李雪青 范毅晟 祝笑舟

（1.海軍模擬飛行訓(xùn)練中心 北京 102488）（2.海軍軍訓(xùn)器材研究所 北京 102308）

1 引言

在現(xiàn)實(shí)世界中，大型機(jī)械設(shè)備的使用、維護(hù)保障工作往往面臨學(xué)習(xí)理解難度大、操作復(fù)雜、成本高、學(xué)習(xí)時(shí)間周期長(zhǎng)的問(wèn)題。為了培養(yǎng)學(xué)員學(xué)會(huì)使用、維護(hù)保障這些設(shè)備，以往都是使用實(shí)裝進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示、拆裝講解，然而機(jī)械設(shè)備大都不透明，學(xué)員無(wú)法了解其內(nèi)部構(gòu)造，缺少學(xué)習(xí)的直觀性，同時(shí)由于一些設(shè)備造價(jià)昂貴數(shù)量少，不能保證每個(gè)學(xué)員都有實(shí)操訓(xùn)練的機(jī)會(huì)，發(fā)動(dòng)機(jī)的面板操作更是無(wú)法現(xiàn)場(chǎng)演示。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)很好地解決了這一問(wèn)題［1～3］，該技術(shù)不但實(shí)現(xiàn)成本低而且直觀、靈活，適于開(kāi)發(fā)各種操作訓(xùn)練應(yīng)用。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，多種平臺(tái)級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件逐漸成熟，如EON Studio、Virtool［4］、OSG［5］、和 Unity3D［6］、Vega Prime［7］、GL Studio［7］等，這些軟件在虛擬維修、虛擬拆裝、虛擬操作等虛擬訓(xùn)練軟件的開(kāi)發(fā)上都得到了廣泛的應(yīng)用［8～13］。

鑒于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，為了能夠快速、高效、低成本地培訓(xùn)使用操作、維護(hù)保障人員，研制了某型高速柴油機(jī)的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。某型高速柴油機(jī)具有可靠性好、耗油率低、功率范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，廣泛裝備于我海軍水面艦艇。根據(jù)當(dāng)前形勢(shì)需要，急需大量使用和維保人員，因此該系統(tǒng)的研制為部隊(duì)快速形成戰(zhàn)斗力奠定了基礎(chǔ)。該虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)以EON Studio、Vega Prime、GL Studio、Delphi等軟件為平臺(tái)，采用C/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了虛擬拆裝、操控面板模擬操作、特情處置等功能，可供多名學(xué)員同時(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)、訓(xùn)練和考核。

2 系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)面向的使用對(duì)象為訓(xùn)練基地的教員和學(xué)員?？紤]到組織訓(xùn)練的便利性和實(shí)用性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為多媒體教室教學(xué)形式，包括一個(gè)教員控制臺(tái)，若干臺(tái)學(xué)員客戶端，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。教學(xué)過(guò)程中，由教員通過(guò)控制臺(tái)下達(dá)統(tǒng)一的控制命令，學(xué)員在各自戰(zhàn)位上的學(xué)員端軟件進(jìn)行操作，完成操作、考核等訓(xùn)練任務(wù)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件可以劃分為四個(gè)層級(jí)，包括應(yīng)用層、平臺(tái)層、數(shù)據(jù)層和系統(tǒng)層，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件層次

應(yīng)用層主要包括人員注冊(cè)登錄信息管理模塊、模型管理模塊、操作記錄數(shù)據(jù)管理模塊、邏輯數(shù)據(jù)管理模塊、訓(xùn)練考核內(nèi)容設(shè)置模塊、訓(xùn)練考核過(guò)程控制模塊、成績(jī)?cè)u(píng)定模塊和拆裝交互模塊。

平臺(tái)層主要包括EON Studio、Delphi和SQL Server等，為應(yīng)用層提供三維環(huán)境、數(shù)據(jù)環(huán)境、開(kāi)發(fā)環(huán)境等平臺(tái)支撐。數(shù)據(jù)層包括邏輯數(shù)據(jù)庫(kù)、模型數(shù)據(jù)庫(kù)、人員信息數(shù)據(jù)庫(kù)和操作記錄數(shù)據(jù)庫(kù)。系統(tǒng)中的人員信息、模型、操作信息和邏輯信息等都保存在上述數(shù)據(jù)庫(kù)中，由平臺(tái)層SQL Server驅(qū)動(dòng)管理，控制界面由Delphi設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)層為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，本系統(tǒng)教員端和學(xué)員端使用Windows 7系統(tǒng)，服務(wù)器端使用Windows server操作系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)功能

