輔助機務虛擬維修訓練系統(tǒng)的設計與應用

孫忠云，田濤，蘇鋒

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東青島266041）

輔助機務虛擬維修訓練系統(tǒng)的設計與應用

孫忠云，田濤，蘇鋒

（海軍航空工程學院青島校區(qū)，山東青島266041）

為保證交互響應的實時性，確保邏輯解算的可靠性和一致性的要求，提出基于TCP/IP協(xié)議采用分布計算的C/S體系結構，將人機交互與邏輯解算分別在不同的進程中進行計算，根據(jù)面向對象的設計思想采用組件化技術來設計平臺架構，通過Windows組播方式實現(xiàn)座艙內外協(xié)同訓練和多人協(xié)同分布式訓練的方法，并在某型飛機機務維修訓練模擬器中得以應用。

虛擬維修；虛擬現(xiàn)實；協(xié)同訓練

0 引言

虛擬維修（Virtual Maintenance）是以計算機技術與虛擬現(xiàn)實技術為依托，在由計算機生成的、包含產(chǎn)品數(shù)字樣機與維修人員3D人體模型的虛擬場景中，通過驅動人體模型（包括采用在回路的方式）完成整個維修過程仿真的綜合性應用技術[1]。虛擬維修訓練系統(tǒng)（Virtual Maintenance Training System）是一種有效的訓練手段，受訓人員可以在任何時間、任何環(huán)境下進行訓練以熟悉整個機務維護、維修過程。應用虛擬現(xiàn)實技術構建軍用裝備虛擬維修訓練系統(tǒng)不僅可以解決實裝訓練不足的問題，并且可以提供多人次、多場位的訓練環(huán)境，既節(jié)約了大量的訓練經(jīng)費，又能保證訓練安全。因此已經(jīng)成為維修技術的發(fā)展趨勢之一，各國都在積極開展這方面的研究和應用[2-5]。

現(xiàn)階段，機務人員從接觸裝備，熟悉裝備，再到掌握裝備的維護、維修方法的學習周期長，受場地、環(huán)境等諸多因素的影響大，同時參訓的人數(shù)少，訓練費用高，無法保證大規(guī)模，高強度的訓練，也就無法快速的提高機務人員的維護、維修和戰(zhàn)斗準備水平。因此采用虛擬現(xiàn)實技術構建一套機務人員虛擬維修訓練系統(tǒng)，對于縮短機務人員維護、維修的學習周期，提高部隊戰(zhàn)斗力有重要意義。

1 相關研究

目前我軍幾乎所有的大型復雜裝備都沒有配置維修訓練器材，對維修人員的訓練主要是結合實裝進行，存在如下缺陷[6]：①結合實裝維修訓練，其數(shù)量和訓練場地，受訓人員的數(shù)量和時間難以保證，訓練效率低下；②新裝備功能結構復雜，造價昂貴，難以提供在實踐上做維修訓練使用，造成維修訓練工作無法進行，從而影響戰(zhàn)備完好率和戰(zhàn)斗力的快速形成；③結合實裝維修訓練，局限性大，所見故障現(xiàn)象和所能體會的維修操作有限，大多還只能從書本上進行抽象理解；④維修訓練結合實裝維修，多限于分解、結合，而對故障檢測這一維修訓練的重要內容訓練甚少；⑤結合實裝進行維修訓練，成本高，甚至是不可能。

對于新裝備，機務人員從理論改裝學習到實裝訓練有一個周期，在這個周期里，機務人員接觸不到實裝，更無法結合實裝進行改裝學習，即使到了結合實裝訓練階段，也因實裝價格昂貴、系統(tǒng)復雜，訓練成本高等諸多因素受到限制。

隨著虛擬現(xiàn)實技術自身的發(fā)展，其應用研究領域的不斷擴大和成熟，以計算機仿真、虛擬現(xiàn)實以及多媒體、計算機網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫管理等技術為支撐，構建一套機務人員虛擬維修訓練系統(tǒng)可以很好的解決上述問題。

