車(chē)載指控通信系統(tǒng)虛擬維修教學(xué)訓(xùn)練平臺(tái)設(shè)計(jì)

張 增 李曉燕 趙 萌 尚世鋒

（陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072）

1 引言

分隊(duì)車(chē)載指控通信系統(tǒng)通常包括電臺(tái)、車(chē)內(nèi)通信系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)“車(chē)通”）、計(jì)算機(jī)、北斗等典型設(shè)備及連接線(xiàn)纜，信息化程度高，傳統(tǒng)維修教學(xué)對(duì)實(shí)裝依賴(lài)性大，教學(xué)訓(xùn)練條件不足矛盾突出；反復(fù)拆裝修理易造成裝備損壞，實(shí)裝教學(xué)成本高；人工故障設(shè)置種類(lèi)少，維修過(guò)程缺乏數(shù)據(jù)記錄，訓(xùn)練評(píng)估模式陳舊，難以進(jìn)行精準(zhǔn)全面的指導(dǎo)[1]。虛擬仿真技術(shù)在裝備訓(xùn)練方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)，具有表現(xiàn)形式形象直觀(guān)、交互方式豐富便捷、應(yīng)用時(shí)空不受限制等顯著特點(diǎn)[2]，可以通過(guò)構(gòu)建“實(shí)景”“實(shí)地”和“實(shí)物”的虛擬訓(xùn)練環(huán)境，仿真裝備操作、使用、維護(hù)、維修工作，從而實(shí)現(xiàn)三維虛擬可視化認(rèn)知教學(xué)和近實(shí)戰(zhàn)化仿真交互訓(xùn)練[3]。目前，車(chē)載指控通信系統(tǒng)的虛擬仿真技術(shù)主要是在單體設(shè)備上的運(yùn)用，沒(méi)有體現(xiàn)在成體系的作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)用[4]。本文結(jié)合VR沉浸式虛擬維修技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)分隊(duì)車(chē)載指控通信系統(tǒng)虛擬維修教學(xué)訓(xùn)練平臺(tái)，突出系統(tǒng)級(jí)維修訓(xùn)練模式，實(shí)現(xiàn)了基于設(shè)備、平臺(tái)及網(wǎng)絡(luò)三級(jí)的維修教學(xué)訓(xùn)練功能。

2 系統(tǒng)需求分析

本系統(tǒng)平臺(tái)為滿(mǎn)足教學(xué)訓(xùn)練需求，能夠提供理論知識(shí)學(xué)習(xí)、設(shè)備維修訓(xùn)練、訓(xùn)練考核、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)訓(xùn)練、系統(tǒng)管理等功能。

（1）理論知識(shí)學(xué)習(xí)功能?？梢酝ㄟ^(guò)相關(guān)科目的學(xué)習(xí)了解設(shè)備的功能、組成、結(jié)構(gòu)、工作原理、拆裝流程，以及設(shè)備的使用操作；系統(tǒng)級(jí)的構(gòu)造原理以文字、圖片、音頻、動(dòng)畫(huà)視頻等多媒體形式演示單車(chē)、排車(chē)、連車(chē)指控通信系統(tǒng)的設(shè)備組成、連接關(guān)系、信息流和信號(hào)流；能夠交互實(shí)現(xiàn)電臺(tái)、車(chē)內(nèi)通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、北斗從整機(jī)、附件安裝拆卸到內(nèi)部組件、模件板的拆卸更換；能夠交互實(shí)現(xiàn)設(shè)備技術(shù)狀況的檢測(cè)，以及故障排除的基本流程。

（2）設(shè)備維修訓(xùn)練功能?？梢酝ㄟ^(guò)操作相關(guān)科目來(lái)熟悉設(shè)備的操作使用、設(shè)備使用過(guò)程中可能遇到的各種故障現(xiàn)象，然后通過(guò)故障現(xiàn)象分析故障產(chǎn)生的原因，再通過(guò)拆卸更換模件逐步排除故障，從而掌握排除故障的流程。通過(guò)硬件設(shè)備提供沉浸式訓(xùn)練支撐環(huán)境，為電臺(tái)、車(chē)內(nèi)通信系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)、北斗等設(shè)備提供維修訓(xùn)練環(huán)境。

