虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)原理與維修教學(xué)中的應(yīng)用

陽(yáng)能軍 王友才 袁曉靜 周永濤

（火箭軍工程大學(xué)，西安 710025）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程施工中使用的工程機(jī)械功能越來(lái)越完備，極大地提高了工程施工效率和質(zhì)量。但是，工程機(jī)械結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，原理越來(lái)越抽象，對(duì)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)原理與維修教學(xué)提出了更高要求。近年來(lái)，虛擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)為開(kāi)展工程機(jī)械結(jié)構(gòu)原理與維修教學(xué)提供了新途徑?；谔摂M仿真技術(shù)研發(fā)的維修訓(xùn)練系統(tǒng)，因具有良好的交互性和沉浸感，能夠在較低的教學(xué)成本下取得良好的教學(xué)效果[1-2]。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)原理

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)融合了基礎(chǔ)數(shù)學(xué)、相似理論等專業(yè)知識(shí)，以計(jì)算機(jī)等設(shè)備為載體，采用基于面向?qū)ο蟮乃枷霕?gòu)建可實(shí)時(shí)操控的實(shí)驗(yàn)方式，其基本原理如圖1所示。操作者利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，配合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在建構(gòu)的多種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，可以身臨其境地完成各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行Ы鉀Q某些專業(yè)課程理論抽象、原理復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)過(guò)程危險(xiǎn)以及教學(xué)成本高的難題。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)基本原理

2 工程機(jī)械虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的特點(diǎn)及功能

工程機(jī)械虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)通過(guò)引導(dǎo)式訓(xùn)練，從講解工程機(jī)械結(jié)構(gòu)原理到實(shí)操指導(dǎo)全流程，使學(xué)生掌握其組成部件的拆裝步驟，理解檢測(cè)設(shè)備操作過(guò)程，逐漸能夠診斷并排除典型故障。與教學(xué)實(shí)裝相比，工程機(jī)械虛擬維修系統(tǒng)具有顯著特點(diǎn)。一是直觀性強(qiáng)。系統(tǒng)可以通過(guò)透視、孤立等方式，呈現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和構(gòu)件之間的聯(lián)接關(guān)系。二是交互性好。系統(tǒng)可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)手柄、鍵盤、鼠標(biāo)等設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求。三是安全性高。虛擬環(huán)境不存在高溫、高壓、強(qiáng)磁、高輻射等風(fēng)險(xiǎn)因素，不會(huì)導(dǎo)致受訓(xùn)人員受傷。

針對(duì)工程機(jī)械結(jié)構(gòu)原理與維修教學(xué)需要，工程機(jī)械虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)包含結(jié)構(gòu)展示、部件拆裝訓(xùn)練、典型的故障診斷及排除訓(xùn)練、訓(xùn)練考核等功能，分別用于工程機(jī)械內(nèi)部結(jié)構(gòu)與工作原理靜態(tài)教學(xué)、部件拆裝與故障排除操作教學(xué)與訓(xùn)練考核。此外，系統(tǒng)應(yīng)該包括結(jié)構(gòu)件拆裝演示與教學(xué)、設(shè)備故障診斷與排除訓(xùn)練、結(jié)果考核與評(píng)價(jià)等功能。

3 虛擬交互控制原理

為實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，系統(tǒng)可劃分為外部控制和內(nèi)部響應(yīng)兩部分。學(xué)生針對(duì)輸出設(shè)備提供信息，通過(guò)輸入設(shè)備操控虛擬場(chǎng)景中的對(duì)象實(shí)現(xiàn)外部控制。虛擬系統(tǒng)內(nèi)部響應(yīng)則根據(jù)各項(xiàng)操作指令操控虛擬對(duì)象完成實(shí)驗(yàn)要求。通過(guò)輸入輸出和內(nèi)外交互，建立交互控制虛實(shí)結(jié)合的映射聯(lián)系。外部輸入的信息經(jīng)過(guò)內(nèi)部預(yù)置程序響應(yīng)后執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，進(jìn)而通過(guò)輸出設(shè)備實(shí)時(shí)與學(xué)生實(shí)現(xiàn)控制交互。

4 工程機(jī)械虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略

4.1 框架設(shè)計(jì)策略

工程機(jī)械虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)采用插件式開(kāi)發(fā)，在遵循一定的接口標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，可以快速實(shí)現(xiàn)集成，也就是所謂的熱插拔操作，隔離框架本身和應(yīng)用模塊之間的耦合性關(guān)聯(lián)，以無(wú)限地對(duì)已開(kāi)發(fā)好的系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，且不會(huì)影響已有的功能。通過(guò)系統(tǒng)功能管理對(duì)系統(tǒng)擴(kuò)展需要的功能模塊、角色權(quán)限進(jìn)行簡(jiǎn)單配置，即可實(shí)現(xiàn)功能的添加、刪除與修改[3-4]。

