牛余朋 高 強(qiáng) 霍文彪 王 娜

(中國(guó)人民解放軍96630部隊(duì))

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的裝備可視化維修訓(xùn)練系統(tǒng)

牛余朋 高 強(qiáng) 霍文彪 王 娜

(中國(guó)人民解放軍96630部隊(duì))

針對(duì)裝備武器系統(tǒng)傳統(tǒng)維修訓(xùn)練模式的不足，本文提出了一種基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的可視化裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體架構(gòu)、結(jié)構(gòu)組成和功能實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于某型號(hào)裝備的虛擬維修訓(xùn)練中。

虛擬現(xiàn)實(shí)；裝備維修；虛擬訓(xùn)練

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，裝備科技含量越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，由于受造價(jià)和條件的限制，大型裝備缺乏實(shí)裝訓(xùn)練器材，嚴(yán)重制約了維修操作訓(xùn)練和人員培訓(xùn)。而且傳統(tǒng)的維修訓(xùn)練模式需要消耗大量材料、動(dòng)用實(shí)裝開(kāi)展操作，訓(xùn)練成本高，操作風(fēng)險(xiǎn)大。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)一種新的訓(xùn)練手段來(lái)解決困擾部隊(duì)實(shí)裝訓(xùn)練的難題。

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality,以下簡(jiǎn)稱VR)技術(shù)是指采用以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的現(xiàn)代高科技生成逼真的視、聽(tīng)、觸覺(jué)等一體化的虛擬環(huán)境，用戶可根據(jù)自身的感覺(jué)，通過(guò)多種傳感設(shè)備，使用人的自然技能對(duì)虛擬環(huán)境中的物體進(jìn)行考察或操作，參與其中的事件。該技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像圖形學(xué)技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)及生理心理學(xué)等技術(shù)。概括地說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)之間理想交互的一種綜合應(yīng)用技術(shù)。

虛擬維修技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在裝備維修過(guò)程中的應(yīng)用，它可以突破實(shí)裝操作在空間和時(shí)間上的限制，在可視化的虛擬維修操作環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)逼真的裝備虛擬維修操作。此外，虛擬維修還能有效地驗(yàn)證裝備裝配操作的正確性，通過(guò)對(duì)維修過(guò)程全天候的反復(fù)虛擬訓(xùn)練，能夠促進(jìn)受訓(xùn)人員迅速提高裝備武器裝備的維修能力。系統(tǒng)的建立可實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域內(nèi)大規(guī)模的系統(tǒng)重用，即在構(gòu)建新的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)時(shí)，無(wú)須從頭開(kāi)始重新設(shè)計(jì)，而是在核心資源的基礎(chǔ)上靈活地集成，輸出高質(zhì)量的系統(tǒng)，以適應(yīng)不同的仿真需求，從而提高系統(tǒng)的可維護(hù)性、擴(kuò)展性和通用性。

2 一體化仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

一體化仿真平臺(tái)是一套基于C#的可視化仿真框架，主要用于集成和合理配置各種資源，建立仿真場(chǎng)景，提供交互手段。該平臺(tái)主要由以下幾部分組成。

（1）虛擬場(chǎng)景組件

虛擬場(chǎng)景是為受訓(xùn)者在接受訓(xùn)練時(shí)提供一個(gè)“實(shí)裝”“實(shí)地”“實(shí)時(shí)”的仿真環(huán)境。它包括虛擬裝備、虛擬零部件和虛擬操作環(huán)境。主要是建立虛擬設(shè)備模型、運(yùn)動(dòng)模型和動(dòng)作模型；建立具有裝備幾何、外觀以及拆卸等動(dòng)作的虛擬樣機(jī)模型；建立具有拆卸動(dòng)作的精確設(shè)備模型；建立真實(shí)感強(qiáng)的虛擬環(huán)境。由于本系統(tǒng)中對(duì)虛擬設(shè)備的操作動(dòng)作識(shí)別等實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，而人員操作則相對(duì)簡(jiǎn)單，因此主要以鼠標(biāo)/觸摸點(diǎn)選事件來(lái)代替虛擬人動(dòng)作，以驅(qū)動(dòng)對(duì)象的各種動(dòng)作的仿真實(shí)現(xiàn)。

（2）人機(jī)交互組件

系統(tǒng)的人機(jī)交互實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)鼠標(biāo)、鍵盤(pán)和觸摸屏幕等標(biāo)準(zhǔn)外設(shè),利用USB總線技術(shù)，經(jīng)仿真應(yīng)用程序接口采集交互設(shè)備輸出的參數(shù)，最后在仿真應(yīng)用程序中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（3）過(guò)程仿真組件

主要包括過(guò)程描述、過(guò)程仿真方法及基本作業(yè)仿真。過(guò)程描述是以文字、圖等表達(dá)方式對(duì)整個(gè)操作過(guò)程的描述,以指導(dǎo)教學(xué)、訓(xùn)練和考核等過(guò)程仿真實(shí)現(xiàn)。過(guò)程仿真方法是按照實(shí)際操作流程對(duì)整個(gè)操作過(guò)程進(jìn)行多叉樹(shù)形分解,形成基本的操作序列邏輯。按照這個(gè)邏輯進(jìn)行基本作業(yè)模型則可完成整個(gè)操作過(guò)程的仿真。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

本系統(tǒng)面向裝備教學(xué)與訓(xùn)練中的實(shí)際需求，通過(guò)虛擬訓(xùn)