（3）訓(xùn)練考核功能。學(xué)員通過(guò)進(jìn)入具體科目進(jìn)行實(shí)際操作，從查找故障，到分析故障，再到一步步排除故障，教員從學(xué)員用戶(hù)的得分來(lái)判斷學(xué)員對(duì)設(shè)備故障排除的熟練程度及訓(xùn)練效果。

（4）系統(tǒng)聯(lián)調(diào)功能。通過(guò)車(chē)與車(chē)之間進(jìn)行話(huà)音、數(shù)據(jù)聯(lián)調(diào)來(lái)模擬車(chē)輛之間的通信；模擬車(chē)際組網(wǎng)的信息流和信號(hào)流；并能對(duì)典型車(chē)輛的話(huà)音、數(shù)據(jù)信息流進(jìn)行演示；聯(lián)調(diào)模塊可以對(duì)分隊(duì)級(jí)組網(wǎng)（連車(chē)/排車(chē)/單車(chē)三級(jí)組網(wǎng)）信息流和信號(hào)流進(jìn)行演示。

（5）系統(tǒng)管理功能?？梢栽O(shè)置系統(tǒng)時(shí)間、管理口令，可以查詢(xún)訓(xùn)練及考核情況等信息。系統(tǒng)可以對(duì)登錄的學(xué)員及教員用戶(hù)進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)文件匹配學(xué)員用戶(hù)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)及相關(guān)信息。教員通過(guò)系統(tǒng)管理模塊可以對(duì)受訓(xùn)學(xué)員進(jìn)行訓(xùn)練科目和考核科目的設(shè)置，根據(jù)訓(xùn)練科目或?qū)I(yè)等級(jí)要求進(jìn)行科目標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置?？蛇h(yuǎn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)同步到受訓(xùn)人員操作環(huán)境中。教員及受訓(xùn)學(xué)員在訓(xùn)練環(huán)境下可隨時(shí)通過(guò)系統(tǒng)管理模塊進(jìn)行退出操作，系統(tǒng)自動(dòng)保存當(dāng)前信息至本地；在考核情況下，受訓(xùn)人員中途主動(dòng)退出系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)判定受訓(xùn)人員的分?jǐn)?shù)并保存。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)應(yīng)用目標(biāo)和人機(jī)交互方式的不同，通常把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)劃分為桌面虛擬維修、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)或混合虛擬現(xiàn)實(shí)、分布式虛擬現(xiàn)實(shí)等。其中，沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)具有良好的用戶(hù)體驗(yàn)，可使用戶(hù)完全沉浸在虛擬世界中[5]。因此，系統(tǒng)硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)選型的原則是以提高用戶(hù)體驗(yàn)和滿(mǎn)足系統(tǒng)性能為目標(biāo)導(dǎo)向，從市場(chǎng)上選購(gòu)滿(mǎn)足指標(biāo)要求、技術(shù)成熟、性能穩(wěn)定的貨架產(chǎn)品綜合集成，構(gòu)建沉浸式VR虛擬現(xiàn)實(shí)硬件平臺(tái)。

分隊(duì)車(chē)載通信系統(tǒng)虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)涉及單車(chē)指控通信系統(tǒng)虛擬維修、排車(chē)指控通信系統(tǒng)虛擬維修和連車(chē)指控通信系統(tǒng)虛擬維修三個(gè)層級(jí)。虛擬維修系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，由計(jì)算機(jī)和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備（VR設(shè)備）生成虛擬維修樣機(jī)和虛擬維修場(chǎng)景，采用維修人員在回路的方式，通過(guò)虛擬的人機(jī)互動(dòng)來(lái)仿真實(shí)現(xiàn)整個(gè)維修過(guò)程[6]。每個(gè)設(shè)備訓(xùn)練（系統(tǒng)聯(lián)訓(xùn)）模塊又由設(shè)備三維數(shù)字模型、訓(xùn)練管理功能模塊、理論知識(shí)學(xué)習(xí)功能模塊、設(shè)備拆裝/分解組合（信息流程）演示訓(xùn)練功能模塊、設(shè)備維修（系統(tǒng)聯(lián)調(diào)）演示功能訓(xùn)練模塊、訓(xùn)練考核模塊等功能模塊組成，平臺(tái)組成及訓(xùn)練模塊組成分別如圖1、圖2所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