如圖3所示為該系統(tǒng)功能架構(gòu)圖，主要包括教員端、學(xué)員端和開(kāi)發(fā)工具三大功能模塊。教員端功能可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)過(guò)程中的訓(xùn)練過(guò)程控制、科目選擇發(fā)布、考核成績(jī)?cè)u(píng)定的功能。學(xué)員端功能主要包括人員注冊(cè)登錄，虛擬柴油機(jī)拆裝和柴油機(jī)操控面板模擬操作功能，學(xué)員可以通過(guò)這些功能完成柴油機(jī)拆裝和操控面板操作的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練與考核。開(kāi)發(fā)工具具有向系統(tǒng)添加柴油機(jī)零部件三維模型、拆裝工具三維模型和拆裝邏輯的功能。三維模型和拆裝邏輯都以二進(jìn)制文件形式保存在模型數(shù)據(jù)庫(kù)和邏輯數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖3 系統(tǒng)功能架構(gòu)

教員登錄系統(tǒng)后，根據(jù)需要選擇相應(yīng)的訓(xùn)練內(nèi)容，訓(xùn)練內(nèi)容包括虛擬柴油機(jī)拆裝和柴油機(jī)操控面板模擬操作兩大部分。系統(tǒng)運(yùn)行的簡(jiǎn)易信息流程如圖4所示。

虛擬柴油機(jī)拆裝包括拆裝學(xué)習(xí)、拆裝訓(xùn)練和拆裝考核三種模式。在虛擬柴油機(jī)拆裝學(xué)習(xí)模式下，學(xué)員可以根據(jù)提示完成拆裝學(xué)習(xí)，軟件界面中會(huì)顯示關(guān)于柴油機(jī)零部件的理論學(xué)習(xí)資料，可以提示拆裝流程。拆裝訓(xùn)練模式下，學(xué)員在沒(méi)有提示的狀態(tài)下練習(xí)拆卸零件。拆裝順序嚴(yán)格執(zhí)行邏輯編輯器所設(shè)定的邏輯順序，拆裝工具也只能選擇預(yù)先設(shè)定的工具才能進(jìn)行拆裝，拆裝過(guò)程中可多次反復(fù)試驗(yàn)拆裝工具和操作順序，直到工具和邏輯都正確為止?？己四Ｊ较拢山虇T統(tǒng)一發(fā)布考核內(nèi)容，學(xué)員根據(jù)考核內(nèi)容判斷部件損壞部位并能夠使用正確的工具進(jìn)行拆卸操作。操作過(guò)程記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中。拆裝過(guò)程中，使用工具和操作順序發(fā)生錯(cuò)誤，都會(huì)記錄下來(lái)，根據(jù)操作錯(cuò)誤次數(shù)，最終由成績(jī)?cè)u(píng)判模塊完成成績(jī)?cè)u(píng)定，還可以通過(guò)回放模塊從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取操作數(shù)據(jù)回放操作過(guò)程，供教員人工評(píng)判拆裝過(guò)程。虛擬柴油機(jī)拆裝訓(xùn)練信息流程如圖5所示。

圖4 簡(jiǎn)易信息流程

圖5 虛擬柴油機(jī)拆裝訓(xùn)練信息流程

柴油機(jī)操控面板可以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)備車(chē)、啟動(dòng)、暖機(jī)、運(yùn)行、加減負(fù)荷和停車(chē)等基本操縱練習(xí)，也可以通過(guò)教員控制臺(tái)設(shè)置特情實(shí)現(xiàn)特殊情況處置訓(xùn)練。柴油機(jī)操控面板模擬操作包括訓(xùn)練和考核兩種模式。在考核模式下，會(huì)限制操作時(shí)間，同時(shí)會(huì)將操作動(dòng)作記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)，可以通過(guò)成績(jī)?cè)u(píng)判和操作回放模塊進(jìn)行成績(jī)?cè)u(píng)定和操作回放。操控面板模擬操作信息流程如圖6所示。

