某型雷達(dá)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)踐應(yīng)用

趙喜　胡文華　朱曉秀　李鳴　付強(qiáng)

摘要：根據(jù)雷達(dá)裝備實(shí)際教學(xué)訓(xùn)練需求，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)了某型雷達(dá)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)。本文首先介紹了虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的功能、組成與工作流程，然后分析了基于系統(tǒng)的教學(xué)訓(xùn)練特點(diǎn)，最后給出了系統(tǒng)在教學(xué)訓(xùn)練中的應(yīng)用實(shí)例。實(shí)踐證明，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)和訓(xùn)練工作，能夠有效提高教學(xué)訓(xùn)練的效果。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；維修訓(xùn)練；裝備訓(xùn)練

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）49-0076-03

基于裝備的教學(xué)和訓(xùn)練工作在提高參訓(xùn)人員的工程實(shí)踐能力、裝備綜合素養(yǎng)以及打牢崗位任職能力方面具有重要作用。受教學(xué)訓(xùn)練資源、手段的限制，裝備教學(xué)訓(xùn)練過程中存在著裝備設(shè)備不足、教學(xué)訓(xùn)練時(shí)間難以保證、訓(xùn)練成本高等突出問題，在很大程度上制約著教學(xué)訓(xùn)練效果的提高。

一、系統(tǒng)基本功能

根據(jù)裝備教學(xué)訓(xùn)練需求，開發(fā)的某型雷達(dá)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)具備裝備結(jié)構(gòu)展示、裝備操作訓(xùn)練、裝備維修訓(xùn)練、訓(xùn)練效果評(píng)估以及數(shù)據(jù)支持等5項(xiàng)基本功能，系統(tǒng)基本功能框架如圖1所示。

1.裝備結(jié)構(gòu)展示功能。裝備結(jié)構(gòu)展示功能是以3D的形式，向參訓(xùn)人員提供一套虛擬的雷達(dá)裝備，可從不同視角展示雷達(dá)及其附屬設(shè)備的外部及內(nèi)部組成，演示各組成的基本工作狀態(tài)，以滿足教學(xué)訓(xùn)練中對(duì)某型雷達(dá)裝備結(jié)構(gòu)的認(rèn)知需求。

2.裝備操作訓(xùn)練功能。裝備操作訓(xùn)練功能是以3D虛擬交互的方式，向參訓(xùn)人員提供一個(gè)逼真的裝備操作訓(xùn)練環(huán)境。利用該環(huán)境，可進(jìn)行雷達(dá)裝備的架設(shè)、撤收、開機(jī)、關(guān)機(jī)、火炮標(biāo)定、指揮鏡標(biāo)定、正北標(biāo)定、目標(biāo)搜索、目標(biāo)跟蹤、開火射擊、系統(tǒng)功能測(cè)試等操作訓(xùn)練，以滿足教學(xué)訓(xùn)練中對(duì)某型雷達(dá)裝備操作訓(xùn)練的需求。

3.裝備維修訓(xùn)練功能。裝備維修訓(xùn)練的基本流程包括發(fā)現(xiàn)故障征兆，進(jìn)行故障診斷、故障隔離、裝備拆卸、換件、裝備安裝和檢驗(yàn)等。裝備維修訓(xùn)練功能可為參訓(xùn)人員提供逼真的某型雷達(dá)裝備虛擬維修訓(xùn)練環(huán)境。利用該環(huán)境，可進(jìn)行裝備基本操作、故障現(xiàn)象觀察、裝備測(cè)試、裝備部件更換等維修活動(dòng)，以滿足對(duì)某型雷達(dá)裝備維修訓(xùn)練的需求。

4.訓(xùn)練效果評(píng)估功能。訓(xùn)練效果評(píng)估功能是根據(jù)記錄的參訓(xùn)人員操作、維修過程數(shù)據(jù)，利用訓(xùn)練效果評(píng)估模型，分析計(jì)算參訓(xùn)人員的操作和維修訓(xùn)練效果，以滿足對(duì)參訓(xùn)人員相應(yīng)訓(xùn)練科目的評(píng)測(cè)需求，同時(shí)評(píng)估結(jié)果也可為提高參訓(xùn)人員訓(xùn)練水平提供依據(jù)。

