基于IETM的武器裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷震+李慶全+何嘉武

摘 要： 為了解決部隊(duì)當(dāng)前武器裝備訓(xùn)練中出現(xiàn)的一些問題，提出一種基于IETM的武器裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過引入可共享內(nèi)容對象模型、交互式三維渲染引擎、基于插件的功能模塊集成、基于物元分析的訓(xùn)練效果評估等技術(shù)，將IETM、虛擬維修和知識管理融為一體用于武器裝備訓(xùn)練。實(shí)踐結(jié)果表明，該方案對于促進(jìn)IETM在裝備維修訓(xùn)練領(lǐng)域的應(yīng)用，提升我軍裝備的綜合保障能力具有積極的參考價值。

關(guān)鍵詞： 交互式電子技術(shù)手冊； 武器裝備； 虛擬訓(xùn)練； 裝備維修

中圖分類號： TN702?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）16?0138?03

Design of IETM?based virtual training system for maintenance of weapon equipments

LEI Zhen1， LI Qingquan2， HE Jiawu1

（1. Department of Scientific Research， Academy of Armored Force Engineering， Beijing 100072， China；

2. Department of Technical Support Engineering， Academy of Armored Force Engineering， Beijing 100072， China）

Abstract： Aiming at some problems appearing in the weapon equipment training， a design plan of IETM?based virtual training system for maintenance of weapon equipments is proposed in this paper. IETM， virtual maintenance and knowledge management are fused together for weapon training by importing SCORM， interactive 3D rendering engine， functional module integration based on plug?in， training effect evaluation based on matter element analysis， etc. The practical results show that the scheme has a positive reference value to enhance the military equipment integrated supportability of Chinese army and promote the application of IETM in the field of equipment maintenance training.

Keywords： IETM； weapon equipment； virtual training； equipment maintenance

當(dāng)前，我軍大型復(fù)雜高技術(shù)裝備研制與部署進(jìn)程加快，裝備保障任務(wù)加重、難度增大，傳統(tǒng)紙介質(zhì)技術(shù)資料體積與重量大、交付與更新及時性差、使用效率低下等弊端日益凸顯，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足部隊(duì)裝備保障和人員訓(xùn)練的需要，成為制約裝備保障能力和作戰(zhàn)能力生成的瓶頸。在這種背景下，交互式電子技術(shù)手冊[1?2]（IETM）應(yīng)運(yùn)而生。IETM是以數(shù)字形式存儲，采用文字、圖形、表格、音頻和視頻等形式，以人機(jī)交互方式提供裝備基本原理、使用操作和維修等內(nèi)容的電子技術(shù)文件，是一項(xiàng)重要的裝備保障信息化技術(shù)手段。作為一項(xiàng)重要的裝備保障信息化技術(shù)，IETM具有數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)、功能應(yīng)用多樣、用戶界面友好、使用效益顯著等特點(diǎn)，在輔助維修、輔助訓(xùn)練和輔助技術(shù)資料管理方面表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)越性。國外對此進(jìn)行了大量研究， 并在開發(fā)的維修訓(xùn)練系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用， 為訓(xùn)練者提供了多種訓(xùn)練模式。根據(jù)美國國防部20世紀(jì)90年代中期的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，對于大型武器系統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)，IETM能夠減少33%的必修課程和28%的訓(xùn)練時間，降低參訓(xùn)者知識遺忘率能夠達(dá)到75%。考慮到虛擬環(huán)維修[3]訓(xùn)練是一種有效途徑，本文研究了虛擬維修技術(shù)在IETM中的應(yīng)用，維修訓(xùn)練人員可以在逼真的環(huán)境中模擬執(zhí)行復(fù)雜的維修訓(xùn)練任務(wù)，從而有效提高訓(xùn)練效果，降低訓(xùn)練成本，縮短訓(xùn)練周期。另外，裝備維修訓(xùn)練知識多屬于業(yè)務(wù)人員在實(shí)踐中積累的經(jīng)驗(yàn)性知識，雖然有些業(yè)務(wù)知識經(jīng)過顯性化形成各種法規(guī)制度、條令條例、文件、手冊等，但是更多的業(yè)務(wù)知識是隱形知識，存在于業(yè)務(wù)人員、相關(guān)專家的頭腦中，存在于具體的業(yè)務(wù)過程中。同時，軍隊(duì)人員的流動性強(qiáng)，大量的個人經(jīng)驗(yàn)、體會等知識沒能有效傳遞，造成眾多寶貴的知識資源流失。因此，有必要對裝備維修訓(xùn)練業(yè)務(wù)知識進(jìn)行有效的管理，在適當(dāng)?shù)臅r候，提供給需要的人，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)知識的交流與共享?；谝陨峡紤]，本文將IETM技術(shù)結(jié)合虛擬維修和知識管理[4?5]技術(shù)，提出一種基于IETM的武器裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)框架。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)以下輔助維修訓(xùn)練功能：