從裝備保障訓(xùn)練過(guò)程看，裝備維修訓(xùn)練環(huán)節(jié)主要有理論學(xué)習(xí)、維修訓(xùn)練和訓(xùn)練考核三大環(huán)節(jié)，這三個(gè)環(huán)節(jié)的串聯(lián)主線(xiàn)索則是維修保障對(duì)象。裝備種類(lèi)及類(lèi)型多種多樣，但維修保障總體上基本都屬于這種模式。為滿(mǎn)足系統(tǒng)平臺(tái)的開(kāi)放性、通用性和集成性[7]，虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)的基本軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖1 車(chē)載通信裝備系統(tǒng)級(jí)虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)組成結(jié)構(gòu)圖

圖2 設(shè)備訓(xùn)練及系統(tǒng)聯(lián)訓(xùn)模塊組成結(jié)構(gòu)圖

（1）第一層是業(yè)務(wù)功能層。由系統(tǒng)管理、理論學(xué)習(xí)、維修訓(xùn)練和訓(xùn)練考核四部分程序組成。系統(tǒng)管理設(shè)置部分則實(shí)現(xiàn)用戶(hù)系統(tǒng)登錄，用戶(hù)管理（對(duì)用戶(hù)信息的查詢(xún)、添加、修改、刪除的驗(yàn)證），訓(xùn)練條件和考核設(shè)置等業(yè)務(wù)。理論學(xué)習(xí)部分按訓(xùn)練科目分別選擇設(shè)備功能、組成、性能、結(jié)構(gòu)、工作原理、拆卸安裝/分解組合演示、技術(shù)狀態(tài)檢測(cè)演示和訓(xùn)練科目演示等維修相關(guān)理論和技能方法內(nèi)容進(jìn)行學(xué)習(xí)。維修訓(xùn)練和訓(xùn)練考核部分則分別實(shí)現(xiàn)按訓(xùn)練科目區(qū)分的設(shè)備故障排除訓(xùn)練和訓(xùn)練考核。訓(xùn)練考核部分則是在維修訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，通過(guò)時(shí)間限定，再增加維修標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)等數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)參訓(xùn)人員進(jìn)行的各種維修操作由系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤記錄，并對(duì)參考人員考核過(guò)程打分評(píng)判。

（2）第二層是操作界面層。提供人機(jī)交互的界面，維修訓(xùn)練和訓(xùn)練考核按故障分類(lèi)驅(qū)動(dòng)，由仿真模型計(jì)算、界面交互、故障選擇、虛擬檢測(cè)工具、考核評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)、訓(xùn)練數(shù)據(jù)記錄等部分組成。

（3）第三層是模型支持層。仿真模型計(jì)算主要包括信道模型、射頻信號(hào)模型、電氣連接模型等；界面交互主要包括天線(xiàn)的拆除、單元（部件）從整機(jī)上的拆除、單元（部件）緊固螺絲的拆除、單元（部件）內(nèi)模件的拆除、模件緊固螺絲的拆除、連接線(xiàn)纜的連接和拆除、模件的更換等交互；故障選擇主要包括每個(gè)設(shè)備按部件分類(lèi)的故障生成，以及地形、距離、電子干擾造成的不能通聯(lián)等；虛擬檢測(cè)工具主要包括信息設(shè)備維修常用的三用表、通信系統(tǒng)綜合測(cè)試儀、功率計(jì)、連接電臺(tái)各部件用到的維修測(cè)試電纜等；考核評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)主要是計(jì)時(shí)器、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，用于考核計(jì)時(shí)和評(píng)定考核成績(jī)；訓(xùn)練數(shù)據(jù)記錄主要是記錄操作時(shí)間、操作情況，用于訓(xùn)練考核過(guò)程回放。

圖3 虛擬維修訓(xùn)練平臺(tái)的基本軟件架構(gòu)