2 系統(tǒng)功能和總體結構

2.1 系統(tǒng)功能

用于機務人員虛擬維修的訓練系統(tǒng)是一個以飛機座艙為模擬對象，具備設備操作、飛機外部檢查、座艙內部檢查、通電檢查和發(fā)動機起動與試車等方面的模擬訓練功能的綜合系統(tǒng)。系統(tǒng)要求能夠針對機務人員教學和滿足部隊的實際訓練要求，在PC機上實現(xiàn)，在設計與構建上要滿足通用化、標準化和易升級擴展、維護，信息以圖像、聲音、語言和文字等形式傳達給受訓人員，通過鼠標、鍵盤進行交互。根據(jù)機務人員日常保障、維護、維修的操作規(guī)程和訓練大綱的要求，確定系統(tǒng)的功能如下：

（1）程序訓練功能。包括飛機外部檢查、座艙內部檢查、通電檢查、發(fā)動機試車與檢查、設備使用和故障處置等功能。

（2）理論學習功能。包括維護規(guī)程學習和維修手冊學習。

（3）訓練考核功能。包括理論考核和程序訓練考核。

（4）訓練管理功能。用戶管理、考核管理、故障設置和系統(tǒng)管理功能。

根據(jù)機務人員虛擬維修訓練系統(tǒng)的功能組成，設計系統(tǒng)功能結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結構

2.2 總體結構

系統(tǒng)基于TCP/IP協(xié)議采用分布計算的C/S體系結構，將人機交互與邏輯解算分別在不同的進程中計算，既能保證交互響應的實時性，又能保證邏輯解算的可靠性和一致性。根據(jù)面向對象的設計思想采用組件化技術來設計平臺架構，通過Windows組播方式可實現(xiàn)座艙內外協(xié)同訓練和多人協(xié)同分布式訓練，使局域網(wǎng)內一個組代表一架飛機，確保了數(shù)據(jù)交換的準確性。采用Windows消息機制實現(xiàn)人機交互，達到了仿真訓練交互響應的實時性和可靠性運行指標要求。系統(tǒng)總體結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的總體結構

客戶端程序基于人機交互的可靠性與實時性原則主要完成虛擬環(huán)境的建立與顯示、座艙內模擬量的采集與上報、座艙內儀表設備的驅動。主要包括3個部分：視景和虛擬儀表組件（此處的虛擬儀表含所有的模擬量輸入與顯示）、數(shù)據(jù)池插件、SOCKET組件。由于客戶端是與用戶直接進行交互的，因此采用菜單和快捷鍵方式設計一個簡單直觀的人機界面交互接口。受訓人員可以通過菜單選擇相應的視景文件、數(shù)據(jù)池文件、更新相應飛機的儀表動態(tài)庫。

受訓人員使用外設來完成模擬訓練。通過鍵盤快捷鍵、鼠標點擊某個元件（如打開某個開關、按鈕）觸發(fā)窗體消息，完成元件標識和狀態(tài)值的處理，接著由SOCKET組件通過TCP/IP方式發(fā)送給服務端，服務端通過插件管理組件觸發(fā)邏輯推理，將邏輯運算結果以組播的方式通過TCP/IP發(fā)送給組內所有客戶端同時更新服務端的數(shù)據(jù)池，客戶端將運算結果存儲到數(shù)據(jù)池中，啟動線程進行儀表賦值。部分實時結果數(shù)據(jù)需要通過UDP方式傳送給客戶端。

服務端是以窗體形式嵌入到客戶端，同時給用戶提供一個友好的設置界面，包括服務器地址、本機地址、組播地址的設置，服務端需要根據(jù)客戶端所更新的機型文件來更新服務端的邏輯、數(shù)據(jù)池等。主要功能是進行邏輯運算、數(shù)據(jù)池更新、以及對PLUGIN進行管理。為保證運算速度、發(fā)送解算結果的實時性，通過面向交互狀態(tài)的主動觸發(fā)和篩選機制結合回調函數(shù)與PLUGIN技術，保證運算速度和發(fā)送結果的實時性。

