周聞云　董自衛(wèi)　原瑞宏　李翠玲

摘 要： 單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)維修，作為一門新興課程，涵蓋大量設備信息和相關知識，單靠傳統(tǒng)的教學手段是遠遠不夠的。本文針對該課程的特點探討了仿真專修室的建設，主要運用信息化手段和現(xiàn)代媒體技術實現(xiàn)了人機交流、自助自主學習、裝備仿真模擬維修訓練，以及在線考核等項目，為單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)教學的實踐訓練奠定了堅實的基礎。

關鍵詞： 仿真專修室 單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng) 維修教學

現(xiàn)今時代越來越離不開信息化交流，各類信息技術、多媒體技術、網(wǎng)絡技術等的高速發(fā)展，為學校的教育手段、方法提供了多元化途徑。隨著知識的更新速度如爆炸般地加快，促使每個學科在有限的時間里更高效地完成教學任務。要學生在短時間里接受大量知識，又有效地用以實踐，傳統(tǒng)黑板式教學顯然遠遠不夠[1]。而我們學科主要培養(yǎng)的是步兵裝備維修人才，尤其是針對單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)這種全新復合型維修人才的培養(yǎng)，除了必要的理論學習外，更要有大量的實踐訓練，這就要求專業(yè)需配置大面積的訓練場地、大量訓練用器材和裝備及足夠的師資力量，然而目前的資源仍然無法讓每位學生得到充分鍛煉。所以，用新科技、新技術改變現(xiàn)行專修室格局迫在眉睫。經(jīng)過長時間的探索和研究，我們進行了適合單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)教學的仿真專修室建設[2][3]。

單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真專修室采用全程3D動畫立體化教學。由多塊大屏幕并行展示教學內容，達到多學科技術協(xié)同式教學的目的。采用最新體感交互技術，替代傳統(tǒng)的接觸式人機交互模式，實現(xiàn)虛擬維修的操作體驗；采用先進的光譜立體顯示技術，展示實裝的結構，替代傳統(tǒng)的教學模型，形象逼真，節(jié)約空間。采用立體教材，將系統(tǒng)的基礎知識講解、裝備的原理結構、維護保養(yǎng)、維修、考核等學習內容，用生動活潑的3D動畫、嚴肅游戲的形式表現(xiàn)出來，改變傳統(tǒng)的教學模式，為教員提供豐富的教學資源，為學生提供寓教于樂的自主學習模式。以電子掛圖、電子示教板替代傳統(tǒng)呆板的掛圖、示教板，并配以動畫、聲音、翻頁，使其具有交互功能。

一、虛擬仿真專修室硬件建設

本專修室由下列硬件構成：

大屏幕觸摸屏教學系統(tǒng)：3面觸摸屏一體機，用于立體教材的教學、機電液原理的協(xié)同教學、遠程示教。在協(xié)同教學中，3面一體機通過局域網(wǎng)進行同步通信?？捎糜诜撜故玖Ⅲw教材。

電子示教觸摸屏：8面觸摸屏一體機。電子示教觸摸屏既可用于電子掛圖的翻頁展示，內置電子掛圖軟件，又具備定點放大、縮小、移動等功能。

學生機：20臺。學生機上裝備各類符合本實驗室四階段教學相關的軟件，學生利用鼠標進行操作，滿足學生預習、訓練、考核的需求。

體感設備：1臺，無線交互體驗在虛擬維修中的應用。

立體投影機：1套，立體投影主機和投影墻。

大屏幕LED顯示系統(tǒng)：用于各類宣傳等字幕的滾動輸出。

集成控制系統(tǒng)：對各種軟硬件系統(tǒng)的集成管控，包括開關機、內聯(lián)信號的發(fā)送轉移、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫的備份等。

二、虛擬仿真專修室軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)是為全程輔助實驗室四階段教學過程搭建的，包含的軟件系統(tǒng)有：

