孫忠云，田濤，蘇鋒

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

輔助機(jī)務(wù)虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孫忠云，田濤，蘇鋒

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

為保證交互響應(yīng)的實(shí)時(shí)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(jì)算的C/S體系結(jié)構(gòu)，將人機(jī)交互與邏輯解算分別在不同的進(jìn)程中進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想采用組件化技術(shù)來設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)，通過Windows組播方式實(shí)現(xiàn)座艙內(nèi)外協(xié)同訓(xùn)練和多人協(xié)同分布式訓(xùn)練的方法，并在某型飛機(jī)機(jī)務(wù)維修訓(xùn)練模擬器中得以應(yīng)用。

虛擬維修；虛擬現(xiàn)實(shí)；協(xié)同訓(xùn)練

0 引言

虛擬維修（Virtual Maintenance）是以計(jì)算機(jī)技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為依托，在由計(jì)算機(jī)生成的、包含產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)與維修人員3D人體模型的虛擬場景中，通過驅(qū)動(dòng)人體模型（包括采用在回路的方式）完成整個(gè)維修過程仿真的綜合性應(yīng)用技術(shù)[1]。虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)（Virtual Maintenance Training System）是一種有效的訓(xùn)練手段，受訓(xùn)人員可以在任何時(shí)間、任何環(huán)境下進(jìn)行訓(xùn)練以熟悉整個(gè)機(jī)務(wù)維護(hù)、維修過程。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建軍用裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)不僅可以解決實(shí)裝訓(xùn)練不足的問題，并且可以提供多人次、多場位的訓(xùn)練環(huán)境，既節(jié)約了大量的訓(xùn)練經(jīng)費(fèi)，又能保證訓(xùn)練安全。因此已經(jīng)成為維修技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一，各國都在積極開展這方面的研究和應(yīng)用[2-5]。

現(xiàn)階段，機(jī)務(wù)人員從接觸裝備，熟悉裝備，再到掌握裝備的維護(hù)、維修方法的學(xué)習(xí)周期長，受場地、環(huán)境等諸多因素的影響大，同時(shí)參訓(xùn)的人數(shù)少，訓(xùn)練費(fèi)用高，無法保證大規(guī)模，高強(qiáng)度的訓(xùn)練，也就無法快速的提高機(jī)務(wù)人員的維護(hù)、維修和戰(zhàn)斗準(zhǔn)備水平。因此采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建一套機(jī)務(wù)人員虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，對(duì)于縮短機(jī)務(wù)人員維護(hù)、維修的學(xué)習(xí)周期，提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力有重要意義。

1 相關(guān)研究

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

對(duì)于新裝備，機(jī)務(wù)人員從理論改裝學(xué)習(xí)到實(shí)裝訓(xùn)練有一個(gè)周期，在這個(gè)周期里，機(jī)務(wù)人員接觸不到實(shí)裝，更無法結(jié)合實(shí)裝進(jìn)行改裝學(xué)習(xí)，即使到了結(jié)合實(shí)裝訓(xùn)練階段，也因?qū)嵮b價(jià)格昂貴、系統(tǒng)復(fù)雜，訓(xùn)練成本高等諸多因素受到限制。

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)自身的發(fā)展，其應(yīng)用研究領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和成熟，以計(jì)算機(jī)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)以及多媒體、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫管理等技術(shù)為支撐，構(gòu)建一套機(jī)務(wù)人員虛擬維修訓(xùn)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(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)功能

用于機(jī)務(wù)人員虛擬維修的訓(xùn)練系統(tǒng)是一個(gè)以飛機(jī)座艙為模擬對(duì)象，具備設(shè)備操作、飛機(jī)外部檢查、座艙內(nèi)部檢查、通電檢查和發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)與試車等方面的模擬訓(xùn)練功能的綜合系統(tǒng)。系統(tǒng)要求能夠針對(duì)機(jī)務(wù)人員教學(xué)和滿足部隊(duì)的實(shí)際訓(xùn)練要求，在PC機(jī)上實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)與構(gòu)建上要滿足通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和易升級(jí)擴(kuò)展、維護(hù)，信息以圖像、聲音、語言和文字等形式傳達(dá)給受訓(xùn)人員，通過鼠標(biāo)、鍵盤進(jìn)行交互。根據(jù)機(jī)務(wù)人員日常保障、維護(hù)、維修的操作規(guī)程和訓(xùn)練大綱的要求，確定系統(tǒng)的功能如下：

