如下特點。

1.增加裝備訓練時間。利用虛擬現(xiàn)實技術建立的虛擬裝備訓練環(huán)境，能夠以較低的成本達到與實裝訓練近似的訓練效果：利用虛擬維修訓練系統(tǒng)可實現(xiàn)“人—機”交互式虛擬訓練，不但能讓參訓人員較快的掌握操作步驟，同時也能保證操作訓練的真實感，保障參訓人員訓練時間，從而有效提高教學和訓練的效果。

2.減少裝備設備損耗。操作訓練當中，實裝操作具有真實、直觀的優(yōu)點，但武器裝備都具有一定的壽命期限，在雷達裝備操作使用、組合拆裝和故障排除等教學實踐過程中，裝備使用如果過于頻繁，不可避免地會出現(xiàn)裝備磨損、部件損耗等問題，勢必會減少裝備的使用壽命，造成訓練成本增大。而虛擬維修訓練系統(tǒng)采用以虛代實的形式，進行相關的訓練，訓練中的裝備損耗問題在很大程度上被克服，軍事經(jīng)濟效益明顯。

3.促進自主學習。基于虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)的某型雷達虛擬維修訓練系統(tǒng)，具有可移植性，并且與多種計算機操作系統(tǒng)兼容，可將虛擬維修訓練系統(tǒng)發(fā)布于校園網(wǎng)或局域網(wǎng)，參訓人員可通過網(wǎng)絡進行相關內(nèi)容的學習和訓練，從而實現(xiàn)遠程教育和訓練。同時，也可方便參訓人員利用課下時間進行相關內(nèi)容的預習和復習，助力參訓人員的自主學習，從而有效提高教學訓練的效果。

五、系統(tǒng)實際應用案例

裝備教學訓練活動主要包括裝備構(gòu)造原理知識的學習以及結(jié)合裝備的操作訓練兩大類。其中，裝備構(gòu)造原理知識的學習是裝備操作訓練的基礎，裝備操作訓練是裝備構(gòu)造原理知識學習的落腳點。在這兩類活動中，我們都充分利用了虛擬維修訓練系統(tǒng)，取得了較好的教學訓練效果。

1.在構(gòu)造原理教學環(huán)節(jié)中的應用案例。以往的裝備構(gòu)造原理教學環(huán)節(jié)主要采用“教材+PPT課件+實裝”的方式，教學內(nèi)容的表現(xiàn)形式不夠直觀、形象；雷達裝備結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝困難，參訓人員難以詳細認知裝備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。針對這些問題，我們在裝備的構(gòu)造原理教學中，充分利用了虛擬維修訓練系統(tǒng)。結(jié)合虛擬維修訓練系統(tǒng)的實施環(huán)節(jié)如下：（1）裝備展示。利用系統(tǒng)提供的裝備3D模型，進行裝備主要組成部分的演示。指明裝備的組成及各組成在裝備中的位置，形成參訓人員對裝備的整體概念。（2）結(jié)構(gòu)分析。利用裝備結(jié)構(gòu)3D模型，詳細介紹各組合的作用及組成。（3）拆裝演示。利用系統(tǒng)提供的操作環(huán)境，拆裝裝備組合，裝備各組成部件的結(jié)構(gòu)和拆裝過程可被更加直觀的認知。將虛擬維修訓練系統(tǒng)引入到構(gòu)造原理教學環(huán)節(jié)，教學手段更加生動形象，方便了參訓人員對裝備結(jié)構(gòu)的認知，大大提高了參訓人員的學習興趣，有效提高了教學效果。

2.在裝備實訓環(huán)節(jié)中的應用案例。在裝備實訓環(huán)節(jié)，一個突出的實際問題是裝備少、人員多。在近幾年的裝備教學中，人員、裝備的比例基本上都保持在10∶1以上，每名參訓人員進行裝備訓練的時間很短，訓練效果難以保障。且裝備一旦出現(xiàn)故障，上述問題就變得更加突出。為克服上述問題，在裝備實訓過程中，充分利用了虛擬維修訓練系統(tǒng)，訓練步驟如下：（1）操作演示。利用虛擬維修訓練系統(tǒng)進行相關訓練內(nèi)容的演示。讓參訓人員了解裝備的戰(zhàn)勤操作、維修操作等基本內(nèi)容，起到“教學引導”的作用。（2）虛擬操作。參訓人員在系統(tǒng)上進行虛擬交互操作，一人一機，獨立完成操作，如圖5所示。參訓人員通過多次的虛擬交互式訓練，可以熟悉操作的流程，為實裝操作做好準備。此外，這個環(huán)節(jié)的訓練也可以在業(yè)余時間進行，參訓人員可獲得更多的學習主動權。（3）實裝訓練。利用虛擬維修訓練系統(tǒng)完成虛擬交互訓練后，參訓人員可在雷達上進行實裝操作，鍛煉參訓人員的實際操作能力，解決實際操作中遇到的問題。（4）訓練升華。結(jié)合實際情況，充分運用虛擬維修訓練系統(tǒng)的訓練效果評估等功能，進行針對性的探索式學習訓練，發(fā)揮參訓人員主觀能動性，提高參訓人員創(chuàng)新能力。

將虛擬維修訓練系統(tǒng)應用于裝備實訓環(huán)節(jié)，體現(xiàn)出了“開放式、情景式、交互式”的特征，在一定程度上克服了裝備實訓環(huán)節(jié)存在的問題，促進了裝備訓練工作的開展。

六、結(jié)束語

與傳統(tǒng)的裝備教學訓練相比，將現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實技術應用到裝備教學訓練當中，可有效增強教學效果、減少裝備損耗、降低教學成本、提高參訓人員積極性、減輕教員工作強度。此外，虛擬維修訓練系統(tǒng)還能很好地幫助參訓人員利用課下時間進行學習和訓練，助力自主學習。系統(tǒng)的開發(fā)與應用，對于相關課程的開展具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

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