某型火箭布雷車虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計

何 俊， 公丕平， 申金星

（1.陸軍工程大學(xué)訓(xùn)練基地， 江蘇 徐州 221000； 2.陸軍工程大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院， 江蘇 南京 210007）

引言

某型火箭布雷車是我軍工程兵的一種主要布雷裝備，為我軍機(jī)動靈活地運用戰(zhàn)備戰(zhàn)術(shù)、充分發(fā)揚戰(zhàn)場火力提供了保證。該裝備機(jī)械化、自動化程度高，在大幅度增強(qiáng)作戰(zhàn)性能的同時，也對使用維修人員提出了更高的要求。使用維護(hù)保養(yǎng)人員必須經(jīng)過嚴(yán)格訓(xùn)練，熟悉裝備性能，掌握操作要領(lǐng)以后才可以進(jìn)行操作與維修。但該裝備造價高昂、列裝數(shù)量少，受到訓(xùn)練場地與配套設(shè)施等條件的限制，部隊難以進(jìn)行充分訓(xùn)練。在未來高技術(shù)戰(zhàn)爭背景下，工程兵部隊承擔(dān)著重要的任務(wù)使命，新裝備戰(zhàn)斗力的盡快形成與保持成為當(dāng)前軍事訓(xùn)練的一項重要課題，尤其是新型布雷裝備作戰(zhàn)效能的發(fā)揮成為工程兵部隊?wèi)?zhàn)備訓(xùn)練任務(wù)的重中之重。因此，研制一種經(jīng)濟(jì)、安全、高效的布雷車維修訓(xùn)練系統(tǒng)成為了當(dāng)務(wù)之急。

1 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)主要功能

火箭布雷車具有電、氣、液等多種傳動方式，操縱部件眾多、操作流程復(fù)雜。為全面、準(zhǔn)確地模擬火箭布雷車維修訓(xùn)練科目，必須合理規(guī)劃維修訓(xùn)練系統(tǒng)的整體布局，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行頂層設(shè)計，以明確技術(shù)路線，降低開發(fā)成本與開發(fā)難度。

為適應(yīng)基層部隊實際維修應(yīng)用需求，系統(tǒng)設(shè)計力求操作便捷、易于使用、設(shè)置靈活、交互性強(qiáng)、資源緊湊。軟件平臺基于Unity3D 虛擬現(xiàn)實引擎開關(guān)，按操作場景劃分功能模塊。虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)主要模塊包括裝備概述、結(jié)構(gòu)組成、液壓回路、電控系統(tǒng)、整體拆裝、維修訓(xùn)練、部件維修、效果評估和數(shù)據(jù)支持等基本功能模塊，其基本模塊組成架構(gòu)如圖1 所示。

1.1 裝備展示功能模塊

裝備展示功能模塊是以三維場景方式，直觀展示整套火箭布雷車的戰(zhàn)技術(shù)性性能、總體結(jié)構(gòu)、解剖結(jié)構(gòu)、總成細(xì)部、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和其他系統(tǒng)，以及火箭布雷車的常見故障與維修保養(yǎng)情況的整體性描述，演示上述各組成的基本運行原理與工作狀態(tài)，為受訓(xùn)人員提供一個裝備的整體性概念，實現(xiàn)維修教學(xué)訓(xùn)練中對裝備結(jié)構(gòu)的認(rèn)知性需求和整體概念的建立。

1.2 結(jié)構(gòu)組成功能模塊

結(jié)構(gòu)組成場景模塊通過結(jié)構(gòu)樹面板和展示面板結(jié)合呈現(xiàn)火箭布雷車的具體結(jié)構(gòu)組成，受訓(xùn)人員的觀察視角動態(tài)可調(diào)，實現(xiàn)視角的旋轉(zhuǎn)、綻放和平移等三種靈活操作。裝備的結(jié)構(gòu)樹面板與火箭布雷車的結(jié)構(gòu)組成單元互相對應(yīng)。系統(tǒng)能夠以透明/半透明模式顯示可視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，極大地方便用戶觀察學(xué)習(xí)布雷車內(nèi)部的各個組成部分的結(jié)構(gòu)、原理與技術(shù)特點，為裝備拆解、維修調(diào)試和故障排除提供堅實的基礎(chǔ)。

1.3 液壓回路功能模塊

該場景模塊采用三維液壓元件回路與二維液壓系統(tǒng)原理回路同步協(xié)同播放，全視角多維度展示火箭布雷車液壓系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成與故障特性。其中油路工作原理采用動態(tài)網(wǎng)絡(luò)生成實現(xiàn)，場景中攝像機(jī)動畫組件的應(yīng)用實現(xiàn)了對液壓構(gòu)件與回路的任意角度觀察。