5.數(shù)據(jù)支持功能。數(shù)據(jù)支持功能由各類數(shù)據(jù)庫(kù)完成，這些數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括三維模型庫(kù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、過程數(shù)據(jù)庫(kù)和結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)初始化時(shí)，可為虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)提供各類模型及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。訓(xùn)練過程中，可為參訓(xùn)人員的操作行為提供數(shù)據(jù)支撐，并可記錄訓(xùn)練過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。訓(xùn)練效果評(píng)估時(shí)，可提供評(píng)估模型及訓(xùn)練過程數(shù)據(jù)，記錄評(píng)估結(jié)果。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

某型雷達(dá)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可分為系統(tǒng)主界面和系統(tǒng)集成框架兩大部分。其中，系統(tǒng)主界面包括訓(xùn)練設(shè)置、系統(tǒng)監(jiān)控、訓(xùn)練評(píng)估三個(gè)功能模塊，分別提供訓(xùn)練科目的選擇與設(shè)置、訓(xùn)練過程的監(jiān)視與控制以及訓(xùn)練效果評(píng)估等功能。系統(tǒng)集成框架包括結(jié)構(gòu)展示模型、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型[2]、運(yùn)行機(jī)理模型和人機(jī)交互模型[3]等四類仿真模型模塊，如圖2所示。

圖2中，系統(tǒng)集成框架為四類仿真模型模塊提供支撐，控制各仿真模型模塊的加載、卸載和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的切換，并利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型、裝備結(jié)構(gòu)3D模型的集成，實(shí)現(xiàn)裝備操作訓(xùn)練、裝備維修訓(xùn)練的“人—機(jī)”交互式仿真。結(jié)構(gòu)展示模型包括裝備結(jié)構(gòu)3D模型和基本行為模塊。裝備結(jié)構(gòu)3D模型主要包括雷達(dá)及附屬設(shè)備的模型；基本行為模塊是指操作過程中雷達(dá)裝備展現(xiàn)出的各種基本現(xiàn)象和行為，如雷達(dá)加電時(shí)相應(yīng)指示燈的狀態(tài)等。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型用于反映作戰(zhàn)地域地形地貌、電磁環(huán)境、氣象條件等基本戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境條件，為模擬訓(xùn)練提供逼真的背景。運(yùn)行機(jī)理模型包括裝備操作模型和故障排除模型兩大類。裝備操作模型是對(duì)裝備操作過程中嚴(yán)格的操作流程的描述；故障排除模型是對(duì)裝備故障狀態(tài)和內(nèi)部運(yùn)行規(guī)律的描述，模擬裝備出現(xiàn)故障時(shí)的行為和現(xiàn)象。人機(jī)交互模型用于將操作人員的鍵盤鼠標(biāo)操作和其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為對(duì)裝備的操作指令，以完成對(duì)裝備的操作訓(xùn)練。四類模型的關(guān)系如圖3所示。

圖3中，人機(jī)交互模型將外界的互操作信息轉(zhuǎn)換為屏幕定位信息，作用于結(jié)構(gòu)展示模型；結(jié)構(gòu)展示模型根據(jù)定位信息，向運(yùn)行機(jī)理模型發(fā)出操作請(qǐng)求；機(jī)理模型根據(jù)操作規(guī)則，計(jì)算判斷響應(yīng)結(jié)果，為人機(jī)交互模型提供提示信息，同時(shí)提供裝備響應(yīng)使能信息給結(jié)構(gòu)展示模型，以進(jìn)行相應(yīng)的裝備響應(yīng)。在此過程中，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型為結(jié)構(gòu)展示模型提供特定的戰(zhàn)場(chǎng)條件背景信息。

三、虛擬訓(xùn)練的基本工作流程

利用某型雷達(dá)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，操作過程可分為訓(xùn)練科目選擇、系統(tǒng)初始化、虛擬裝備訓(xùn)練、訓(xùn)練效果評(píng)估四個(gè)步驟，如圖4所示。