（1）程序訓(xùn)練功能。包括飛機(jī)外部檢查、座艙內(nèi)部檢查、通電檢查、發(fā)動(dòng)機(jī)試車與檢查、設(shè)備使用和故障處置等功能。

（2）理論學(xué)習(xí)功能。包括維護(hù)規(guī)程學(xué)習(xí)和維修手冊(cè)學(xué)習(xí)。

（3）訓(xùn)練考核功能。包括理論考核和程序訓(xùn)練考核。

（4）訓(xùn)練管理功能。用戶管理、考核管理、故障設(shè)置和系統(tǒng)管理功能。

根據(jù)機(jī)務(wù)人員虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的功能組成，設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.2 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)基于TCP/IP協(xié)議采用分布計(jì)算的C/S體系結(jié)構(gòu)，將人機(jī)交互與邏輯解算分別在不同的進(jìn)程中計(jì)算，既能保證交互響應(yīng)的實(shí)時(shí)性，又能保證邏輯解算的可靠性和一致性。根據(jù)面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想采用組件化技術(shù)來設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)，通過Windows組播方式可實(shí)現(xiàn)座艙內(nèi)外協(xié)同訓(xùn)練和多人協(xié)同分布式訓(xùn)練，使局域網(wǎng)內(nèi)一個(gè)組代表一架飛機(jī)，確保了數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)確性。采用Windows消息機(jī)制實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，達(dá)到了仿真訓(xùn)練交互響應(yīng)的實(shí)時(shí)性和可靠性運(yùn)行指標(biāo)要求。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

客戶端程序基于人機(jī)交互的可靠性與實(shí)時(shí)性原則主要完成虛擬環(huán)境的建立與顯示、座艙內(nèi)模擬量的采集與上報(bào)、座艙內(nèi)儀表設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。主要包括3個(gè)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(jìn)行交互的，因此采用菜單和快捷鍵方式設(shè)計(jì)一個(gè)簡單直觀的人機(jī)界面交互接口。受訓(xùn)人員可以通過菜單選擇相應(yīng)的視景文件、數(shù)據(jù)池文件、更新相應(yīng)飛機(jī)的儀表動(dòng)態(tài)庫。

受訓(xùn)人員使用外設(shè)來完成模擬訓(xùn)練。通過鍵盤快捷鍵、鼠標(biāo)點(diǎn)擊某個(gè)元件（如打開某個(gè)開關(guān)、按鈕）觸發(fā)窗體消息，完成元件標(biāo)識(shí)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(wù)端，服務(wù)端通過插件管理組件觸發(fā)邏輯推理，將邏輯運(yùn)算結(jié)果以組播的方式通過TCP/IP發(fā)送給組內(nèi)所有客戶端同時(shí)更新服務(wù)端的數(shù)據(jù)池，客戶端將運(yùn)算結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)池中，啟動(dòng)線程進(jìn)行儀表賦值。部分實(shí)時(shí)結(jié)果數(shù)據(jù)需要通過UDP方式傳送給客戶端。

服務(wù)端是以窗體形式嵌入到客戶端，同時(shí)給用戶提供一個(gè)友好的設(shè)置界面，包括服務(wù)器地址、本機(jī)地址、組播地址的設(shè)置，服務(wù)端需要根據(jù)客戶端所更新的機(jī)型文件來更新服務(wù)端的邏輯、數(shù)據(jù)池等。主要功能是進(jìn)行邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)池更新、以及對(duì)PLUGIN進(jìn)行管理。為保證運(yùn)算速度、發(fā)送解算結(jié)果的實(shí)時(shí)性，通過面向交互狀態(tài)的主動(dòng)觸發(fā)和篩選機(jī)制結(jié)合回調(diào)函數(shù)與PLUGIN技術(shù)，保證運(yùn)算速度和發(fā)送結(jié)果的實(shí)時(shí)性。

