某型装备虚拟维修训练系统设计与实现

摘  要：近年来，随着信息技术的快速发展，虚拟训练已经成为提升部队装备训练质量和效益的重要手段之一。首先，针对某型装备虚拟维修训练系统的特点，介绍了该系统的组成及功能。其次，从软件架构、开发平台相关技术、开发规范及要求的角度，阐述了软件结构设计。最后，从图形接口和虚拟设备接口两个层面，描述了系统的接口与信息交互设计，以期在同类型装备虚拟训练系统的开发上为相关人员提供参考与指导。

关键词：虚拟训练；虚拟维修训练系统；交互设计

中图分类号：TP311    文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）01-0033-03

Design and Implementation of Virtual Maintenance Training System for a Certain Type of Equipment

CHENG Jie

（Naval Scholar Official Academy， Bangbu  233012， China）

Abstract： In recent years， with the rapid development of information technology， virtual training has become one of the important means to improve the quality and efficiency of military equipment training. Firstly， according to the characteristics of a certain type of equipment virtual maintenance training system， the composition and functions of the system are introduced. Secondly， from the perspective of software architecture， development platform related technologies， development specifications and requirement， the software structure design is described. Finally， the interface and information interaction design of the system are described from the two levels of graphic interface and virtual equipment interface， in order to provide reference and guidance for relevant personnel in the development of virtual training system for the same type of equipment.

Keywords： virtual training; virtual maintenance training system; interaction design

0  引  言

为加快推进军队院校教育、部队训练实践、军事职业教育三位一体新型军事人才培养体系建设，依据装备构造特点、部队训练及培训任务的需要，设计并开发某型装备虚拟维修训练系统，该系统能够有效地进行训练环境及装备模拟、常用故障模拟、故障诊断与排除模拟、训练效果评估，以解决装备教学训练难以贴近使用实际的问题。

1  系统组成及功能

1.1  系统组成

某型装备虚拟维修训练系统由综合管理模块、原理教学模块、操作训练模块、维护保养模块、维修训练模块、考核评估模块等组成。

1.2  各模块功能

1.2.1  综合管理模块

主要提供用户信息管理、训练/考核信息管理、训练科目管理、故障科目管理、综合评估五项功能，同时具有对人员权限、成绩以及训练科目等进行管理，对考核、训练结果进行大数据评估等功能。

1.2.2  原理教學模块

主要负责模拟并展示某型装备各组成部分的内部结构、工作原理，便于培训人员对装备进行形象化认知，提高学习效率。利用鼠标控制器，能够实现数字化虚拟装备模型360°无死角旋转，无级缩放，指向标示零件名称，选择性透明模型等细微操作，全方位展示装备结构特点。在装备相应的零件上点击可弹出功能原理界面，在此页面中选择相应选项可学习该零件的功能及原理等相关知识，还可以通过平面或三维动画的形式，展现零部件的工作过程，包括零件的工作过程、设定方式以及相关零件关联动作等相关内容。

1.2.3  操作训练模块

主要模拟某型装备机械部分和电气部分的操作训练。对某型装备模拟操作演练流程的动画演示，操作界面类似仿真操作训练，主要功能为参训人员的学习提供便利，便于参训人员掌握基本操作流程，也可通过此功能进行有关操作流程的教学演示。训练系统以某型装备标准模拟操作流程为核心，模拟及判别流程操作正误及逻辑关系，根据情况给出反馈，并以直观的形式反映出来。

1.2.4  维护保养模块

主要模拟某型装备日检拭、周检修、月检修等所属科目。

1.2.5  维修训练模块

主要模拟某型装备常见故障的现象、排除方法。排除故障的操作设计与操作训练模块操作方式类似，不同之处在于操作训练模块是完成预定的拆装动作流程，而排除故障的操作是根据装备的故障现象找出并解决故障，记录、收集训练成绩。

1.2.6  考核评估模块

主要完成对理论知识、操作训练科目、维修训练科目的考核与评估，以检验教学训练效果。理论知识考核可以以数字化试卷考试形式开展，从数据库题库中随机抽取考试题目，考试完成后自动给予成绩评定，考试结果传至用户管理模块记入数据库管理；操作训练考核与操作训练模块的设计基本相同，不同之处在于界面中无法弹出流程图作为参考，每一步骤完成后没有成功提示出现，考核完成后自动给予成绩评定，考试结果传至系统管理模块记入数据库管理；维修训练考核与维修训练模块的设计基本相同，不同之处在于界面中无法弹出文字描述及解决方法提示，考核完成后自动给予成绩评定，考试结果传至系统管理模块记入数据库管理。

2  软件设计

2.1  软件架构设计

采用多层结构体系作为该训练系统的构架形式，从结构分层上划分主要包括人机交互层、仿真数字模型层、仿真运行支撑层、数据库系统。

2.1.1   人机交互层

人机交互层主要包括二维态势GUI、三维视景GUI、综合管理GUI、控制接口等部件，负责为系统使用人员、综合管理人员、系统评估人员、其他交互设备及系统用户提供可视化的交互使用界面。