1.4 電控系統(tǒng)功能模塊

電控系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計思路與液壓回路功能模塊類似，同樣采用三維與二維協(xié)同演示的方式實現(xiàn)電控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)、工作原理、故障特性的教學(xué)展示。電控系統(tǒng)的主要元器件根據(jù)實際元件建模，可透明化顯示元件外形及內(nèi)部構(gòu)造，也可以隱藏電路外部元件，利用三維彩色進(jìn)度條突出電控系統(tǒng)回路信息流和能量流傳送的工作狀態(tài)。

1.5 整體拆裝功能模塊

該場景功能模塊用于進(jìn)行布雷車組成元件的結(jié)構(gòu)拆裝，培訓(xùn)學(xué)員的結(jié)構(gòu)拆卸、組裝、調(diào)試與整車裝配技術(shù)。該功能模塊的實現(xiàn)應(yīng)用了Mecannim 動畫技術(shù)，將每個拆裝步驟的動畫保存于各個動畫層中，在拆裝過程中選取某一部件時，利用界面提供的工具可以對部件的組成元件進(jìn)行拆卸和裝配操作。

1.6 維修訓(xùn)練功能模塊

維修訓(xùn)練功能模塊主要用于受訓(xùn)人員進(jìn)行裝備的故障檢測、排除與虛擬維修訓(xùn)練。根據(jù)訓(xùn)練科目選擇訓(xùn)練內(nèi)容，訓(xùn)練內(nèi)容提供了常見故障現(xiàn)象和故障檢測選項。根據(jù)出現(xiàn)的模擬故障進(jìn)行故障的檢測與維修訓(xùn)練，可模擬作業(yè)過程中的故障狀態(tài)，引導(dǎo)用戶進(jìn)行識別與維修。維修訓(xùn)練功能模塊也提供了維修訓(xùn)練效果的模擬檢驗功能，當(dāng)維修訓(xùn)練步驟結(jié)束后，通過裝備模擬訓(xùn)練的回放操作，可檢驗維修訓(xùn)練效果。

1.7 部件維修功能模塊

該模塊主要對火箭布雷車的裝填機(jī)液壓系統(tǒng)和千斤頂液壓系統(tǒng)中的主要元器件進(jìn)行維修訓(xùn)練，支持自學(xué)模式和向?qū)Ｊ絻煞N訓(xùn)練模式。用戶可靈活選擇多路閥、液壓泵等元件進(jìn)行故障檢測、分解拆裝、故障調(diào)試與維修訓(xùn)練。在向?qū)Ｊ较?，用戶可選擇液壓元件，系統(tǒng)自動進(jìn)行液壓系統(tǒng)的工作原理、結(jié)構(gòu)組成和故障維修與排除的指導(dǎo)演示，供其學(xué)習(xí)布雷車的結(jié)構(gòu)組成原理與故障維修方法。

1.8 效果評估功能模塊

該模塊根據(jù)系統(tǒng)記錄的參訓(xùn)人員信息，如用戶名、訓(xùn)練科目、訓(xùn)練日期、分?jǐn)?shù)區(qū)間等數(shù)據(jù)，利用維修訓(xùn)練效果評估模型，計算和評估受訓(xùn)者的操作和維修訓(xùn)練效果，給出對受訓(xùn)者各個訓(xùn)練課目的訓(xùn)練效果的科學(xué)評價，所得結(jié)果既可作為評測成績，也可作為衡量受訓(xùn)者提高訓(xùn)練水平的參考依據(jù)。

1.9 數(shù)據(jù)支持功能模塊

該模塊由裝備結(jié)構(gòu)三維模型庫、裝備基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、裝備操作與維修過程數(shù)據(jù)庫、訓(xùn)練結(jié)果數(shù)據(jù)庫以及相應(yīng)的管理系統(tǒng)組成。在維修訓(xùn)練系統(tǒng)初始化時，這些數(shù)據(jù)庫可為系統(tǒng)提供結(jié)構(gòu)模型、行為模型、考核模型和維修排除與調(diào)試過程模型等。在訓(xùn)練過程中，這些數(shù)據(jù)庫可為受訓(xùn)者操作與維修訓(xùn)練提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支撐，動態(tài)記錄操作與維修訓(xùn)練過程中的數(shù)據(jù)等。

2 維修訓(xùn)練軟件結(jié)構(gòu)組成

維修訓(xùn)練軟件結(jié)構(gòu)由兩部分組成，即作為人機(jī)接口界面的系統(tǒng)主操作面板和后臺功能模塊集成架構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖

其中，系統(tǒng)主界面包括訓(xùn)練模式、考核模式、教學(xué)模式、進(jìn)度加載和系統(tǒng)配置五個模塊。訓(xùn)練模式模塊主要進(jìn)行火箭布雷車維修仿真訓(xùn)練，包括裝備駕駛、裝填彈、操炮、發(fā)射、撤收、故障檢測、裝備拆解、裝配與維修調(diào)試等訓(xùn)練科目。考核模式模塊用于檢驗訓(xùn)練效果、實施相關(guān)科目考核等。教學(xué)模式模塊分為三部分內(nèi)容，即理論學(xué)習(xí)、理論考試和考試成績查詢。進(jìn)度加載模塊根據(jù)在訓(xùn)練過程中臨時存檔的記錄進(jìn)行讀檔操作，讀檔后可繼續(xù)上次存檔數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，并且場景、訓(xùn)練步驟、訓(xùn)練分?jǐn)?shù)保持不變。系統(tǒng)配置模塊用于設(shè)置訓(xùn)練考核過程的聲效、畫質(zhì)、地理條件等參數(shù)，如定制系統(tǒng)聲音打開或關(guān)閉、配置水域效果為高級還是低級、植被效果的起伏特征等。

功能模塊集成架構(gòu)主要包括結(jié)構(gòu)展示模型模塊、作業(yè)環(huán)境模型模塊、作業(yè)過程模型模塊和人機(jī)接口模型（HMI）模塊。其中結(jié)構(gòu)展示模型又分為裝備零部件結(jié)構(gòu)模型和部件操作行為模型。裝備零部件結(jié)構(gòu)模型包括火箭布雷車整機(jī)、發(fā)射裝置、裝填裝置、控制系統(tǒng)等的零部件結(jié)構(gòu)模型，而部件操作行為模型主要包括布雷車發(fā)射前準(zhǔn)備行為、自動操炮操作行為、半自動操炮操作行為和裝定發(fā)火操作行為、發(fā)射后操作行為的過程模型。作業(yè)環(huán)境模型模塊主要包括布雷車作業(yè)水文、氣象條件和地域環(huán)境條件等模型。作業(yè)過程模型模塊主要包括布雷車作業(yè)過程中的操作模型和裝備維修模型。作業(yè)過程操作模型是對裝備操作過程中的各種行為，如調(diào)炮、火箭彈裝填、布雷彈裝定/發(fā)火等的描述，裝備維修模型是對布雷車整機(jī)及各個系統(tǒng)故障的檢測、診斷、調(diào)試與排除等行為的描述。人機(jī)接口模型模塊主要用來采集操作信息及進(jìn)行命令轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)維修訓(xùn)練的交互式執(zhí)行。功能模塊集成架構(gòu)的模型關(guān)系如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)各模型之間的關(guān)系

人機(jī)接口模型將受訓(xùn)者操作動作映射為顯示屏幕的定位信息，同時將指令傳送至布雷車結(jié)構(gòu)展示模型單元驅(qū)使其動作；結(jié)構(gòu)展示模型向作業(yè)過程模型發(fā)出操作請求，根據(jù)布雷車操作規(guī)則，作業(yè)過程模型向結(jié)構(gòu)展示模型發(fā)送裝備響應(yīng)使能信息，同時，將操作提示信息上傳至人機(jī)接口模型，向受訓(xùn)人員提供操作提示與幫助信息。在虛擬維修訓(xùn)練過程中，作業(yè)環(huán)境模型提供布雷車發(fā)射、撤收、行駛等相關(guān)信息。

3 系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)

3.1 訓(xùn)練流程的設(shè)計

訓(xùn)練流程采用系統(tǒng)集成的方法實現(xiàn)，融故障現(xiàn)象、檢測流程、診斷步驟和維修方法于一體。圖4 所示為訓(xùn)練流程示意圖。受訓(xùn)人員進(jìn)入操作主界面后，系統(tǒng)自動給出默認(rèn)流程及可選項，提示受訓(xùn)人員裝備使用前檢查步驟。當(dāng)用戶開始訓(xùn)練后，主界面左側(cè)會彈出故障樹面板，主顯示區(qū)域右側(cè)彈出故障現(xiàn)象信息窗體。隨后采用動態(tài)可視化方式引導(dǎo)受訓(xùn)者檢測布雷車的故障。而自主故障維修則需要受訓(xùn)者自行查找故障。系統(tǒng)可以實時判定受訓(xùn)者故障排除步驟、方法的完備性。

圖4 布雷車維修訓(xùn)練執(zhí)行流程設(shè)計

3.2 虛擬訓(xùn)練模式的實現(xiàn)

訓(xùn)練模式可針對火箭布雷車駕駛、通訊聯(lián)系、裝填彈、直接瞄準(zhǔn)、半直接瞄準(zhǔn)、發(fā)射、撤收等科目進(jìn)行全過程、全要素逼真訓(xùn)練，是虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的核心功能。