圖6 柴油機(jī)操控面板模擬操作信息流程

邏輯編輯器主要功能就是拆裝邏輯編輯，編輯器首先通過(guò)三維模擬加載功能，將待拆裝的零部件和拆裝工具轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制文件保存到模型數(shù)據(jù)庫(kù)，然后通過(guò)邏輯編輯界面編輯拆裝邏輯編輯，并將邏輯信息以二進(jìn)制文件形式保存到邏輯數(shù)據(jù)庫(kù)。信息流程如圖7所示。

圖7 邏輯編輯器信息流程

3 系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)

3.1 開(kāi)發(fā)工具功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程使用的開(kāi)發(fā)工具包括商用軟件和自開(kāi)發(fā)軟件兩類(lèi)，商用軟件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)功能，自開(kāi)發(fā)軟件以商用軟件為工具平臺(tái)實(shí)現(xiàn)邏輯編輯功能。本文只介紹自開(kāi)發(fā)工具軟件的功能實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)中的邏輯編輯工具主要用于編輯虛擬拆裝邏輯。柴油機(jī)虛擬拆裝涉及到的部件有上成百上千個(gè)，每個(gè)部件又由若干零件組成，每個(gè)零件的拆裝所需工具各不相同，拆裝的操作順序、邏輯更是有幾十種，如果按照傳統(tǒng)軟件制作方式，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)每個(gè)部件、每個(gè)零件的位置、狀態(tài)、姿態(tài)控制，將給軟件開(kāi)發(fā)帶來(lái)巨大的工作量，而且這種方式做出的軟件不可重復(fù)使用，一旦有新的部件加入，操作人員必須通過(guò)代碼才能實(shí)現(xiàn)拆裝功能，這大大降低了軟件的實(shí)用性。考慮到上述因素，結(jié)合一些工具軟件的特點(diǎn)，選擇以Delphi和EON Stu?dio作為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)邏輯編輯器。邏輯編輯器可以通過(guò)可視化的界面操作對(duì)待拆裝部件中的每一個(gè)零件實(shí)現(xiàn)單獨(dú)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)編輯，并可以設(shè)定拆裝約束關(guān)系和邏輯順序。最終，這些編輯內(nèi)容會(huì)以二進(jìn)制文件的形式保存到數(shù)據(jù)庫(kù)。

EON Stuido是由EON Reality公司開(kāi)發(fā)的基于GUI的虛擬顯示場(chǎng)景設(shè)計(jì)工具，該軟件可以導(dǎo)入多種3D模型，并通過(guò)直觀的圖形設(shè)計(jì)界面方便的對(duì)模型進(jìn)行控制，也可以通過(guò)腳本編程實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的行為控制。本系統(tǒng)將柴油機(jī)部件模型和工具模型導(dǎo)入到EON Studio軟件中，通過(guò)腳本實(shí)現(xiàn)控制接口和模型行為并生成edz文件。Delphi可以將edz文件作為控件插入對(duì)話框界面中，再通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)各種模型的行為控制，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的拆裝邏輯。為了方便管理，edz文件以二進(jìn)制文件形式保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，當(dāng)系統(tǒng)需要調(diào)用某一部件的edz文件時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)生成該部件的臨時(shí)edz文件。如圖8所示為柴油機(jī)某一部件的EON Studio Routes關(guān)系界面。該界面下可以將各節(jié)點(diǎn)通過(guò)輸入輸出接口相連，實(shí)現(xiàn)事件觸發(fā)、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出等功能。每個(gè)部件Route關(guān)系圖包含4個(gè)圖層，將不同功能特點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)放在不同圖層，以不同顏色標(biāo)識(shí)，便于管理。4個(gè)圖層功能主要包括對(duì)象位置控制、工具欄、鍵鼠控制、外部交互控制，圖8為外部交互控制圖層，以綠色標(biāo)識(shí)，該圖層節(jié)點(diǎn)主要功能是實(shí)現(xiàn)EON與Delphi數(shù)據(jù)交互。