第一，訓(xùn)練科目選擇。系統(tǒng)啟動(dòng)之后，根據(jù)訓(xùn)練計(jì)劃安排，在主界面選擇需要進(jìn)行的訓(xùn)練科目，然后進(jìn)行系統(tǒng)初始化。

第二，系統(tǒng)初始化。讀取數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，加載戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型、裝備結(jié)構(gòu)展示模型和裝備機(jī)理模型等，并對(duì)裝備的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置。

第三，虛擬裝備訓(xùn)練。操作人員使用鍵盤鼠標(biāo)或其他人機(jī)交互設(shè)備進(jìn)行裝備操作訓(xùn)練，訓(xùn)練過程中可提供相應(yīng)的提示信息，系統(tǒng)實(shí)時(shí)記錄操作步驟。

第四，訓(xùn)練效果評(píng)估。操作完成后，系統(tǒng)利用操作過程數(shù)據(jù)和訓(xùn)練效果評(píng)估模型，進(jìn)行訓(xùn)練效果評(píng)估并顯示評(píng)估結(jié)果。

四、基于系統(tǒng)的教學(xué)訓(xùn)練特點(diǎn)

將虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用于裝備教學(xué)訓(xùn)練當(dāng)中，具有如下特點(diǎn)。

1.增加裝備訓(xùn)練時(shí)間。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的虛擬裝備訓(xùn)練環(huán)境，能夠以較低的成本達(dá)到與實(shí)裝訓(xùn)練近似的訓(xùn)練效果：利用虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)“人—機(jī)”交互式虛擬訓(xùn)練，不但能讓參訓(xùn)人員較快的掌握操作步驟，同時(shí)也能保證操作訓(xùn)練的真實(shí)感，保障參訓(xùn)人員訓(xùn)練時(shí)間，從而有效提高教學(xué)和訓(xùn)練的效果。

2.減少裝備設(shè)備損耗。操作訓(xùn)練當(dāng)中，實(shí)裝操作具有真實(shí)、直觀的優(yōu)點(diǎn)，但武器裝備都具有一定的壽命期限，在雷達(dá)裝備操作使用、組合拆裝和故障排除等教學(xué)實(shí)踐過程中，裝備使用如果過于頻繁，不可避免地會(huì)出現(xiàn)裝備磨損、部件損耗等問題，勢(shì)必會(huì)減少裝備的使用壽命，造成訓(xùn)練成本增大。而虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)采用以虛代實(shí)的形式，進(jìn)行相關(guān)的訓(xùn)練，訓(xùn)練中的裝備損耗問題在很大程度上被克服，軍事經(jīng)濟(jì)效益明顯。

3.促進(jìn)自主學(xué)習(xí)?；谔摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)的某型雷達(dá)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，具有可移植性，并且與多種計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)兼容，可將虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)發(fā)布于校園網(wǎng)或局域網(wǎng)，參訓(xùn)人員可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教育和訓(xùn)練。同時(shí)，也可方便參訓(xùn)人員利用課下時(shí)間進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)，助力參訓(xùn)人員的自主學(xué)習(xí)，從而有效提高教學(xué)訓(xùn)練的效果。

五、系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用案例

裝備教學(xué)訓(xùn)練活動(dòng)主要包括裝備構(gòu)造原理知識(shí)的學(xué)習(xí)以及結(jié)合裝備的操作訓(xùn)練兩大類。其中，裝備構(gòu)造原理知識(shí)的學(xué)習(xí)是裝備操作訓(xùn)練的基礎(chǔ)，裝備操作訓(xùn)練是裝備構(gòu)造原理知識(shí)學(xué)習(xí)的落腳點(diǎn)。在這兩類活動(dòng)中，我們都充分利用了虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，取得了較好的教學(xué)訓(xùn)練效果。