（1） 能按照裝備層次結(jié)構(gòu)描述裝備的結(jié)構(gòu)及技術(shù)原理；

（2） 按照維修規(guī)程指導(dǎo)維修訓(xùn)練作業(yè)過程；

（3） 能按照裝備維修訓(xùn)練大綱與要求，制定課程培訓(xùn)計(jì)劃；

（4） 實(shí)施交互式維修訓(xùn)練或遠(yuǎn)程維修訓(xùn)練；

（5） 跟蹤學(xué)員的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行在線交流；

（6） 實(shí)時地進(jìn)行維修訓(xùn)練總結(jié)與考核評估等；

（7） 與支持SCORM標(biāo)準(zhǔn)的外部裝備訓(xùn)練系統(tǒng)互聯(lián)、互操作。endprint

該系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

具體而言，包括以下模塊：

1.1 維修訓(xùn)練模塊

可采用多種模式開展維修訓(xùn)練，比如系統(tǒng)示范觀摩、自主體驗(yàn)練習(xí)、交互式訓(xùn)練等；還可提供維修對象展示、進(jìn)行典型故障設(shè)置、訓(xùn)練內(nèi)容和策略調(diào)整，幫助不同水平的參訓(xùn)者更好地學(xué)習(xí)。

1.2 考核評估模塊

該模塊根據(jù)知識管理模塊中保存的系列典型故障維修操作流程鏈表，實(shí)現(xiàn)對整個維修訓(xùn)練過程的操作軌跡記錄、識別、匹配、計(jì)時、記錄回放等，給出考核成績和指導(dǎo)建議。

1.3 虛擬仿真模塊

在確定裝備總體后，通過3D創(chuàng)作工具（如Cult3D，Virtools，X3D，VRML等）建立裝備3D數(shù)字模型，并根據(jù)分級式樹狀圖層結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行裝配約束。本系統(tǒng)采用三維渲染引擎OGRE作為圖形渲染引擎。OGRE是以C++語言開發(fā)的面相場景的、功能強(qiáng)大、使用靈活的三維圖形引擎，對底層Direct3D和OpenG系統(tǒng)庫的渲染函數(shù)進(jìn)行了封裝，提供了更高層的基于現(xiàn)實(shí)世界對象的接口類。在S1000D中，3D模型與音頻、視頻、動畫一起作為多媒體元素對象，可以像插圖和表格一樣插入數(shù)據(jù)模塊，使得3D仿真與IETM進(jìn)行無縫集成。多媒體元素的定義如表1所示。

表1 多媒體元素定義

1.4 遠(yuǎn)程支援模塊

當(dāng)在維修訓(xùn)練現(xiàn)場遇到無法解決的難題或在執(zhí)行實(shí)際維修任務(wù)時遇到現(xiàn)場技術(shù)人員能力范圍之外的故障時，可以通過本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程支援模塊，以在線討論、遠(yuǎn)程視頻會議等方式向遠(yuǎn)處的業(yè)內(nèi)專家請求技術(shù)支援，專家可以根據(jù)傳輸過來的現(xiàn)場故障視頻或圖像及時給出建議，指導(dǎo)參訓(xùn)者完成維修或訓(xùn)練任務(wù)，大大節(jié)省訓(xùn)練費(fèi)用。

1.5 系統(tǒng)管理模塊

系統(tǒng)管理作為虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的管理者，可進(jìn)行系統(tǒng)初始數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、環(huán)境設(shè)置、角色編輯、設(shè)置控制方式、接口管理、交互信息管理、系統(tǒng)安全管理等操作。