系統(tǒng)采用3層架構(gòu)，將各個(gè)模塊劃分為表示層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問(wèn)層。各層之間采用接口互相訪問(wèn)，并通過(guò)對(duì)象模型的實(shí)體類作為數(shù)據(jù)傳遞的載體。表示層位于3層構(gòu)架的最上層，與用戶直接接觸，主要是客戶機(jī)/服務(wù)器（Client/Server，C/S）信息系統(tǒng)中的用戶界面。表示層的主要功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳入與輸出，無(wú)須借助邏輯判斷操作就可以將數(shù)據(jù)傳送到業(yè)務(wù)邏輯層進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，且在處理后會(huì)將處理結(jié)果反饋到表示層。業(yè)務(wù)邏輯層的功能是對(duì)具體問(wèn)題進(jìn)行邏輯判斷與執(zhí)行操作，在3層構(gòu)架中位于表示層與數(shù)據(jù)層中間位置，同時(shí)是表示層與數(shù)據(jù)層的橋梁，實(shí)現(xiàn)3層之間的數(shù)據(jù)連接和指令傳達(dá)。它可以對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的修改、獲取以及刪除等功能。數(shù)據(jù)訪問(wèn)層是數(shù)據(jù)庫(kù)的主要操控部分，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的增加、刪除、修改以及查詢等操作，并將操作結(jié)果反饋到業(yè)務(wù)邏輯層。實(shí)體類庫(kù)是數(shù)據(jù)庫(kù)表的映射對(duì)象。在軟件實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中要建立對(duì)象實(shí)例，將關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)表采用對(duì)象實(shí)體化的方式表現(xiàn)出來(lái)。

4.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)策略

工程裝備維修訓(xùn)練軟件包含理論教學(xué)與考核模塊、結(jié)構(gòu)展示與原理演示模塊、虛擬拆裝與維護(hù)保養(yǎng)模塊、故障維修訓(xùn)練模塊、綜合管理與維護(hù)系統(tǒng)4個(gè)模塊。理論教學(xué)與考核模塊以課件的方式進(jìn)行教學(xué)，以試卷的方式進(jìn)行考核，教師與學(xué)生共同完成教學(xué)與考核過(guò)程。該模塊主要包括教學(xué)功能、學(xué)習(xí)功能、考試功能及評(píng)估分析。結(jié)構(gòu)展示與原理演示模塊通過(guò)建立三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)展示裝備的整體結(jié)構(gòu)和組成，通過(guò)原理動(dòng)畫和系統(tǒng)原理數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)的仿真動(dòng)畫展示整個(gè)工程機(jī)械、分系統(tǒng)和部件的原理。虛擬拆裝與維護(hù)保養(yǎng)模塊根據(jù)裝備業(yè)務(wù)功能生成邏輯模型，基于操作規(guī)程生成操作流程腳本驅(qū)動(dòng)裝備三維邏輯模型，從而實(shí)現(xiàn)虛擬拆裝訓(xùn)練和虛擬維護(hù)訓(xùn)練功能。故障維修訓(xùn)練模塊以常見(jiàn)故障處置操作規(guī)程為基礎(chǔ)，通過(guò)流程編輯器生成裝備故障處置操作流程庫(kù)，由訓(xùn)練管理員或?qū)W生選擇相應(yīng)的故障處置操作科目，調(diào)取故障流程庫(kù)中的流程數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)裝備仿真邏輯引擎生成三維故障流程腳本，實(shí)現(xiàn)虛擬故障處置流程交互。綜合管理與維護(hù)模塊主要通過(guò)在系統(tǒng)中維護(hù)組織結(jié)構(gòu)、人員、角色以及功能菜單等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，記錄用戶在系統(tǒng)中的操作日志等工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)管理[5-6]。

4.3 數(shù)據(jù)讀取/存儲(chǔ)設(shè)計(jì)策略

系統(tǒng)采用MySQL 8.0進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過(guò)Entity Framework映射數(shù)據(jù)，以CodeFrist模式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)控制。EntityFramework能使開(kāi)發(fā)人員通過(guò)領(lǐng)域?qū)ο筇幚頂?shù)據(jù)，而無(wú)須關(guān)注存儲(chǔ)此數(shù)據(jù)的技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。開(kāi)發(fā)人員在處理數(shù)據(jù)時(shí)可以在更高的抽象級(jí)別上工作，與傳統(tǒng)應(yīng)用程序相比，可以使用更少的代碼創(chuàng)建和維護(hù)面向數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序。

客戶端與數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)過(guò)程使用Webservice進(jìn)行處理。Webservice基于超文本傳輸協(xié)議，無(wú)論客戶端使用何種語(yǔ)言、平臺(tái)或內(nèi)部協(xié)議，都可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換或集成。