5 系統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，主要是對(duì)系統(tǒng)的訓(xùn)練科目進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以滿(mǎn)足教學(xué)大綱對(duì)學(xué)員維修理論和維修技能的要求。主要訓(xùn)練科目設(shè)計(jì)如圖4所示。虛擬維修系統(tǒng)訓(xùn)練科目，主要包括設(shè)備、平臺(tái)（車(chē)內(nèi)）、網(wǎng)絡(luò)（車(chē)際）3個(gè)層級(jí)。學(xué)員通過(guò)理論科目學(xué)習(xí)，能夠了解設(shè)備/車(chē)內(nèi)/車(chē)際功能組成及連接關(guān)系、設(shè)備/車(chē)內(nèi)/車(chē)際話(huà)音數(shù)據(jù)通信工作流程、設(shè)備拆裝及分解組合、設(shè)備技術(shù)狀況檢測(cè)、設(shè)備故障排除分析的理論介紹和功能演示。學(xué)員通過(guò)虛擬訓(xùn)練及訓(xùn)練考核科目學(xué)習(xí)，能夠進(jìn)行設(shè)備/平臺(tái)/網(wǎng)絡(luò)各類(lèi)典型故障科目的訓(xùn)練模擬，并能進(jìn)行訓(xùn)練科目的考核；設(shè)備級(jí)故障虛擬訓(xùn)練模擬按照電源、收信、發(fā)信、控制四種不同信號(hào)通路進(jìn)行設(shè)計(jì)，平臺(tái)級(jí)故障訓(xùn)練模擬按照電臺(tái)、車(chē)通、計(jì)算機(jī)、北斗、綜合五種不同設(shè)備類(lèi)別進(jìn)行設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)級(jí)故障訓(xùn)練模擬按照電臺(tái)、北斗、有線(xiàn)、路由、綜合五種不同鏈路類(lèi)別進(jìn)行設(shè)計(jì)。教員也可通過(guò)后臺(tái)訓(xùn)練數(shù)據(jù)記錄，訓(xùn)練考核過(guò)程回放，對(duì)受訓(xùn)學(xué)員進(jìn)行精準(zhǔn)全面的指導(dǎo)。

下面以網(wǎng)絡(luò)層級(jí)虛擬訓(xùn)練—電臺(tái)鏈路類(lèi)故障訓(xùn)練模擬—“天線(xiàn)故障導(dǎo)致無(wú)法通信”課目為例，介紹其維修訓(xùn)練的操作流程設(shè)計(jì)。

（1）步驟一：將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有電臺(tái)開(kāi)機(jī)自檢，進(jìn)入待機(jī)工作狀態(tài)。

（2）步驟二：將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有電臺(tái)設(shè)置為模話(huà)、非靜噪狀態(tài)，耳機(jī)中有噪聲。

（3）步驟三：分別按下各自胸前開(kāi)關(guān)的“發(fā)信”鍵，各自電臺(tái)分別由收信轉(zhuǎn)為發(fā)信狀態(tài)，顯示屏顯示狀態(tài)轉(zhuǎn)換標(biāo)識(shí)，工作帽耳機(jī)背景噪聲有變化，發(fā)話(huà)可聽(tīng)見(jiàn)自側(cè)音，上述現(xiàn)象可排除胸前開(kāi)關(guān)及工作帽等音頻附件故障的可能。

（4）步驟四：設(shè)置各自電臺(tái)為模話(huà)模式，確認(rèn)頻率設(shè)置無(wú)誤，雙方進(jìn)行話(huà)音溝通聯(lián)絡(luò)，仍然無(wú)法接聽(tīng)到對(duì)方信號(hào)，可排除電臺(tái)參數(shù)配置錯(cuò)誤的可能。

（5）步驟五：在模話(huà)方式和相同的工作頻率下，單車(chē)1、排車(chē)2分別與電臺(tái)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)第三方連車(chē)3（確認(rèn)系統(tǒng)正常）進(jìn)行話(huà)音溝通聯(lián)絡(luò)。若單車(chē)1與第三方均無(wú)法正常接收信號(hào)而單車(chē)2與第三方通信正常，則可確認(rèn)單車(chē)1系統(tǒng)故障，按照連線(xiàn)檢查、天線(xiàn)檢查、電臺(tái)車(chē)通設(shè)備檢查的順序依次排除，確定最終單車(chē)1的故障部位。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前車(chē)載通信系統(tǒng)維修訓(xùn)練方面遇到的一些問(wèn)題以及現(xiàn)有的匱乏、落后的維修手段現(xiàn)狀，利用虛擬維修技術(shù)，由于其方便直觀(guān)，可以提高維修效率并降低成本，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)通過(guò)教學(xué)發(fā)現(xiàn)，虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)非常適合于實(shí)裝維修訓(xùn)練前的認(rèn)知和自主學(xué)習(xí)，對(duì)于規(guī)范學(xué)員操作流程、快速提高維修技能，以及形成全面精準(zhǔn)的訓(xùn)練評(píng)估模式具有重要意義。

圖4 虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)訓(xùn)練科目組成結(jié)構(gòu)圖