圖8 EON Studio Routes關(guān)系界面

邏輯編輯器共包含9大功能模塊，分別是部件信息、部件結(jié)構(gòu)、零件信息、零件邏輯、零件運(yùn)動(dòng)、工序信息、工序邏輯和數(shù)據(jù)庫(kù)管理。部件信息功能主要是在數(shù)據(jù)庫(kù)中添加三維模型設(shè)備，并定義名稱(chēng)、描述等信息；部件結(jié)構(gòu)可以為部件添加結(jié)構(gòu)層級(jí)；零件信息可以編輯部件中每個(gè)零件的名稱(chēng)、描述、故障與否狀態(tài)以及拆卸工具等信息；零件邏輯可以為不同零件之間的拆卸設(shè)置約束關(guān)系；零件運(yùn)動(dòng)可以定義拆卸后零件的動(dòng)畫(huà)程序；在工序信息界面下，可以定義部件的拆裝工序；數(shù)據(jù)庫(kù)管理用以設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)。邏輯編輯信息流程如圖9所示，邏輯數(shù)據(jù)庫(kù)ER圖如圖10所示。

圖9 邏輯編輯信息流程

圖10 邏輯數(shù)據(jù)庫(kù)ER圖

3.2 教員端功能實(shí)現(xiàn)

教員端功能主要包括學(xué)員信息管理、訓(xùn)練控制、成績(jī)?cè)u(píng)定等。學(xué)員可以通過(guò)學(xué)員端注冊(cè)登錄信息，教員可以在教員端對(duì)學(xué)員信息進(jìn)行管理，包括添加、修改、簡(jiǎn)評(píng)等。教員端可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制學(xué)員端的訓(xùn)練內(nèi)容。學(xué)員端安裝有可接收教員端控制信息的駐留程序，教員端發(fā)送訓(xùn)練控制命令后，學(xué)員端駐留程序調(diào)用相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)不同的訓(xùn)練內(nèi)容。柴油機(jī)操控面板模擬操作，往往需要多人配合完成操作，因此教員控制臺(tái)軟件設(shè)計(jì)了學(xué)員分組功能，分組包括手動(dòng)和自動(dòng)兩種方式。分組后，教員端會(huì)自動(dòng)將分組中編號(hào)最小的學(xué)員端計(jì)算機(jī)作為臨時(shí)邏輯解析服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)邏輯解算功能。柴油機(jī)操控面板模擬操作訓(xùn)練的信息流程如圖11所示。

圖11 柴油機(jī)操控面板模擬操作訓(xùn)練信息流程

在考核模式下，學(xué)員操作內(nèi)容會(huì)寫(xiě)入操作記錄數(shù)據(jù)庫(kù)，教員通過(guò)成績(jī)?cè)u(píng)定模塊實(shí)現(xiàn)成績(jī)?cè)u(píng)定。成績(jī)?cè)u(píng)定包括自動(dòng)和手動(dòng)兩種方式。成績(jī)?cè)u(píng)定模塊會(huì)將考核記錄數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)操作數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，按照操作正確率給出百分制評(píng)分。教員也可以通過(guò)人工判別實(shí)現(xiàn)評(píng)分功能。

3.3 學(xué)員端功能實(shí)現(xiàn)

3.3.1 柴油機(jī)拆裝

邏輯編輯器將柴油機(jī)部件拆裝邏輯以數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，學(xué)員端通過(guò)三維操作界面即可實(shí)現(xiàn)拆裝操作，如圖12所示為學(xué)員端操作界面。該界面下學(xué)員可以通過(guò)選擇工具按照邏輯關(guān)系拆裝相應(yīng)的零件。被拆裝部件可以通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊操作實(shí)現(xiàn)半透明效果，這種半透明效果利于學(xué)員觀察部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，了解部件結(jié)構(gòu)原理。學(xué)員可以通過(guò)工具欄控制工具區(qū)的位置，由鍵盤(pán)控制工具的姿態(tài)，未選擇工具以半透明狀態(tài)顯示，已被選擇工具不透明狀態(tài)顯示。拆裝過(guò)程采用定性匹配關(guān)系的方式來(lái)處理工具使用的正確與否，不需要三維模型精確匹配位置關(guān)系，即選擇工具后在對(duì)應(yīng)的零件上點(diǎn)擊鼠標(biāo)就可以實(shí)現(xiàn)拆裝工作。這種方式可以使學(xué)員不必將精力耗費(fèi)在精確比對(duì)模型位置關(guān)系上，只是完成使用工具的邏輯正確性上即可，一旦拆裝邏輯正確，零件會(huì)按照在編輯器中預(yù)先設(shè)定好的方式運(yùn)動(dòng)到特定位置。在學(xué)習(xí)模式下，可以使用“上一步”和“下一步”實(shí)現(xiàn)拆裝過(guò)程的提示；訓(xùn)練、考核模式下，沒(méi)有提示內(nèi)容，學(xué)員必須自行完成拆裝操作，考核模式下每一個(gè)拆裝動(dòng)作都會(huì)被記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)，考核結(jié)束后，教員端成績(jī)?cè)u(píng)定模塊調(diào)用操作記錄數(shù)據(jù)完成成績(jī)?cè)u(píng)定。

