某装备虚拟维修训练平台的设计与实现

王国新+宋殿义

摘要：美腾平台在应用过程中需要按其特定的方式进行操作，内容设计也必须按照其固定的模式进行设计，操作方便性较差。针对这一缺陷，论文抛弃“美腾”平台的固定框架，设计了一套基于Unity3D引擎的“傻瓜”式半实物仿真维修训练平台，该平台操作简单、使用方便，具有较强的可扩展性，能够方便地添加各种资源，从而更好地满足基层人员对装备日常维修寻来年的需求。

关键词：装备虚拟维修训练；设计；Unity3D

1系统功能设计

装备维修涉及学科广、涉及的知识也较多，对维修操作人员的能力素质提出了较高的要求[1]。装备虚拟训练系统需要具备使培训人员理解装备工作原理，掌握装备使用、维修技能、掌握典型故障维修技能的能力，因此，装备虚拟维修训练平台应该包含以下几个方面的功能：

（1）装备使用、维修以及工作原理的多媒体教学展示和文档资料查询的功能；

（2）装备的操作使用、日常维护以及典型故障维修的训练功能和考核评价功能。

多媒体资源以及文档资源能够作为基础知识掌握的支撑。平台的训练功能允许用户在虚拟的场景中进行装备的使用、维护和维修等方面的训练操作。考核功能则能够对培训人员的学习效果进行培训，并提供反馈信息，方便制定后续的训练和学习计划，能够更好地提高培训的效率。

2系统结构设计与实现

2.1系统结构设计

图1给出了系统的结构，系统基于windows7操作系统，脚本通过C#语言编写，模型通过3D MAX软件制作，选用Unity3D引擎构建虚拟场景仿真平台，并选用SQL数据库作为系统数据库[2]。

系统场景通过建模、碰撞检测以及实时绘制技术进行构建。然后通过数据库对搭建好的场景进行保存，并利用系统的任务管理模块对场景进行调用。系统包含学习、操作训练、维护训练以及考核四种工作模式。用户通过用户界面与系统进行交互，从而调用各种功能进行训练和学习。

2.2系统功能实现

系统的功能主要包括为用户提供学习、操作训练、维护训练以及考核四种应用，这些应用需要通过虚拟场景模块、学习模块、操作训练模块、考核模块等模块来实现。

（1）虚拟场景建模

装备虚拟维修训练平台的虚拟场景建模主要包括对通信设备、维修工具以及相关的装备零部件的建模。通信设备内部包含了大量复杂的继承电路，并且也是交互的主要场景，因此，对通信设备类模型的仿真度和精细度要求较高。在该平台中，通过3DMAX以及Solidworks软件进行装备的1：1建模，然后通过与Unity3D引擎的高协同性，将*.FBX格式的设备模型和材质信息导入到训练平台中。维修工具包括用于排除装备故障所需要的各种工具，在建立模型之后，需要构建虚拟维修工具箱，并导入Unity3D場景中。针对维修过程中需要更换元器件的维修操作内容，制作与故障设定相关的装备零部件模型，并建立虚拟零部件模型数据库，在交互过程中供用户进行调用，替换虚拟通信装备上的问题元件。

模型的碰撞检测主要使对模型之间是否产生接触和交叉穿透的情况进行检测。Unity3D引擎提供了基于AABB算法的原始碰撞器、基于模型网格的网格碰撞器以及复合碰撞器三种检测算法，可以根据模型的具体形状和功能选择不同的碰撞器。

实施绘制技术能够使系统的总体运算量大幅降低，从而提升系统的实时性。Unity3D引擎内置了消隐技术、LOD技术、景深技术等，在应用过程中，可以通过调用组件直接实现[3]。

（2）学习模块

装备虚拟训练平台的学习模块主要使向学习者提供多媒体资料和文字资料。文字资料主要由厂家提供的使用维护说明书为基础，形成HTML类的帮助文件。多媒体资料则以实地拍摄和电脑制作的视频和图片资料为主。实地拍摄的资料更加直观，但是容易受限于拍摄场景，所表达的效果较为有限，更多的适用于装备使用维护的教学。电脑制作的动画资料更加灵活，但是制作成本相对较高，主要适用于原理教学。通过将资料文件导入到Unity3D之后，系统会自动为文件调用电影纹理组件。

（3）操作训练模块

装备的使用实际上是使用人员与装备进行信息交换的过程，使用人员根据装备的使用规则输入相关信息对其进行操作。装备在获取信息后，按照信息的指令运行，并通过一定的形式反馈给使用人员。装备的操作训练则是对该过程的模拟，图2给出了系统中进行信息传递的过程，用户通过键盘和鼠标控制虚拟的角色进行装备的操作，虚拟角色和虚拟装备通过场景变化将信息反馈给用户。

图2 系统信息交互过程

装备的功能是提前设定好的，因此，用户的使用操作流程也基本是固定的。系统将装备的操作规则录入到数据库中，用户在模拟操作时，系统会将用户输入的数据与数据库中存储的数据进行比对，从而判断用户的具体操作。

（4）维修训练模块

相对于操作训练而言，维修训练中的信息传输更加复杂，维修训练的流程更多。维修训练的目标主要是让用户能够更好地理解装备的工作原理，掌握故障的维修方法。系统根据用户选择的装备维修任务生成对应的任务信息，用户在训练的过程中通过调用这些信息指导用户完成维修训练的过程。装备维修训练模块中用户需要完成以下几方面的任务：第一，目标件的定位拆卸；第二，相关零部件的拆卸；第三，目标零件的更换；第四，零部件的拆装；第五，相关功能检验。其中，零部件的拆装过程使装备维修中最多的，因此也是该模块的重点内容。

（5）考核模块

考核模块主要使对用户的装备操作维护能力进行评价。模块可以在关闭操作训练模块和维护训练模块辅助功能的情况下，记录用户完全自主完成各种操作和维护任务的数据，然后与标准流程进行比对，从而对用户的操作和维修过程进行综合评价，并根据评价结果给出相应的学习建议。另外，还能够对用户考核的整个过程进行录像，在完成之后提供回放功能，方便培训人员进行总结分析。

用户在操作和维修装备的过程中会产生大量的信息，如何选出具有代表性的评价指标使考核模块实现的关键。根据装备虚拟维修训练平台的特点按照任务是否完成、是否超出规定时限、操作顺序是否正确、是否存在无效操作四个指标进行评价。四个指标对任务和装备的影响存在差异，完成任务不完整会直接导致任务失败；操作顺序错误可能影响零部件的寿命，严重的还可能导致装备损坏。任务完成时间超标则任务失败，存在无效操作则说明操作步骤错误。

3结语

论文针对美腾平台的缺陷，设计并实现了一种基于Unity3D的装备虚拟维修训练平台，该平台能够为培训人员提供从基础原理学习到实践模拟训练再到考核的整个应用过程，具有适用性强、成本低、推广性强等特点，能够在实际工程应用中发挥较好的作用。

参考文献：

[1]梅朝.武器装备虚拟维修训练系统设计[J].火力与指挥控制，2016，（09）：151-155+160.

[2]郑林.通用装备虚拟维修训练系统的设计与实现[J].计算机工程与设计，2012，（12）：4681-4685.

[3]王上军.某装备虚拟维修训练系统设计与实现[J].兵工自动化，2009，（09）：11-14.endprint