一種武器裝備虛擬訓練平臺開發(fā)方法及其應用

【裝備理論與裝備技術(shù)】

一種武器裝備虛擬訓練平臺開發(fā)方法及其應用

胡松偉1，雷波2

(1.中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連116023； 2.海軍潛艇學院 訓練部，山東 青島266044)

摘要：在“對象-行為-條件-響應-狀態(tài)”虛擬訓練原型基礎上，采用輕量化的三維引擎，外觀與機理相結(jié)合對武器裝備的操作使用進行建模仿真，建立了“任務-動作”雙層任務管理機構(gòu)和基于AHP權(quán)重累加的虛擬操作分析評估模型，對復雜模型分層規(guī)劃控制與優(yōu)化，形成一整套虛擬訓練平臺開發(fā)解決方案，既可單人也可多人協(xié)同訓練、既可自主學習也可引導訓練、既可配置科目也可量化考核評估，滿足裝備操作訓練需求，在新武器裝備的操作培訓中成功應用。

關(guān)鍵詞：虛擬訓練平臺；開發(fā)方法；解決方案

收稿日期：2014-06-17

作者簡介：胡松偉(1976—)，男，工程師，主要從事武器裝備試驗技術(shù)研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.010

中圖分類號：TJ301

文章編號：1006-0707(2015)01-0035-03

本文引用格式：胡松偉，雷波.一種武器裝備虛擬訓練平臺開發(fā)方法及其應用[J].四川兵工學報，2015(1):35-37.

Citationformat:HUSong-wei,LEIBo.DevelopingMethodandApplicationofVirtualRealityTrainingApparatusforWeaponEquipment[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):35-37.

DevelopingMethodandApplicationofVirtualRealityTraining

ApparatusforWeaponEquipment

HUSong-wei1, LEI Bo2

(1.The91550thTroopofPLA,Dalian116023,China;

2.TrainingDepartment,NavySubmarineCollege,Qingdao266044,China)

Abstract:A method of weapon equipment VR training apparatus based on the “Object-Behavior-Condition-Respond-Status” prototype was provided, in which the lightweight 3D engine was adopted, and the operational use modeling and simulation by the combination of appearance and mechanism of weapon equipment were proceeded, a “task-action” double task management mechanism and a Virtual operating analysis evaluation model based on AHP weight accumulation were established to have a hierarchical planning control and optimization of complex model in order to form a set of virtual training platform development solutions with which a single or multi person cooperative training can be proceeded. People can use it to do self-regulated learning or as a training guide, and the subjects also can be quantified assessment or can be configured. It can meet the demand of equipment operation training and can be successfully applied in the new weapons and equipment operation training.

Keywords：VRtrainingapparatus;developingmethod;solution

虛擬現(xiàn)實及仿真技術(shù)已經(jīng)進入網(wǎng)絡化、體系化發(fā)展階段，分布式交互仿真系統(tǒng)在虛擬訓練方面得到了廣泛應用，其訓練效果遠遠超過傳統(tǒng)多媒體電化教材[1-3]。本文構(gòu)建了一種裝備虛擬訓練平臺系統(tǒng)的通用開發(fā)方法，成功應用于武器裝備的實時交互仿真訓練的網(wǎng)絡平臺，其開發(fā)方法可以在裝備培訓過程中予以借鑒和應用。

1裝備虛擬訓練平臺

1.1虛擬訓練平臺的通用要求

虛擬訓練平臺是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的實時交互仿真網(wǎng)絡應用平臺，用于裝備的操作培訓，使得不同的崗位操作手能在同一場景中操控虛擬裝備對象，通過虛擬環(huán)境獲得裝備的操作使用技能[2]。