客戶端的操作結(jié)果通過網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)端，觸發(fā)插件管理組件調(diào)用邏輯推理，運(yùn)算結(jié)果通過SOCKET發(fā)送給組內(nèi)所有客戶端同時(shí)更新服務(wù)端數(shù)據(jù)池?；诜植际降脑瓌t，任何時(shí)候網(wǎng)內(nèi)任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)只要連接到該服務(wù)器，即加入了該組，成為這架飛機(jī)的一個(gè)訓(xùn)練人員。因此組內(nèi)的所有受訓(xùn)計(jì)算機(jī)必須實(shí)時(shí)同步，所以該計(jì)算機(jī)一旦連接到服務(wù)端，首先通過SOCKET獲取服務(wù)端數(shù)據(jù)池內(nèi)各元件的狀態(tài)，存入客戶端數(shù)據(jù)池，啟動(dòng)線程完成儀表賦值，這樣保證了新加入的計(jì)算機(jī)和已經(jīng)在訓(xùn)練中的計(jì)算機(jī)能夠?qū)崟r(shí)同步。

3 系統(tǒng)軟件的構(gòu)建

系統(tǒng)采用Visual C++6.0和Vega Prime相結(jié)合的方式進(jìn)行平臺(tái)的開發(fā)構(gòu)建，使用場景建模軟件Multi-Gen Creator對(duì)場景幾何模型構(gòu)建，虛擬儀表制作軟件GL Studio對(duì)機(jī)載設(shè)備仿真的方式進(jìn)行開發(fā)。系統(tǒng)的開發(fā)流程和關(guān)鍵技術(shù)主要有嵌入式邏輯代碼自動(dòng)生成技術(shù)、虛擬儀表技術(shù)、視景組件技術(shù)。

3.1 嵌入式邏輯代碼自動(dòng)生成技術(shù)

嵌入式邏輯代碼自動(dòng)生成技術(shù)給腳本編寫者提供圖形化的編輯 界面，腳本編寫者對(duì)設(shè)備的實(shí)體和行為進(jìn)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(jié)構(gòu)化圖元可以真實(shí)的反映出各級(jí)設(shè)備的連接關(guān)系及其操作響應(yīng)（行為），并通過嵌入式組件對(duì)圖元進(jìn)行管理與代碼的自動(dòng)生成，生成的代碼在主控程序的邏輯解算模塊中自動(dòng)運(yùn)行，實(shí)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(shù)應(yīng)用中的1個(gè)行為建模的例子。

3.2 虛擬儀表技術(shù)

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(gè)獨(dú)立平臺(tái)的快速的原型工具，用來創(chuàng)建實(shí)時(shí)的、二維或三維的、照片級(jí)的互動(dòng)圖形界面。它能與HLA/DIS仿真應(yīng)用相連，生成的C++和OpenGL TM源代碼可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以嵌入其他應(yīng)用中。

GL Studio設(shè)計(jì)的儀表可以重建真實(shí)飛機(jī)的座艙結(jié)構(gòu)和控制，如座艙通電演練、熟悉操作流程，提供一個(gè)完全真實(shí)的虛擬化環(huán)境。通過GL Studio的紋理映射和元件對(duì)象聯(lián)合創(chuàng)建制作的飛機(jī)各類儀表和綜合顯示器能形象逼真的反映出飛機(jī)儀表的真實(shí)信息及狀態(tài)，結(jié)合Creator，Vega Prime等可以分解整架飛機(jī)各專業(yè)的機(jī)載設(shè)備、儀表顯示、綜合顯示、信號(hào)反饋、人機(jī)交互等操作過程，完全按照飛行準(zhǔn)備程序和設(shè)備檢查程序進(jìn)行通電檢查、操作程序考核評(píng)估等任務(wù)。圖4是GL Studio開發(fā)虛擬儀表的流程圖。

圖3 1個(gè)行為建模架構(gòu)

圖4 GLStudio開發(fā)虛擬儀表流程圖

3.3 視景組件技術(shù)

使用視景仿真軟件進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)時(shí)，程序員編程直接面對(duì)的是視景軟件的SDK。直接使用SDK進(jìn)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(jī)理和API函數(shù)后，才能編程，這種編程方法需要的相關(guān)知識(shí)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(gòu)架的設(shè)計(jì)。基于上述原因，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(yīng)的控制接口來實(shí)現(xiàn)對(duì)視景的交互。

基于COM組件機(jī)制，封裝視景軟件（VEGA PRIME），屏蔽了虛擬現(xiàn)實(shí)軟件使用的復(fù)雜性。使用自己編寫的COM進(jìn)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(diǎn)如下：