1.在構(gòu)造原理教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用案例。以往的裝備構(gòu)造原理教學(xué)環(huán)節(jié)主要采用“教材+PPT課件+實(shí)裝”的方式，教學(xué)內(nèi)容的表現(xiàn)形式不夠直觀、形象；雷達(dá)裝備結(jié)構(gòu)緊湊、拆裝困難，參訓(xùn)人員難以詳細(xì)認(rèn)知裝備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。針對(duì)這些問題，我們?cè)谘b備的構(gòu)造原理教學(xué)中，充分利用了虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)。結(jié)合虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)施環(huán)節(jié)如下：（1）裝備展示。利用系統(tǒng)提供的裝備3D模型，進(jìn)行裝備主要組成部分的演示。指明裝備的組成及各組成在裝備中的位置，形成參訓(xùn)人員對(duì)裝備的整體概念。（2）結(jié)構(gòu)分析。利用裝備結(jié)構(gòu)3D模型，詳細(xì)介紹各組合的作用及組成。（3）拆裝演示。利用系統(tǒng)提供的操作環(huán)境，拆裝裝備組合，裝備各組成部件的結(jié)構(gòu)和拆裝過程可被更加直觀的認(rèn)知。將虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)引入到構(gòu)造原理教學(xué)環(huán)節(jié)，教學(xué)手段更加生動(dòng)形象，方便了參訓(xùn)人員對(duì)裝備結(jié)構(gòu)的認(rèn)知，大大提高了參訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)興趣，有效提高了教學(xué)效果。

2.在裝備實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用案例。在裝備實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，一個(gè)突出的實(shí)際問題是裝備少、人員多。在近幾年的裝備教學(xué)中，人員、裝備的比例基本上都保持在10∶1以上，每名參訓(xùn)人員進(jìn)行裝備訓(xùn)練的時(shí)間很短，訓(xùn)練效果難以保障。且裝備一旦出現(xiàn)故障，上述問題就變得更加突出。為克服上述問題，在裝備實(shí)訓(xùn)過程中，充分利用了虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，訓(xùn)練步驟如下：（1）操作演示。利用虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)訓(xùn)練內(nèi)容的演示。讓參訓(xùn)人員了解裝備的戰(zhàn)勤操作、維修操作等基本內(nèi)容，起到“教學(xué)引導(dǎo)”的作用。（2）虛擬操作。參訓(xùn)人員在系統(tǒng)上進(jìn)行虛擬交互操作，一人一機(jī)，獨(dú)立完成操作，如圖5所示。參訓(xùn)人員通過多次的虛擬交互式訓(xùn)練，可以熟悉操作的流程，為實(shí)裝操作做好準(zhǔn)備。此外，這個(gè)環(huán)節(jié)的訓(xùn)練也可以在業(yè)余時(shí)間進(jìn)行，參訓(xùn)人員可獲得更多的學(xué)習(xí)主動(dòng)權(quán)。（3）實(shí)裝訓(xùn)練。利用虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)完成虛擬交互訓(xùn)練后，參訓(xùn)人員可在雷達(dá)上進(jìn)行實(shí)裝操作，鍛煉參訓(xùn)人員的實(shí)際操作能力，解決實(shí)際操作中遇到的問題。（4）訓(xùn)練升華。結(jié)合實(shí)際情況，充分運(yùn)用虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練效果評(píng)估等功能，進(jìn)行針對(duì)性的探索式學(xué)習(xí)訓(xùn)練，發(fā)揮參訓(xùn)人員主觀能動(dòng)性，提高參訓(xùn)人員創(chuàng)新能力。

將虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用于裝備實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)，體現(xiàn)出了“開放式、情景式、交互式”的特征，在一定程度上克服了裝備實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)存在的問題，促進(jìn)了裝備訓(xùn)練工作的開展。

六、結(jié)束語

與傳統(tǒng)的裝備教學(xué)訓(xùn)練相比，將現(xiàn)代虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到裝備教學(xué)訓(xùn)練當(dāng)中，可有效增強(qiáng)教學(xué)效果、減少裝備損耗、降低教學(xué)成本、提高參訓(xùn)人員積極性、減輕教員工作強(qiáng)度。此外，虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)還能很好地幫助參訓(xùn)人員利用課下時(shí)間進(jìn)行學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，助力自主學(xué)習(xí)。系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用，對(duì)于相關(guān)課程的開展具有一定的借鑒意義。

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