基于NGRAIN的虚拟训练保障装备开发方法研究＊

乔 轶 程 晋

（1.91550部队 大连 116023）（2.海军工程大学信息安全系 武汉 430033）（3.91278部队 大连 116041）

1 引言

随着军队信息化建设的逐步深入，大量新型装备列装到部队，如何开展有效的、有针对性的保障训练使新装备更快地形成并保持其战斗力成为难题。另外，现代计算机性能不断提高和虚拟现实技术的发展使得虚拟训练器材广泛应用于装备的使用、维护、操控训练，实装训练和仿真模拟训练相结合已成趋势［1］。近年，军队在装备技术支援保障过程中同样需要虚拟训练保障装备的支持，新装备列装部队在这方面类似需求强烈。为此选择NGRAIN软件平台，开展了虚拟装备训练评估系统开发方法研究。

2 国内外研究现状

NGRAIN软件如何在虚拟训练中应用问题，目前已有不少国家（如美国、加拿大）已在航母、鱼雷、飞机、坦克等装备上进行应用研究和开发；国内军械工程学院等单位对制作交互式虚拟训练课件等方面做了一些研究［2］。但存在一些问题，如发布的交互式训练课件仅是装备维修训练素材，无法实现训练过程中的管理。鉴于此，本文提出了具有全三维仿真环境、多人协同操作、真实再现装备的内外部结构等特 点 的 NGRAIN 三 维 知 识 对 象 （3KO－3Dimensional Knowledge Objects）作为装备保障训练系统开发方法，为基于Web3D（基于网络的三维仿真应用程序）的操控训练、数字化演练以及训练效果评估提供技术支持。

3 虚拟训练

虚拟训练可以分为武器平台级的模拟训练、战术级模拟训练以及更高级别的模拟训练。利用虚拟现实技术构件的虚拟装备，模拟的是装备的内部结构和操控特性，作为模拟部队、模拟战场、模拟攻击、模拟作战甚至模拟指挥控制等一系列模拟化军事训练活动的底层支持，基础性作用不言而喻。采用虚拟现实系统进行训练，可以实现训练中的视觉、听觉和触觉三者统一，达到“反复实景操作训练”、“操训综合处理”和“训练信息即时反馈”的要求。研究表明，人的神经系统接受信息能力是需反复实践磨练才能提高的，如果仅靠读或听只能接受10%～20%，那么通过虚拟现实系统训练可达到90%，可见，虚拟训练有助于提高参训人员的接受能力［3］。

3.1 虚拟训练的特点

虚拟训练作为一种新型训练方法，显而易见，有许多不可比拟的优点：首先，虚拟训练是增强课堂教学效果和扩大训练效果的有效手段；其次，虚拟训练能在同一模拟现场完成各种不同环境下的训练。可使士兵体验到实际操训中一般不大可能遇到的事情，并可实现基于分布式网络的远程协同训练。另外，采用虚拟现实系统进行训练，除上述固有特点外，还具有独特的效益，主要体现在减少训练伤亡和节约训练经费两个方面。许多国家之所以在短短几年中舍得投资数十亿美元研制虚拟现实模拟系统，原因就在于它既经济又安全，是能训练出精良部队的最佳手段［4］。

3.2 NGRAIN软件特点

利用NGRAIN系列软件开发虚拟系统，其开发工具Producer和应用工具Mobilizer是分开的，两者中均都集成有三维引擎。利用Producer软件用户不需要编程或写脚本就可以快速制作并发布交互式三维知识对象3KO，利用该软件可以对装备的机电产品的虚拟操控进行模拟仿真3KO中包含程序动画、用户定义的装备机械部件特性、装配和拆卸任务、指向其他子系统模型和其他参考材料的链接。