練的方式提高操作人員技術(shù)水平。該系統(tǒng)集教學(xué)、訓(xùn)練、考核多種資源為一體，基于虛擬現(xiàn)實(shí)軟硬件系統(tǒng)，采用先進(jìn)的三維動(dòng)畫(huà)、視景仿真和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)對(duì)某裝備外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)、拆裝順序、虛擬操作等教學(xué)和訓(xùn)練資源進(jìn)行高精度建模和仿真，實(shí)現(xiàn)了對(duì)某裝備原理相關(guān)知識(shí)、操作訓(xùn)練、拆裝流程、理論教學(xué)等資源的一體化仿真開(kāi)發(fā)?；谠撓到y(tǒng)，能夠加深用戶對(duì)裝備相關(guān)知識(shí)直觀和深入的理解，促進(jìn)對(duì)裝備整體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加深層次的把握，鍛煉人員的基本技能和實(shí)際操作能力。

圖1 虛擬系統(tǒng)組成框圖

4 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是一種典型的過(guò)程仿真系統(tǒng)，它是對(duì)實(shí)際裝備原理、操作和內(nèi)部運(yùn)動(dòng)過(guò)程的仿真，目的在于使受訓(xùn)人員在計(jì)算機(jī)提供的仿真環(huán)境中熟練掌握某裝備整體或關(guān)鍵設(shè)備或某一系統(tǒng)的信息。除了常規(guī)的教學(xué)、考核模塊外，系統(tǒng)中最重要的是裝備的虛擬拆裝訓(xùn)練，其訓(xùn)練過(guò)程由一系列按照拆裝規(guī)定的操作行為組成，受訓(xùn)人員按照拆裝操作規(guī)程實(shí)施一次裝配操作，引起所操作對(duì)象的狀態(tài)改變，進(jìn)而經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)更新或機(jī)械結(jié)構(gòu)傳遞，導(dǎo)致其它部件狀態(tài)發(fā)生改變，從而完成一次完整的拆裝操作。

本系統(tǒng)在一體化仿真平臺(tái)下，由訓(xùn)練計(jì)劃、裝備概述、裝備結(jié)構(gòu)介紹、虛擬交互操作訓(xùn)練、專業(yè)考核及相關(guān)資源共6個(gè)模塊組成，如圖2所示，并就其中個(gè)別典型模塊進(jìn)行闡述。

圖2 系統(tǒng)功能模塊組成

（1）裝備概述模塊

裝備概述模塊主要通過(guò)圖文的形式，給出按照某裝備教學(xué)的裝備概述，在保留傳統(tǒng)PPT教學(xué)、教材及課后測(cè)試的基礎(chǔ)上，通過(guò)進(jìn)行美工設(shè)計(jì)和交互性的設(shè)計(jì)，有助于實(shí)現(xiàn)自然、流暢的課程教學(xué)過(guò)程。

（2）裝備結(jié)構(gòu)介紹模塊

該模塊主要是三維動(dòng)畫(huà)技術(shù)結(jié)合語(yǔ)音配合，對(duì)武器裝備的功用、組成等進(jìn)行細(xì)致的講解，分為動(dòng)畫(huà)播放和手動(dòng)漫游模式。手動(dòng)漫游模式可以用鼠標(biāo)拖拽拉近裝備，可以清楚地了解裝備的結(jié)構(gòu)組成，為后面的操作打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

（3）虛擬訓(xùn)練模塊

虛擬訓(xùn)練模塊主要通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)訓(xùn)練場(chǎng)景在虛擬世界中進(jìn)行重構(gòu)，通過(guò)結(jié)構(gòu)展示、拆裝教學(xué)、拆裝訓(xùn)練、拆裝考核等手段，訓(xùn)練學(xué)員在裝備拆裝方面的技能。其中拆裝教學(xué)，具有拆卸和裝配兩種模式，自動(dòng)演示拆卸或者裝配過(guò)程，零件拆卸放置到零件庫(kù)或者從零件庫(kù)中拖出裝配；拆裝訓(xùn)練，同樣具有拆卸和裝配兩種模式，零件拆卸放置到零件庫(kù)或者從零件庫(kù)中拖出裝配；提示功能，當(dāng)不知道步驟時(shí)可根據(jù)提示的高亮功能輔助拆卸或者裝配；拆裝考核是對(duì)拆裝教學(xué)及訓(xùn)練的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行檢驗(yàn)，沒(méi)有任何提示，由受訓(xùn)者從儀器庫(kù)選取裝配的產(chǎn)品放置到安裝位置，然后從工具箱選取工具進(jìn)行安裝，對(duì)于安裝有技術(shù)要求的操作步驟會(huì)以填空的形式對(duì)相關(guān)要求進(jìn)行考核。

（4）專業(yè)考核模塊

專業(yè)考核模塊主要通過(guò)交互式電子考試形式，對(duì)某裝備重要知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行梳理，收集和整理各類試題。該模塊能夠完成單選、多選、判斷、填空、簡(jiǎn)答等主客觀題進(jìn)行判斷計(jì)分，最后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的可視化裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，可以有效地解決當(dāng)前裝備實(shí)裝維修訓(xùn)練存在的問(wèn)題，提高了維修訓(xùn)練效果，有效解決了部隊(duì)裝備維修訓(xùn)練工作滯后、維修訓(xùn)練效率低、費(fèi)用高等關(guān)鍵難題，最大程度地滿足了部隊(duì)平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)裝備維修訓(xùn)練的需求。

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Visual Equipment Maintenance Training System Based on Virtual Reality

Niu Yupeng Gao Qing Huo Wenbiao Wang Na
(Army 96630 of PLA)

tract】 Aiming at the shortages of traditional weapon system maintenance training mode,this paper presents a visual equipment virtual maintenance training system based on virtual reality technology.It also discribes the system structure and function realization.The system has been successfully applied to the virtual maintenance training of a certain type of equipment.

words】 virtual reality;equipment maintenance;virtual training

TP391.9

A

1008-6609(2016)09-0059-03

牛余朋，男，山東濟(jì)南人，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：信息化建設(shè)。