訓(xùn)練科目需在數(shù)據(jù)庫中綁定數(shù)據(jù)列表并指定唯一的標(biāo)示ID，并設(shè)置相關(guān)預(yù)覽圖片。根據(jù)操作要求設(shè)計內(nèi)部訓(xùn)練規(guī)則，明確操作步驟之間的邏輯關(guān)系，作為考核評估的依據(jù)，并在界面中實時顯示科目名稱、規(guī)則列表、訓(xùn)練分?jǐn)?shù)、任務(wù)倒計時、任務(wù)進(jìn)度條以及錯誤提示等信息。

為實現(xiàn)逼真的訓(xùn)練效果，訓(xùn)練模式下仿真軟件幀率在30 幀以上，仿真機(jī)與監(jiān)控機(jī)畫面實時同步，虛擬作戰(zhàn)地域場景范圍不小于1 km2，操作響應(yīng)時間不超過300 ms。

3.2.1 布雷車駕駛訓(xùn)練

在訓(xùn)練模式界面選擇布雷車駕駛科目，首先設(shè)置訓(xùn)練晝夜、晴天、雨天、霧天等作業(yè)環(huán)境（下頁圖5）而后開始布雷車駕駛訓(xùn)練，如圖5 所示，操作界面實時顯示車輛擋位、方向盤、點火、油門、離合、腳剎、手剎的工作狀態(tài)。受訓(xùn)人員可依照界面左上角的操作提示步驟，操縱駕駛席方向盤、離合器、油門、剎車、換擋機(jī)構(gòu)等模擬部件，完成虛擬布雷車的起步、換擋、加速等駕駛操作，并根據(jù)地形情況和標(biāo)定地段完成轉(zhuǎn)向、制動和停車。基于實車操作中的邏輯次序，各步操作應(yīng)嚴(yán)格按照操作順序進(jìn)行，每完成一個步驟，相應(yīng)的提示信息將高亮顯示。

圖5 布雷車駕駛行駛科目界面

3.2.2 間接瞄準(zhǔn)訓(xùn)練

火箭布雷車實施間接瞄準(zhǔn)之前要對炮車賦予基準(zhǔn)射向，模擬訓(xùn)練器可實現(xiàn)瞄準(zhǔn)點法、雙標(biāo)桿法和標(biāo)定器法等典型賦予射向方法的針對性訓(xùn)練。

圖6 為瞄準(zhǔn)點法操作界面，通過瞄準(zhǔn)鏡視角可觀察射擊地域的瞄準(zhǔn)參考點以及射擊目標(biāo)，操瞄席全景視角可觀察光學(xué)瞄準(zhǔn)裝置設(shè)置的方向角、高低角、炮目高低角等射擊諸元。按照操作提示步驟，在駕駛席位依次打開面板電源總開關(guān)、啟動底盤車、第一取力器、操作手油門，而后在瞄準(zhǔn)席位啟動高低擴(kuò)大電機(jī)、啟動瞄準(zhǔn)席方向擴(kuò)大電機(jī)、賦予射擊諸元，實施間接瞄準(zhǔn)與射擊。每個操作步驟完成后，其提示信息將高亮顯示并給出訓(xùn)練分?jǐn)?shù)。

4 結(jié)語

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)的火箭布雷車虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)解決了部隊和院校因場地、經(jīng)費和安全性所導(dǎo)致的維修訓(xùn)練難題，為實施火箭布雷車訓(xùn)練與教學(xué)提供了一種貼近實戰(zhàn)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，并可實現(xiàn)操作與維修訓(xùn)練的量化考核與評估，實現(xiàn)了布雷裝備的全過程、全要素模擬訓(xùn)練。該系統(tǒng)可被廣泛地應(yīng)用于工程兵部隊、院校的教學(xué)、訓(xùn)練與考核，模擬實裝操作方法、步驟及故障排除與維修保養(yǎng)過程，可縮短訓(xùn)練時間，節(jié)約訓(xùn)練經(jīng)費，提高戰(zhàn)備完好率，提升布雷班組操作訓(xùn)練水平，解決布雷車列裝部隊后訓(xùn)練水平低、訓(xùn)練手段落后以及實裝實彈訓(xùn)練難度大、危險性高、耗費嚴(yán)重的現(xiàn)實問題，特別是原來野戰(zhàn)條件下無法開展的訓(xùn)練科目也可在模擬訓(xùn)練器中反復(fù)練習(xí)，對于提高裝備訓(xùn)練水平有著重要的現(xiàn)實意義。

圖6 布雷車間接瞄準(zhǔn)訓(xùn)練場景