（1）虛擬現(xiàn)實(shí)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(kuò)展了原來只能用C++進(jìn)行編程的限制，擴(kuò)展了VEAG PRIME在其他語言上的應(yīng)用。

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

（3）隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，可以更新視景組件的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)機(jī)理和依賴的平臺(tái)，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(kuò)展性。

（4）COM組件的應(yīng)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(duì)獨(dú)立，便于程序的調(diào)試和擴(kuò)展。

4 系統(tǒng)的特點(diǎn)

系統(tǒng)盡可能的模擬真實(shí)的操作環(huán)境，運(yùn)行效果如圖5。同時(shí)，系統(tǒng)具有4個(gè)特點(diǎn)。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行效果

（1）系統(tǒng)基于普通PC機(jī)，訓(xùn)練過程中信息以圖像、語言和文字的形式傳送到受訓(xùn)的機(jī)務(wù)人員，機(jī)務(wù)人員通過鼠標(biāo)、鍵盤以及模擬操縱桿設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行交互。

（2）針對(duì)機(jī)務(wù)人員的日常維護(hù)、維修保障訓(xùn)練，系統(tǒng)可以完成機(jī)務(wù)人員操作規(guī)程和訓(xùn)練大綱所規(guī)定的90%以上任務(wù)的虛擬維修訓(xùn)練項(xiàng)目。

（3）系統(tǒng)的機(jī)務(wù)人員維修、維護(hù)工作與實(shí)裝操作完全一致，通過模擬真實(shí)的工作環(huán)境和設(shè)備，能夠有效的模擬實(shí)裝飛行前、飛行后的機(jī)務(wù)準(zhǔn)備工作，能夠設(shè)置相應(yīng)的故障并且給出準(zhǔn)確的故障處置方法。

（4）系統(tǒng)能夠根據(jù)機(jī)務(wù)人員操作規(guī)程和訓(xùn)練大綱的要求對(duì)受訓(xùn)人員進(jìn)行理論學(xué)習(xí)與考核、程序訓(xùn)練實(shí)習(xí)與考核，縮短了機(jī)務(wù)人員改裝訓(xùn)練、考核的周期。

5 結(jié)論

機(jī)務(wù)人員虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)主要需要考慮到機(jī)務(wù)人員理論改裝的內(nèi)容是否完整，模擬實(shí)裝訓(xùn)練的科目是否全面，在達(dá)到訓(xùn)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(shù)，數(shù)據(jù)庫管理等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了機(jī)務(wù)人員理論改裝教學(xué)的全面性，通過采用Visual C++6.0和Vega Prime相結(jié)合的方式進(jìn)行開發(fā)，再輔以場景建模軟件Multi-Gen Creator對(duì)場景幾何模型構(gòu)建和虛擬儀表制作軟件GL Studio對(duì)機(jī)載設(shè)備仿真的方式進(jìn)行開發(fā)，使系統(tǒng)可以真實(shí)的仿真機(jī)務(wù)人員在實(shí)裝上的日常維護(hù)，維修訓(xùn)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(xùn)練模擬系統(tǒng)，在1臺(tái)普通的PC上即可實(shí)現(xiàn)機(jī)務(wù)人員理論改裝，維護(hù)、維修訓(xùn)練90%以上的任務(wù)，因此系統(tǒng)的硬件配置要求低、推廣應(yīng)用成本低。

機(jī)務(wù)人員虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，已經(jīng)在《某型飛機(jī)機(jī)務(wù)維修訓(xùn)練系統(tǒng)》中得以應(yīng)用，滿足了系統(tǒng)功能和部隊(duì)實(shí)際訓(xùn)練的要求，具有一定的應(yīng)用推廣價(jià)值。

［1］馬麟.虛擬維修過程模型的研究[D].北京航空航大大學(xué)，2003.

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

［3］伍永昌，楊宇航，等.基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的導(dǎo)彈維修仿真演示系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2003，20（9）:29-31.

［4］劉玉海，俞康倫，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的裝備維修仿真訓(xùn)練系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2002，19（2）:49-51.

［5］楊宇航，李志忠，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的導(dǎo)彈維修訓(xùn)練系統(tǒng)[J].兵工學(xué)報(bào)，2006，27（2）:297-300.

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〔編輯 李波〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.48