客戶端的操作結果通過網(wǎng)絡傳送到服務端，觸發(fā)插件管理組件調用邏輯推理，運算結果通過SOCKET發(fā)送給組內所有客戶端同時更新服務端數(shù)據(jù)池?；诜植际降脑瓌t，任何時候網(wǎng)內任何一臺計算機只要連接到該服務器，即加入了該組，成為這架飛機的一個訓練人員。因此組內的所有受訓計算機必須實時同步，所以該計算機一旦連接到服務端，首先通過SOCKET獲取服務端數(shù)據(jù)池內各元件的狀態(tài)，存入客戶端數(shù)據(jù)池，啟動線程完成儀表賦值，這樣保證了新加入的計算機和已經(jīng)在訓練中的計算機能夠實時同步。

3 系統(tǒng)軟件的構建

系統(tǒng)采用Visual C++6.0和Vega Prime相結合的方式進行平臺的開發(fā)構建，使用場景建模軟件Multi-Gen Creator對場景幾何模型構建，虛擬儀表制作軟件GL Studio對機載設備仿真的方式進行開發(fā)。系統(tǒng)的開發(fā)流程和關鍵技術主要有嵌入式邏輯代碼自動生成技術、虛擬儀表技術、視景組件技術。

3.1 嵌入式邏輯代碼自動生成技術

嵌入式邏輯代碼自動生成技術給腳本編寫者提供圖形化的編輯 界面，腳本編寫者對設備的實體和行為進行建模，并把這種模型在圖形化的編輯 環(huán)境中通過一定的圖元表現(xiàn)出來，結構化圖元可以真實的反映出各級設備的連接關系及其操作響應（行為），并通過嵌入式組件對圖元進行管理與代碼的自動生成，生成的代碼在主控程序的邏輯解算模塊中自動運行，實現(xiàn)所見即所得，快速代碼化。圖3是嵌入式邏輯代碼生成技術應用中的1個行為建模的例子。

3.2 虛擬儀表技術

GL Studio是DISTI公司開發(fā)的一款優(yōu)秀的儀表仿真工具，是1個獨立平臺的快速的原型工具，用來創(chuàng)建實時的、二維或三維的、照片級的互動圖形界面。它能與HLA/DIS仿真應用相連，生成的C++和OpenGL TM源代碼可以單獨運行，也可以嵌入其他應用中。

GL Studio設計的儀表可以重建真實飛機的座艙結構和控制，如座艙通電演練、熟悉操作流程，提供一個完全真實的虛擬化環(huán)境。通過GL Studio的紋理映射和元件對象聯(lián)合創(chuàng)建制作的飛機各類儀表和綜合顯示器能形象逼真的反映出飛機儀表的真實信息及狀態(tài)，結合Creator，Vega Prime等可以分解整架飛機各專業(yè)的機載設備、儀表顯示、綜合顯示、信號反饋、人機交互等操作過程，完全按照飛行準備程序和設備檢查程序進行通電檢查、操作程序考核評估等任務。圖4是GL Studio開發(fā)虛擬儀表的流程圖。

圖3 1個行為建模架構

圖4 GLStudio開發(fā)虛擬儀表流程圖

3.3 視景組件技術

使用視景仿真軟件進行虛擬現(xiàn)實開發(fā)時，程序員編程直接面對的是視景軟件的SDK。直接使用SDK進行開發(fā)，受限于視景SDK依賴的編程環(huán)境和編程語言，并且必須完全了解其機理和API函數(shù)后，才能編程，這種編程方法需要的相關知識多、編程效率低下，不利于分工協(xié)作，不利于模塊化開發(fā)，也不利于統(tǒng)一過程管理和系統(tǒng)體系構架的設計?；谏鲜鲈?，研發(fā)視景組件，將視景完全封裝到COM組件中，通過提供相應的控制接口來實現(xiàn)對視景的交互。

基于COM組件機制，封裝視景軟件（VEGA PRIME），屏蔽了虛擬現(xiàn)實軟件使用的復雜性。使用自己編寫的COM進行編程，不依賴于具體的編譯環(huán)境和編程語言，可大大降低編程難度。具體優(yōu)點如下：

（1）虛擬現(xiàn)實軟件支持現(xiàn)有WINDOWS下的所有編程語言，包括VB6，VC6，VBdotNET，VC7，C#，JAVA，DELPHI，C++ BUILDER，POWERBUILDER等編程語言，擴展了原來只能用C++進行編程的限制，擴展了VEAG PRIME在其他語言上的應用。