5 工程機(jī)械虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)教學(xué)運(yùn)用

工程機(jī)械虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)涵蓋了鑿巖臺(tái)車、錨式濕噴車、挖掘機(jī)、裝載機(jī)、起重機(jī)、壓樁機(jī)等7種工程機(jī)械。軟件功能包括教師端、學(xué)生端和管理端。其中：教師端包含在線示教、課件管理、教學(xué)監(jiān)督、在線答疑、課堂管理、教師首頁(yè)、考試管理、試卷管理、題庫(kù)管理、人工評(píng)卷、統(tǒng)計(jì)分析；學(xué)生端包含觀看示教、在線提問(wèn)、在線學(xué)習(xí)、課堂筆記、在線考試、錯(cuò)題鞏固、模擬試卷、統(tǒng)計(jì)分析、學(xué)生首頁(yè)；管理端包含系統(tǒng)日志、主題維護(hù)、系統(tǒng)設(shè)置、功能管理、用戶管理、角色管理、組織機(jī)構(gòu)管理。

理論教學(xué)與考核系統(tǒng)使用的人員為學(xué)生和教師，主要的使用階段為教學(xué)階段和考核階段。在整個(gè)流程中，以教師構(gòu)建教學(xué)素材和考核素材為基礎(chǔ)，以學(xué)生參與整個(gè)教學(xué)與考核為最終目的[7]。

在教學(xué)階段，學(xué)生可進(jìn)行在線課程學(xué)習(xí)。在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中，可使用在線提問(wèn)功能與教師進(jìn)行互動(dòng)，可使用課程筆記功能記錄學(xué)習(xí)筆記。教師可使用在線示教功能同屏到學(xué)生端桌面展示其教學(xué)的素材和過(guò)程。當(dāng)有學(xué)生進(jìn)行在線提問(wèn)時(shí)，教師可第一時(shí)間使用在線答疑功能解答學(xué)生的問(wèn)題，使用教學(xué)監(jiān)督功能實(shí)時(shí)觀看學(xué)生使用系統(tǒng)的流程并加以指導(dǎo)。教師按照課件、課程的順序進(jìn)行整個(gè)教學(xué)素材的管理，使用課件管理功能上傳常用的文檔、視頻課件資源，通過(guò)課程管理將上傳的課件資源組成一個(gè)個(gè)課程。設(shè)置每個(gè)課件的時(shí)長(zhǎng)，總體定義學(xué)生學(xué)習(xí)一個(gè)課程的總用時(shí)。

在考核階段，學(xué)生可以通過(guò)試題練習(xí)進(jìn)行組卷模式練習(xí)和錯(cuò)題鞏固練習(xí)。通過(guò)在線考試功能，學(xué)生參與教師組織的考核安排計(jì)劃。在整個(gè)考試階段，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)錯(cuò)題，添加錯(cuò)題到錯(cuò)題庫(kù)，便于學(xué)生進(jìn)行錯(cuò)題的鞏固練習(xí)。教師按照題庫(kù)、試卷、考核的順序進(jìn)行整個(gè)考核階段的管理，在題庫(kù)管理中添加不同的試題和內(nèi)容，在試卷管理中基于題庫(kù)所有的試題，通過(guò)設(shè)置出題的規(guī)則和分值劃分生成需要的考核試卷。當(dāng)完成以上兩個(gè)內(nèi)容指定后，通過(guò)考試管理功能選擇人員、勾選試卷、設(shè)置時(shí)長(zhǎng)等關(guān)鍵參數(shù)形成考試計(jì)劃安排。學(xué)生得到考核計(jì)劃安排后參加考試完成答卷。系統(tǒng)自動(dòng)判分或由人工判分得出成績(jī)，最終完成整個(gè)考核考核的過(guò)程。

虛擬拆裝與維護(hù)保養(yǎng)模塊通過(guò)收集工程裝備機(jī)械結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)建立三維仿模型，依托實(shí)際的設(shè)備拆裝規(guī)程在三維視景中完成虛擬操作訓(xùn)練流程，最終達(dá)到訓(xùn)練和考核的目的。故障維修訓(xùn)練模塊通過(guò)建立故障庫(kù)體現(xiàn)故障的定位和排除，提升初級(jí)故障定位和排除能力。管理員通過(guò)綜合管理與維護(hù)模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和管理。

6 結(jié)語(yǔ)

文章分析工程機(jī)械虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的特點(diǎn)及要求，基于虛擬仿真技術(shù)介紹系統(tǒng)應(yīng)具有的功能及交互控制原理，研究工程機(jī)械虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)主要功能的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法，完成了虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。教學(xué)實(shí)踐表明，該系統(tǒng)交互性較好，可有效改善工程機(jī)械結(jié)構(gòu)原理與維修教學(xué)效果。