3.3 NGRAIN三维引擎

在以往的三维仿真和虚拟样机应用中，采用的还是多边形处理方式，当模型复杂时，比如整机、整船的模拟，三角形数量会上百万，数据容量在若干GB，这就对计算机的图形处理能力要求非常高，只能在高档图形工作站上才能开发和运行，更不可能进行网络发布和批量发布，无法用于复杂装备的虚拟［5］。此外，虚拟训练系统还涉及多任务、多输入／输出、动态模拟及图形综合等更为复杂的软硬件结构，作为虚拟训练的终端设备，如果为每一个训练岗位都配置上昂贵的图形工作站显然不现实。因此，基于体图形的三维引擎应运而生［6～7］。

NGRAIN采用独特的体素模型转换、渲染以及存储技术，其可交互的体素化三维引擎采用Cell将三维实体实行网格分割，而非传统的面图形，避免了复杂设备多边形面的巨量计算问题，做到了三维模型的超轻量化，保证模型物理属性、外观真实条件下的高比例压缩，渲染引擎完全软件实现，不需要硬件三维加速，支持低端计算机平台。

4 虚拟训练系统设计

4.1 系统架构

虚拟训练系统采用B／S模式架构（如图1所示），从功能上由配置管理系统、NGRAIN虚拟装备管理系统、NGRAIN保障装备管理系统、嵌入式LabWindowsCVI软件系统、单员交互训练系统、岗位协同操训系统、教学演示系统、参训人员数据库管理系统、训练考评管理系统、教员在回路控制系统、训练信息查询系统等组成。底层支撑数据库包括虚拟装备数据库、训练人员数据库、训练考评数据库、训练即时信息数据库等［8］。

图1 某虚拟训练评估系统体系结构图

4.2 主要功能

目标软件系统是一个基于B／S架构的支持 Web3D的软件，某种程度上类似于现在流行的三维网游，能够让用户以“体验游戏”的方式，达到虚拟训练的目的［9～10］。为此提出系统主要功能如下

1）提供与实装功能一致的三维虚拟训练装备／软件，通过真实场景和运动实体建模，建立仿真模型，对操作人员在操作过程中作出的一系列决策和动作进行实时仿真，提供逼真的显示效果和操作感受，提高训练的演示效果和交互性；

2）建立基于实装的模型库，模型精细程度达到单位最高级操作训练和使用维护需求，为方便系统功能的扩展，建立装备管理数据库；

3）系统支持单员虚拟交互操训和网络多人协同训练；

4）提供自由浏览和引导模式（限定步骤）下的虚拟交互操训训练；

5）根据教学训练需要配置各种难度的训练科目，量化训练标准，对操作人员进行全面培训；

6）系统提供教员在回路控制和过程回放机制，训练即时信息库实时记录参训人员的训练动作，教员可以随时冻结场景进行针对性讲评；

7）利用训练考评系统（理论考核＋虚拟实操）对操作手的操作质量进行综合评分。

4.3 技术路线

系统设计目标即面向部队操控训练的用户，采用业内领先的软件开发平台进行：三维建模采用Unigraghic或Pro.E；模型转换控制采用Okino Poly Trans、Transmagic；采用NGRAIN Producer及其二次开发工具包API开发三维虚拟训练装备；在对NGRAIN Mobilizer进行二次开发时使用.NET语言C＃能最全面、最直接的访问其所有的功能。C＃是对NGRAIN Mobilizer进行二次开发的首选语言。采用该技术路线具有如下几个特点：

1）具有强大的 Web3D动画功能，支持高质量的三维画面，全三维实时渲染，画质效果好，采用高数据压缩比，能最大限度节省磁盘和内存空间；

2）高性能的渲染算法。渲染速度快，帧率高而稳定，支持海量三角面的大场景渲染。要支持管线渲染、顶点渲染和像素渲染以及多种烘焙贴图；

3）用户界面（GUI）及交互功能友好，居于可扩充性，方便参数配置和优化，内存占用量低，运行流畅；

4）要有高性能的物理引擎：可模拟刚体运动、流体运动等物理效果，物体之间的相互作用精准而高效。先进的碰撞检测算法和强大的脚本系统；

5）基于B／S模式的服务器模块功能强大而稳定，服务器之间协同工作高效稳定；

6）对市面流行的CAE建模软件的良好支持，具有强大的二次开发接口。

5 虚拟训练评估系统关键技术

5.1 主要研发内容

本着教学与训练相结合的原则，采用多媒体集成技术、三维交互技术、虚拟现实技术以及嵌入式软件开发技术开发虚拟训练装备，借助业内领先的NGRAIN开发平台将三维知识对象集成到虚拟训练装备中，采用C＃、SQL Sever 2005等开发工具进行系统研发。主要完成了研制内容如下