虛擬訓練平臺應能提供與實裝功能一致的虛擬訓練裝備和軟件，對操作人員在操作過程中做出的一系列決策和動作進行實時仿真，提供逼真的顯示效果和操作感受；虛擬裝備、虛擬場景、模型精細程度達到操作訓練的需求，用戶既可以使用平臺系統(tǒng)提供的虛擬場景、裝備、軟件模型，也可以開發(fā)自定義的虛擬場景/裝備/軟件；支持裝備操作使用人員自主學習、單人交互操訓和多人協(xié)同訓練，協(xié)同對象可以是受訓人員也可是系統(tǒng)虛擬的對象；能夠提供自由瀏覽和引導模式下的虛擬交互式學習，也可限定操作步驟進行訓練考核；根據(jù)需要配置各種難度的訓練科目，量化訓練標準，對操作人員進行全面培訓；具有監(jiān)控管理訓練功能，實時記錄訓練即時信息庫，利用訓練考評系統(tǒng)對操作手的操作質(zhì)量進行綜合評估[3]。

1.2圖形學上的技術(shù)難點與關(guān)鍵

進行裝備虛擬訓練平臺開發(fā)，必須要做到仿的“像”、機理模型“真”、評估效果“可信”。為復雜的裝備系統(tǒng)設計輕量化的多用戶共享虛擬場景框架，難點在于三維空間數(shù)據(jù)組織[4]。需要采用“低模高貼”、烘焙預渲染、控制模型面數(shù)、基于包圍盒的碰撞檢測、層次細節(jié)、場景幾何剖分、復雜模型優(yōu)化等技術(shù)進行三維空間數(shù)據(jù)組織，通過建立包括虛擬場景模型、虛擬裝備模型和嵌入式模擬軟件三類模型，實現(xiàn)場景、裝備、軟流程的數(shù)字化完美集成。

2虛擬訓練解決方案

2.1諸訓練要素的向量表述

為了描述諸訓練要素之間的關(guān)系，便于圖形美工和程序員之間的溝通和開發(fā)項目的工程化管理，引入包含“對象-行為-條件-響應-狀態(tài)” 擴展語義的向量表述，進行系統(tǒng)狀態(tài)圖描述，可以稱之為虛擬訓練原型向量，如圖1所示。

圖1　虛擬訓練原型向量

其中，交互對象可以是虛擬裝備整機或零部件，即交互對象的名稱、屬性和方法、交互類型、交互方式、交互提示、合法性判定以及操作記錄、操作反饋；行為則主要是用戶參與操作動作的圖形學表示，如角色的動作、工具移動旋轉(zhuǎn)、訓練流程轉(zhuǎn)換、更換使用求助類型等；條件即是對象和行為的狀態(tài)約束、裝配約束、同步約束以及操作響應觸發(fā)條件，在條件判斷后，滿足條件則啟動交互對象行為動作，動作結(jié)束則改變其狀態(tài)標記，否則進行相應的誤操作處理；響應即根據(jù)對角色消息隊列播控角色動畫，執(zhí)行或者恢復操作中斷，即時更新幫助提示信息以及即時操作信息入庫。

對于用戶，角色Character可以簡單理為在虛擬場景中的化身，無論它是用戶的替身Avatar還是NPC； 對于服務器，角色可以理解為所有用戶對象的代理Role，除了Avatar和NPC之外，還包括系統(tǒng)內(nèi)所有3D模型以及數(shù)據(jù)庫對象，因為有的用戶可能按一下按鈕、一個簡單的鍵盤操作或者使用一個工具。在具體虛擬場景環(huán)境下，虛擬角色指的不一定是人物，也可以是三維實體對象或軟件界面中的控件。

2.2“任務-動作”雙層任務管理機構(gòu)

本文結(jié)合實裝操作流程，將訓練分解為簡單的“任務-動作(Task-Action)”雙層機構(gòu)進行管理。即將某科目的操作訓練進行雙層分解：首先將科目分解為Task1，Task2… TaskM等M個“任務”，構(gòu)建Task流程表，每一個Task對應一個場景，再根據(jù)實裝的操作步驟將每一個Taski分解為Action1，Action2…ActionN等N個“動作”；其次，根據(jù)虛擬任務Task流程表(圖2)，規(guī)劃好Task對應的虛擬訓練場景；再次，針對每一個規(guī)劃好的虛擬訓練場景，構(gòu)建虛擬操作步Action，預設同步機制；最后，采用多線程渲染幀同步機制實現(xiàn)場景內(nèi)關(guān)聯(lián)對象的變化及訓練同步。