立體教材：實現(xiàn)學生自主學習的交互式電子教材。

電子掛圖：內置電子掛圖軟件，實現(xiàn)電子掛圖圖片的自動導入功能，能支持翻頁、縮放、移動等功能。

虛擬操作培訓軟件：提供三維交互式虛擬操作軟件系統(tǒng)，將實裝設備放置在虛擬世界中，模擬和訓練裝備的操作過程。

維護保養(yǎng)考核實訓平臺：提供三維交互式軟件系統(tǒng)，能達到維護保養(yǎng)技能培訓和考核的目的。

技術檢查考核實訓平臺：提供三維交互式軟件系統(tǒng)，能達到技術檢查技能培訓和考核的目的。

故障排除實訓平臺：三維交互式軟件系統(tǒng)，能達到故障排除技能培訓和考核的目的。

游戲天地：將嚴肅游戲應用于實驗室教學當中，輔助學員從預習、訓練到考核多個階段的學習過程。

師生互動教學教改論壇：采用E—Learning的教學模式[4]，將學生和老師在教學教改方面的相關信息以互動的方式錄入進系統(tǒng)，并對學生的專業(yè)、訓練成績等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，為教學教改提供有力依據(jù)。

（一）立體教材

立體教材采用交互式多媒體電子書方式，引入二三維交互展示[5]、游戲元素輔助于教學培訓，大大提高學習的效率和趣味性。

針對單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)每個子系統(tǒng)軟硬及使用特點，采用不同的主體教材表現(xiàn)方式，立體教材包含的內容形式有：主體教材、虛擬操作系統(tǒng)、虛擬維修訓練、維護保養(yǎng)訓練、虛擬拆裝訓練系統(tǒng)、課程訓練游戲、重難點、課后習題、記筆記、學生學習記錄，等等。

（二）虛擬維修訓練與考核平臺

本平臺采用虛擬維修訓練共性技術[6]，包括虛擬維修訓練體系框架、支持維修訓練的虛擬樣機模型、虛擬維修訓練的過程與控制模型、虛擬維修訓練數(shù)據(jù)標準、虛擬維修訓練技術、虛擬維修訓練數(shù)據(jù)與S1000D的映射技術、裝備虛擬維修訓練通用平臺功能拓展。

1.虛擬維修訓練體系框架

該擬維修訓練體系框架的主要研究內容包括虛擬維修訓練體系框架通用性研究、虛擬維修訓練體系框架擴展性研究、虛擬維修訓練體系框架標準化研究，等等。

2.支持維修訓練的虛擬樣機模型

支持維修訓練的虛擬樣機模型的研究內容主要包括幾何虛擬樣機模型、裝備部件運動約束仿真模型、維修訓練故障虛擬模型、維修工具虛擬仿真模型及研究可視化組態(tài)維修工藝編輯平臺的設計與開發(fā)問題。

3.虛擬維修訓練的過程與控制模型

虛擬維修訓練模型包含過程模型和控制模型。維修過程信息包括：維修序列、維修路徑、維修動作和維修資源規(guī)劃信息；維修控制信息包括維修過程控制信息及誤操作和操作延時判斷信息，允許正確的維修操作進行下去，對誤操作和操作延時進行記錄和辨別。

我們重點將維修過程標準化定義，采用按工藝流程大類分別定義各流程節(jié)點產生的數(shù)據(jù)規(guī)范。在維修控制信息方面，定義控制策略信息及實現(xiàn)上層組態(tài)流控工具的開發(fā)，重點研究多工位維修控制問題。維修訓練過程模型研究包括建立維修活動模型、維修任務分解、過程建模三部分內容。

（1）研究和建立維修活動模型

研究一般故障的維修活動共性過程。

（2）對維修任務進行分解

維修任務可分解為維修任務→維修工序→維修工步→動作單元→基本姿勢這五個層次。虛擬維修訓練系統(tǒng)把一次完整的維修操作過程作為仿真對象，并建立相應的過程仿真模型實現(xiàn)其功能。

（3）過程建模技術

目前有多種技術可用于過程建模，如IDEF3、UML、PERT、Perti網(wǎng)等。在此重點對Perti網(wǎng)[7]進行研究建立維修訓練的過程模型。

整個體系框架中包括有支持維修訓練的虛擬樣機創(chuàng)建模塊、故障維修仿真模塊、維修訓練評估模塊、維修訓練系統(tǒng)運行管理模塊、維修人員模塊、三維視景仿真系統(tǒng)模塊。