1）建立与实际装备实装功能一致的三维体素模型；

2）建立实装管理数据库，方便系统功能的扩展；

3）研究网络多人协同训练的虚拟训练方法；

4）研制与实装界面一致的嵌入式系统模拟训练软件；

5）建立训练人员、考评等信息管理数据库；

6）研究“理论考核＋虚拟实操”训练考评方法，对操作手的操作进行综合评分。

以下仅阐述C＃环境下的NGRAIN虚拟装备的集成、协同训练方法设计以及训练效果评估设计等关键技术。

5.2 关键技术问题与对策

5.2.1 C＃环境下的NGRAIN虚拟装备的集成

以虚拟装备的程序动画播放为例，简要介绍装备虚拟训练评估系统的集成步骤如下：

1）利用Visual Studio 2005，创建基于Windows的C＃应用程序项目。

2）添加项目引用NGrain.PKM.Mobilizer.dll等动态链接库。

3）在MainForm窗体的设计窗口，添加如下代码：

另在MainForm中增加如下代码：

4）调用Mobilizer功能（以执行动画为例）。

回到窗体设计窗口，增加一个按钮以及其响应事件添加代码如下

编译并执行程序，按下btnTest按钮，Mobilizer窗口将执行其中的动画。

5.2.2 协同训练方法设计

为了在系统间传递统一的控制信息及控制信息的扩展，需定义一套统一的控制原语集。在协同训练评估控制流程过程中，需要一套标准的、简单易读的语法来控制整个流程，为了实现协同训练评估控制流程编辑的通用化、易读性，语法采用标准的XML标准；同时，因为大部分的原语是异步方式执行，因此需要使用事件通知方式获得原语执行结果，并同时更新系统状态的变化，以便实现信息实时共享，协同训练、演练。这样就可以使虚拟训练系统中的每一个训练者及时了解团队的工作状态，以及使管理者及时了解整个系统的工作状态和训练状况，实现对整个训练过程的管理和控制。

5.2.3 虚拟实操训练评估设计

利用网络技术，如采用TCP／IP协议，可以把评估内容发送到评估中心，评估中心可以对训练者的训练效果进行客观评估，便于及时发现保障训练中的薄弱环节，及时解决存在的问题。通过建立训练考核题库，虚拟实操考核网上进行，随机抽取试题，即时提交、即时评分。支持理论考核成绩入库，查询。

以logEvent记录器形式记录客户端用户的操作事件（记录到可操作的零部件级），并上传至服务器，入即时训练信息数据库。比如

等等

表1 用户操作事件表

以logEvent记录器形式记录答题内容和结果（仅记录考评关键点的事件），并上传至服务器，入考评数据库。比如：

p.LogEvent（"答题内容"，"错误：＃"＋question）；

表2 用户考评结果事件表

提供训练信息回放：访问即时训练信息数据库、考评数据库，运行评估软件模块，自动生成考评报表，仅服务器管理员有此权限。对训练信息数据库、考评数据库进行维护：数据删除、备份、恢复。

6 结语

基于NGRAIN软件开发的虚拟装备，支持B／S模式，具有全三维仿真环境、深度交互、自助式学习、多人协同操作、真实再现装备的内外部结构等特点，有利于促进自主学习维修原理和技术，而且具有良好的教学、维修训练和评估作用，为装备维修及使用培训提供了新的形式，作为装备保障训练的专家支持系统，具有广阔的推广应用前景。可以为基于Web3D的远程协同训练、操控训练保障、数字化演练装备以及训练效果评估提供技术支持。

［1］王晓光，苏群星.沉浸式虚拟维修训练系统的关键技术［J］.兵工自动化，2006（2）：33－34.

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