1.6 知識管理模塊

知識管理模塊具有對知識庫的規(guī)則進(jìn)行增刪改、編輯、推理、解釋、檢索瀏覽等功能，比如對維修過程中產(chǎn)生的維修級別、維修類型、故障特征、故障現(xiàn)象、維修策略等各種數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。通過對裝備維修訓(xùn)練業(yè)務(wù)知識資源進(jìn)行系統(tǒng)、有組織的管理，實(shí)現(xiàn)知識的共享、創(chuàng)新和增值，促進(jìn)裝備維修訓(xùn)練業(yè)務(wù)知識的獲取、共享、創(chuàng)新與應(yīng)用。

2 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

2.1 可共享內(nèi)容對象模型

可共享內(nèi)容對象模型[6]（SCORM）是當(dāng)前數(shù)字化培訓(xùn)的國際標(biāo)準(zhǔn)，其目的是建立一套教材重復(fù)使用與共享機(jī)制，使學(xué)習(xí)者無論在何時何地，均可及時獲取所需的高品質(zhì)學(xué)習(xí)資源，從而使訓(xùn)練費(fèi)用大大降低。S1000D[6]和SCORM的整合是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，ASD和ADL（高級分布式學(xué)習(xí)組織）曾簽署一份備忘錄，承諾在S1000D的后續(xù)版本中，充分考慮SCORM的需求，是S1000D 4.0版本中就新增了SCORM內(nèi)容包模塊等內(nèi)容。

2.2 交互式三維渲染引擎

虛擬仿真模塊采用交互式3D仿真技術(shù)，不但直觀逼真、而且使用戶能夠通過鼠標(biāo)和鍵盤操作與模型進(jìn)行交互，提供任意視角交互觀察裝備的能力，充分利用熱區(qū)、提示等信息為用戶提供崗位維修訓(xùn)練的能力，在傳達(dá)物體的基本結(jié)構(gòu)和空間信息方面具有優(yōu)越性。根據(jù)S1000D標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，3D模型可以與音頻、視頻等一起作為多媒體對象，如技術(shù)插圖一樣插入數(shù)據(jù)模塊中，生成S1000D規(guī)范圖形，從而與IETM進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化集成，顯著增強(qiáng)了IETM的維修支持和培訓(xùn)功能，有利于技術(shù)人員快速獲取和理解技術(shù)信息。

2.3 基于插件的功能模塊集成

本系統(tǒng)功能模塊基于插件技術(shù)進(jìn)行集成。所謂插件是指遵循一定規(guī)范的應(yīng)用程序接口設(shè)計(jì)且定義良好的軟件模塊，只能運(yùn)行在程序規(guī)定的系統(tǒng)平臺下，而不能脫離指定的平臺單獨(dú)運(yùn)行，在系統(tǒng)中協(xié)同完成復(fù)雜任務(wù)，具有良好的開放性、可定制性、可重用性以及擴(kuò)展性。通過與存儲在知識管理模塊中的維修訓(xùn)練案例、機(jī)理分析、數(shù)據(jù)調(diào)用等進(jìn)行信息流的傳遞，完成相關(guān)訓(xùn)練任務(wù)。

2.4 基于物元分析的訓(xùn)練效果評估

本系統(tǒng)采用物元分析法[7?8]進(jìn)行訓(xùn)練效果的評估，其基本原理是將評估對象視為一個物元，根據(jù)各個特征（指標(biāo)）的特性確立每個特征的理想狀態(tài)，從而生成理想方案。通過比較各方案與理想方案之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，得出各方案與理想方案之間的關(guān)聯(lián)度，利用關(guān)聯(lián)度排序即可對各個方案進(jìn)行排序。

3 結(jié) 語

本文對基于IETM的武器裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的各功能模塊組成和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，能夠?yàn)椴筷?duì)裝備訓(xùn)練提供借鑒。將IETM技術(shù)結(jié)合虛擬維修、知識管理等技術(shù)用于裝備訓(xùn)練，具有訓(xùn)練環(huán)境逼真、成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)、交互性和互操作性好、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等優(yōu)勢。實(shí)踐結(jié)果表明，該方案具有較好的推廣應(yīng)用價值。

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