（2）降低虛擬現(xiàn)實編程的難度，使工作效率大大提高。原來的VEGA PRIME平臺的編程，需要熟練的高級程序員才能勝任，使用ACTIVEX控件進行編程，則只要入門級的程序員即可。

（3）隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，可以更新視景組件的內部實現(xiàn)機理和依賴的平臺，但是提供的接口不變，這樣可以保證視景組件具有良好的兼容性和可擴展性。

（4）COM組件的應用使得視景模塊與主程序之間僅存在數(shù)據(jù)的交換，相對獨立，便于程序的調試和擴展。

4 系統(tǒng)的特點

系統(tǒng)盡可能的模擬真實的操作環(huán)境，運行效果如圖5。同時，系統(tǒng)具有4個特點。

圖5 系統(tǒng)運行效果

（1）系統(tǒng)基于普通PC機，訓練過程中信息以圖像、語言和文字的形式傳送到受訓的機務人員，機務人員通過鼠標、鍵盤以及模擬操縱桿設備與系統(tǒng)進行交互。

（2）針對機務人員的日常維護、維修保障訓練，系統(tǒng)可以完成機務人員操作規(guī)程和訓練大綱所規(guī)定的90%以上任務的虛擬維修訓練項目。

（3）系統(tǒng)的機務人員維修、維護工作與實裝操作完全一致，通過模擬真實的工作環(huán)境和設備，能夠有效的模擬實裝飛行前、飛行后的機務準備工作，能夠設置相應的故障并且給出準確的故障處置方法。

（4）系統(tǒng)能夠根據(jù)機務人員操作規(guī)程和訓練大綱的要求對受訓人員進行理論學習與考核、程序訓練實習與考核，縮短了機務人員改裝訓練、考核的周期。

5 結論

機務人員虛擬維修訓練系統(tǒng)的開發(fā)主要需要考慮到機務人員理論改裝的內容是否完整，模擬實裝訓練的科目是否全面，在達到訓練效果的情況下要盡可能的降低模擬器的開發(fā)成本［7］。本系統(tǒng)通過多媒體技術，數(shù)據(jù)庫管理等技術實現(xiàn)了機務人員理論改裝教學的全面性，通過采用Visual C++6.0和Vega Prime相結合的方式進行開發(fā)，再輔以場景建模軟件Multi-Gen Creator對場景幾何模型構建和虛擬儀表制作軟件GL Studio對機載設備仿真的方式進行開發(fā)，使系統(tǒng)可以真實的仿真機務人員在實裝上的日常維護，維修訓練，并且使得系統(tǒng)開發(fā)上手快、周期短、成本低。其次，本系統(tǒng)屬于靜態(tài)的訓練模擬系統(tǒng)，在1臺普通的PC上即可實現(xiàn)機務人員理論改裝，維護、維修訓練90%以上的任務，因此系統(tǒng)的硬件配置要求低、推廣應用成本低。

機務人員虛擬維修訓練系統(tǒng)，已經(jīng)在《某型飛機機務維修訓練系統(tǒng)》中得以應用，滿足了系統(tǒng)功能和部隊實際訓練的要求，具有一定的應用推廣價值。

［1］馬麟.虛擬維修過程模型的研究[D].北京航空航大大學，2003.

［2］楊宇航，李志忠，等.虛擬維修研究綜述[J].系統(tǒng)仿真學報，2005，17（9）:2191-2195.

［3］伍永昌，楊宇航，等.基于計算機技術的導彈維修仿真演示系統(tǒng)[J].計算機仿真，2003，20（9）:29-31.

［4］劉玉海，俞康倫，等.基于虛擬現(xiàn)實的裝備維修仿真訓練系統(tǒng)研究[J].計算機仿真，2002，19（2）:49-51.

［5］楊宇航，李志忠，等.基于虛擬現(xiàn)實的導彈維修訓練系統(tǒng)[J].兵工學報，2006，27（2）:297-300.

［6］張建偉，陸亨立.虛擬現(xiàn)實技術及其應用[J].電子科技導報，1999（8）：26-27.

［7］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）:79-83.

〔編輯 李波〕

TP399

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.48