圖12 部件拆裝界面

3.3.2 柴油機(jī)操控面板模擬操作

柴油機(jī)的控制由一套操控面板實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樯婕暗脚炌系亩鄠€(gè)系統(tǒng)，從成本和危險(xiǎn)性上考慮，無(wú)法讓每個(gè)學(xué)員都實(shí)操控制面板，特別是一些特殊情況，如飛車(chē)等，更是無(wú)法在實(shí)裝艦艇上模擬實(shí)現(xiàn)，為了鍛煉學(xué)員的實(shí)操能力，也為了讓學(xué)員能夠具有一定的處理特殊情況的能力，通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)操控面板模擬操作，成為培訓(xùn)學(xué)員的最佳方式。為了逼真模擬真實(shí)操作環(huán)境，使用建模工具Creator創(chuàng)建虛擬的操作艙，GL Stuido制作操作面板模塊，使用Vega Prime實(shí)現(xiàn)視景驅(qū)動(dòng)。教員可以通過(guò)教控臺(tái)對(duì)學(xué)員進(jìn)行分組并發(fā)布如開(kāi)關(guān)機(jī)、特殊情況處置等訓(xùn)練科目，學(xué)員端接收到加載訓(xùn)練科目后，軟件自動(dòng)加載訓(xùn)練場(chǎng)景，學(xué)員可以通過(guò)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)漫游整個(gè)機(jī)艙，在不同戰(zhàn)位操作不同的面板，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)的控制。如圖13所示為柴油機(jī)模擬操控面板機(jī)艙，機(jī)艙內(nèi)的開(kāi)關(guān)、儀表、指示燈等可控設(shè)備都是由GL Studio制作并作為插件插入到Vega Prime中的。學(xué)員通過(guò)鼠標(biāo)操作各操作面板上的開(kāi)關(guān)，邏輯解算服務(wù)器進(jìn)行邏輯解算，各種儀表、指示燈、控制電腦以及聲效都會(huì)與真實(shí)機(jī)艙保持一致，使學(xué)員有身臨其境的感覺(jué)。在訓(xùn)練過(guò)程中，教員端可以根據(jù)訓(xùn)練需要設(shè)置特殊情況，如飛車(chē)、柴油機(jī)滑油壓力下降等，學(xué)員根據(jù)發(fā)生特殊情況時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象判斷特情類(lèi)型，采取相應(yīng)的處置手段，完成特殊情況處置訓(xùn)練。

圖13 柴油機(jī)操控面板機(jī)艙

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)不但能夠?qū)W習(xí)部件結(jié)構(gòu)原理、拆裝方法，還能夠進(jìn)行柴油機(jī)操控面板操作訓(xùn)練，為學(xué)員上艦實(shí)操提供了有效的訓(xùn)練手段。該套系統(tǒng)使用后，訓(xùn)練基地在短時(shí)間內(nèi)培訓(xùn)出了大量的柴油機(jī)維護(hù)保障人員，具有可觀的經(jīng)濟(jì)和軍事效益。未來(lái)可以根據(jù)需要在系統(tǒng)中加入虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡和數(shù)據(jù)手套等設(shè)備，通過(guò)在軟件層面增加工具與零件間的精細(xì)碰撞檢測(cè)，使拆裝訓(xùn)練更加逼真。

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