圖2　虛擬交互任務 Task流程

2.2.1交互類型

虛擬交互可以劃分為以下5類：角色間交互、與虛擬場景的交互、與虛擬裝備的交互、軟流程交互、交互/漫游模式切換。角色間交互就是指各崗位的用戶間通過網(wǎng)絡語音組內(nèi)同步完成實時對話和操作信息的同步提示等；與虛擬場景的交互就是指服務器與注冊用戶所登錄的場景加載、切換、同步，多用戶共享虛擬場景和虛擬裝備的同步與交互由網(wǎng)絡引擎來實現(xiàn)；與虛擬裝備的交互就是指本文以模型動畫對裝備的物理運動進行描述，提供操作的多媒體體驗，角色動畫支持矩陣動畫、紋理動畫、關(guān)節(jié)動畫、骨骼動畫、路徑動畫、柔體動畫、粒子動畫、消隱動畫等動畫類型；軟流程交互就是指虛擬訓練系統(tǒng)可以通過各種動畫以及特效等模擬完成直觀的物理操作，比如對于自動化測試系統(tǒng)以嵌入式軟件模式進行軟流程訓練。一般經(jīng)授權(quán)的注冊用戶登錄系統(tǒng)后，缺省的場景模式為漫游模式，用戶使用自由相機，架設在用戶的頭部眼睛位置，用戶可以利用自由相機漫游至操作崗位，也可以由快捷鍵一鍵抵達操作崗位，即切換為目標點相機。

2.2.2外觀和機理建模

虛擬裝備建模包括虛擬裝備外觀建模和機理建模。外觀模型可以劃分為感官模型和幾何結(jié)構(gòu)建模兩部分。感官模型要做到看起顏色材質(zhì)紋理貼圖跟實裝一致；幾何結(jié)構(gòu)全尺寸建模；采用“樹型控件”描述法對復雜裝備模型進行分層規(guī)劃；采用“層次結(jié)構(gòu)”描述機理模型[3]；建模起始階段即對面數(shù)進行控制，否則會造成三維引擎性能低下。平臺系統(tǒng)提供三類虛擬場景：第一類是真實海空山地為背景的虛擬場景；第二類是技術(shù)準備工房內(nèi)景；第三類是方艙結(jié)構(gòu)場景，用戶也可根據(jù)需要開發(fā)自定義場景。

2.2.3嵌入式模擬訓練軟件

平臺系統(tǒng)采用嵌入式模擬訓練軟件，開發(fā)了基于LabWindowsCVI或者LabView虛擬儀器的接口，提供“浸入式操作”和“孤立軟操作”兩種工作方式。“浸入式操作”就是利用虛擬裝備顯示屏動畫演示軟件運行界面，用于熟悉設備操作過程的演示；“孤立軟操作”就是利用子窗口技術(shù)單獨運行模擬訓練軟件，用于技術(shù)準備流程中與場景中模型的交互，軟件界面以及數(shù)字表頭同步顯示，與場景中相關(guān)儀器設備動畫交互。單擊場景中設備的電腦屏幕，即彈出該設備內(nèi)嵌入的軟件界面窗口，能夠模擬各設備軟件的主要界面以及流程。

2.3虛擬訓練評估

平臺系統(tǒng)采用基于角色的分布式系統(tǒng)管理策略RBAC，完成虛擬場景生成、系統(tǒng)運行控制、Task任務管理、Action交互協(xié)同、訓練評估等功能。平臺系統(tǒng)主要綜合運用AHP層次分析法和模糊數(shù)學方法，確定各“任務-動作”的指標權(quán)重值，綜合有效操作信息、操作用時、求助次數(shù)、誤操作等信息，采用“權(quán)重累加法”給出訓練考評成績。該方法將人的主觀判斷用數(shù)量形式表達和處理，盡量減少人主觀臆斷所帶來的弊端，評價結(jié)果可信。