2.1.2  仿真数字模型层

仿真数字模型层主要是仿真应用中各种仿真对象的数学模型实现，具体包括仿真对象数学模型、工业仿真业务模型、环境及其他公用模型、接口对象化封装及扩展等，本层作为仿真对象的直接实现，是仿真应用功能的主要内容，同时在本层实现的底层接口封装可提高应用的扩展性，以致形成底层透明的中间层应用框架。

2.1.3  仿真运行支撑层

仿真运行支撑层包括支持分布式仿真运行的中间件、引擎、API等，主要有运行时支撑环境、图形引擎、系统服务、系统API等部分，它提供了仿真系统运行所需的分布式互连服务、图形渲染、数据服务、系统功能调用等底层功能。

2.1.4  数据库系统

数据库系统主要用于存储仿真模型数据、三维建模数据、环境数据、配置参数、用户数据等各种数据，进一步开发出数据分析和挖掘功能后，还可以提供仿真数据评估、仿真流程优化、环境影响分析、实测数据对比等多方面分析功能，从而实现仿真训练的数据化、自动化、科学化。

2.2  开发平台相关技术

某型装备虚拟维修训练系统主要采用Microsoft Dierect3D、OpenGL及成熟的跨平台应用程序开发Unity3D引擎，搭载SQLite数据库进行应用开发，该方案可适应当前最新的3D显卡驱动，并支持DirectX 11渲染技术，同时也向下兼容DirectX 9图形渲染，可适应在高端显卡上的高质量视景开发及GPU编程，同时训练系统也可适应普通PC的运行。其他辅助软件包括图形图像处理（Adobe Photoshop、CorelDraw）、动画制作（Maya）、音频处理（Audition）、视频处理（Adobe Premiere、After Effects）、3D模型转换（Okino PolyTrans、各种转换插件）、纹理贴图（DeepPaint 3D、Deep UV）、文字处理（Word）。

2.3  开发规范及要求

开发环境数据结构与程序语言符合标准C语言编程规范，各软件模块符合指定的类封装规范；各软件模块须适应Windows 32/64位操作系统；软件具有对人机对话时的输入命令、参数、数据的语法检查功能；对异常输入具有容错能力，不会产生系统故障和死机；程序采用模块化设计，数据存储、信息处理和显示控制之间相对分离；采用面向对象的设计模式。

3  接口与信息交互设计

3.1  图形接口

目前的系统主要采用三种3D图形接口（3D API），分别为Direct3D、OpenGL和Quick Draw 3D（Heidi）。这三种常用的API格式在使用中都体现出一定的扩展性、灵活性和便捷性。目前Heidi接口多见于机械及工业设计领域。其他领域的3D系统绝大多数都建立在Direct3D、OpenGL两种接口之上。

在Windows系统上以Direct3D作为3D图形接口能更加有效地发挥硬件的图形加速性能，取得更好的视觉和性能效果。

3.2  虚拟设备接口

某型装备虚拟维修训练系统具有支持VR（虚拟现实技术）升级的潜在能力。在软件架构、系统内核、编程方式以及硬件驱动等方面全面支持新一代VR虚拟设备，只需简单的升级就可以实现VR功能。

4  系统应用

对管理导控软件以及各分系统之间的交互信息进行细化测试，约定通信协议，及时对交互方式进行可靠性测试。根据技术分析以及虚拟仿真软件的功能需求，各种功能模块之间的通信控制关系如图1所示，系统后台数据流程如图2所示。

原理教学模块界面如图3所示，嵌入配音，左下角配有文字说明，中间部分用于展示部件结构原理，右面的正文部分设置有播放按键，学习者可以自行調整学习进度，也可以使用鼠标调整学习角度。

操作训练模块界面如图4所示，左上角为计时窗口，记录训练所用时间，包括每个操作步骤所使用的时间（后台记录）；右上角为工具栏，显示操作过程中所用到的配套工具等；左下角为流程图箭头，点击后弹出流程图，显示模拟操作流程及操作进程。

维护保养和维修训练模块界面如图5所示，左下角为训练步骤，用于提示学习者按照流程完成维护维修训练。

系统运行指标要求Win 7 64操作系统，显存4 GB以上的独立显卡（性能不低于RTX1050）。全系统经过联调测试，各项战术技术指标符合要求，可刻录成光盘形式使用。

5  结  论

该系统综合运用信息技术手段实现了装备内部构造的可视化、仿真化，将装备模型与操作步骤有机地结合在一起，实现了交互式训练、考核、记录与评估，具备系统复盘功能，有效提升了部队的训练水平和训练质量。

参考文献：

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作者简介：程杰（1978—），男，汉族，安徽桐城人，副教授，硕士，研究方向：装备构造与使用。

收稿日期：2022-10-06