其中支持維修訓練的虛擬樣機模塊提供創(chuàng)建支持維修的虛擬樣機的開發(fā)工具和虛擬環(huán)境模型，同時提供可視化的維修工藝編輯平臺，以直觀的方式編輯維修各工藝流程及各步驟的具體信息。

故障維修仿真模塊由故障仿真模型、裝備原型系統(tǒng)模型、故障診斷和維修操作知識庫及專家系統(tǒng)、故障診斷和維修操作過程仿真模型組成。通過接受維修訓練系統(tǒng)運行管理模塊交互控制及維修人員模塊的狀態(tài)更新和數(shù)據(jù)請求，通過模塊底層的各類仿真模型驅動相應的數(shù)值計算、過程分析及邏輯計算，并將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至協(xié)同維修人員模塊和三維視景仿真系統(tǒng)模塊，實現(xiàn)裝備虛擬維修訓練不同任務模式下的故障設置、故障檢測、故障定位和故障排除過程的動態(tài)仿真。

維修訓練評估模塊包括有學員信息模塊、維修信息、維修過程監(jiān)控和評估打分系統(tǒng)。在根據(jù)不同學員的信息進行各自維修訓練任務過程中，通過維修過程監(jiān)控模塊對其過程行為進行監(jiān)控，獲取維修活動信息，由評估系統(tǒng)進行綜合評判。

維修訓練系統(tǒng)運行管理模塊負責整個虛擬維修訓練通用平臺的管理、維修訓練環(huán)境生成和維修活動及維修行為過程監(jiān)控管理。

維修人員操作模塊通過捕捉VR外設的數(shù)字信號輸入，獲取各操作人員的操作指令、身體姿態(tài)手部空間動作等數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)信息處理模塊通過對獲取的操作輸入數(shù)據(jù)進行分析和處理，驅動虛擬維修環(huán)境中各虛擬維修人員的人體運動仿真及其維修操作過程中與裝備零部件和維修資源的交互操作。

三維視景仿真系統(tǒng)模塊由三維視景模塊和通用化接口模塊組成[8]。通過顯示維修人員模塊的數(shù)據(jù)信息和交互控制信息，故障維修仿真模塊各類仿真驅動模型數(shù)據(jù)的計算和更新，以及外部體感設備、立體顯示系統(tǒng)的輸入數(shù)據(jù)，對虛擬維修環(huán)境中的各類三維實體模型進行底層驅動、實時渲染、狀態(tài)更新、特效處理及信息顯示，并將更新后的數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)參數(shù)實時更新到可視化操作界面。

仿真專修室的規(guī)劃設計和建設必須依賴于科學的分析和系統(tǒng)化的規(guī)劃設計。建好仿真專修室既解決了硬件設備不足的局限，又極大地提高了學生的學習興趣，促使他們將被動學習化為主動學習。但如何使仿真教學與實踐教學完美結合，如何提高仿真系統(tǒng)的可操作性，如何讓仿真內容更貼合實際等都是仿真專修室今后改善的方向。

參考文獻：

[1]王王，陽振輝.淺談仿真教學在士官教育中的應用[J].軍事體育進修學院學報，2009，28：36.

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[3]吳忠秀.淺談仿真實驗室在實驗實訓教學中的作用[J].科技信息，2009，10：158.

[4]趙海燕，詹永照，王傳安.基于情境感知和本體的E-Learning系統(tǒng)研究[J].計算機工程與應用，2012，16：51.

[5]王茜.三維交互式教學法[J].師道·教研，2010，8：97.

[6]蘇群星，劉鵬遠.大型復雜裝備虛擬維修訓練系統(tǒng)設計[J].兵工學報，2006，27（1）：79.

[7]曹宜英，秦現(xiàn)生，張曉云.基于多色Petri網(wǎng)的產品開發(fā)過程建模[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，2010，30（5）：989.

[8]胡曉鋒，賈秋玲，閆建國，孫成.無人機三維視景仿真系統(tǒng)實現(xiàn)[J].測控技術，2010，29（6）：70.