3方法的應用

3.1系統(tǒng)架構(gòu)與組成

平臺系統(tǒng)軟件基于C/S架構(gòu)開發(fā)，由配置管理、虛擬裝備管理、虛擬場景管理、嵌入式模擬訓練軟件、單員交互訓練、崗位協(xié)同操訓、教學演示、參訓人員數(shù)據(jù)庫管理、訓練考評管理、訓練信息查詢、訓練監(jiān)控等分系統(tǒng)組成。底層支撐數(shù)據(jù)庫包括虛擬裝備數(shù)據(jù)庫、訓練人員數(shù)據(jù)庫、訓練考評數(shù)據(jù)庫、訓練即時信息數(shù)據(jù)庫等組成[1]。

3.2核心組件設計

平臺系統(tǒng)核心組件主要若干動態(tài)鏈接模塊組成[1]，對軟件系統(tǒng)的三維引擎、網(wǎng)絡引擎、數(shù)據(jù)庫引擎進行獨立封裝，使得系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶的需要，對訓練的科目、內(nèi)容、流程等級進行靈活配置。在用戶端既可以動態(tài)注冊/注銷、登陸和退出，也可以自定義虛擬場景以及虛擬裝備模型。平臺服務器可以對虛擬訓練流程進行設計，提供用戶間角色對話解析、行為錄制、回放支持；提供虛擬交互協(xié)同管理提供多線程渲染幀同步機制，對虛擬裝備裝配集實時解析，訓練即時信息入庫，支持訓練過程監(jiān)控、流程重啟和系統(tǒng)回放功能，隨時可以暫停訓練，對訓練效果進行定量評價[5]。提供三維音效，沉浸效果好，符合人體認知習慣。

3.3系統(tǒng)性能測試結(jié)果

以技術(shù)準備工房內(nèi)的虛擬場景，如圖3所示為例，給出一組16人同時在線的性能測試結(jié)果：平臺系統(tǒng)容量：服務器和用戶端數(shù)量主要受網(wǎng)絡帶寬限制，單用戶流量約1.3～1.5Mbps，100Mpbs網(wǎng)絡環(huán)境下，最多允許50個用戶端。系統(tǒng)準備時間：外圍設備準備好后，服務器和各用戶端計算機啟電，操作系統(tǒng)加載、完成系統(tǒng)登陸、開始訓練的總計時長≤1min。操作使用性能：系統(tǒng)平均網(wǎng)絡響應時間0.042s，網(wǎng)絡延遲為0.021s；虛擬操作響應時間≤0.2s。圖形性能：單個場景面數(shù)50萬面以下，幀速率≥28幀/s，畫面更新無閃爍。

圖3　一例技術(shù)準備工房內(nèi)的虛擬場景

4結(jié)論

作為虛實結(jié)合理念開展訓練的一種探索和實踐，基于本文所述方法開發(fā)了武器系統(tǒng)虛擬訓練平臺，是一種實時交互視景仿真應用的網(wǎng)絡平臺，其系統(tǒng)容量、系統(tǒng)準備時間、操作使用性能、圖形性能等性能指標達到國內(nèi)同類解決方案的領(lǐng)先水平。但是由于時間和工作經(jīng)驗的限制，還有很多相關(guān)問題有待繼續(xù)研究。

參考文獻：

[1]胡松偉.一種裝備虛擬訓練平臺開發(fā)方法[P].中國：201310145285.3，2013.

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[3]馬立元.大型復雜裝備虛擬操作訓練系統(tǒng)設計方法研究[D].南京：南京理工大學，2005.

[4]李會杰.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的某型導彈仿真訓練系統(tǒng)研究[J].系統(tǒng)仿真學報，2008(9)：2323-2324.

[5]熊會祥.基于AHP-模糊綜合評估方法的虛擬裝備訓練評估模型[J].兵工自動化，2008(12)：37-40.

(責任編輯周江川)