某型雷达虚拟维修训练系统的开发与实践应用

赵喜　胡文华　朱晓秀　李鸣　付强

摘要：根据雷达装备实际教学训练需求，利用虚拟现实技术设计开发了某型雷达虚拟维修训练系统。本文首先介绍了虚拟维修训练系统的功能、组成与工作流程，然后分析了基于系统的教学训练特点，最后给出了系統在教学训练中的应用实例。实践证明，将虚拟现实技术应用于教学和训练工作，能够有效提高教学训练的效果。

关键词：虚拟现实技术；维修训练；装备训练

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）49-0076-03

基于装备的教学和训练工作在提高参训人员的工程实践能力、装备综合素养以及打牢岗位任职能力方面具有重要作用。受教学训练资源、手段的限制，装备教学训练过程中存在着装备设备不足、教学训练时间难以保证、训练成本高等突出问题，在很大程度上制约着教学训练效果的提高。

一、系统基本功能

根据装备教学训练需求，开发的某型雷达虚拟维修训练系统具备装备结构展示、装备操作训练、装备维修训练、训练效果评估以及数据支持等5项基本功能，系统基本功能框架如图1所示。

1.装备结构展示功能。装备结构展示功能是以3D的形式，向参训人员提供一套虚拟的雷达装备，可从不同视角展示雷达及其附属设备的外部及内部组成，演示各组成的基本工作状态，以满足教学训练中对某型雷达装备结构的认知需求。

2.装备操作训练功能。装备操作训练功能是以3D虚拟交互的方式，向参训人员提供一个逼真的装备操作训练环境。利用该环境，可进行雷达装备的架设、撤收、开机、关机、火炮标定、指挥镜标定、正北标定、目标搜索、目标跟踪、开火射击、系统功能测试等操作训练，以满足教学训练中对某型雷达装备操作训练的需求。

3.装备维修训练功能。装备维修训练的基本流程包括发现故障征兆，进行故障诊断、故障隔离、装备拆卸、换件、装备安装和检验等。装备维修训练功能可为参训人员提供逼真的某型雷达装备虚拟维修训练环境。利用该环境，可进行装备基本操作、故障现象观察、装备测试、装备部件更换等维修活动，以满足对某型雷达装备维修训练的需求。

4.训练效果评估功能。训练效果评估功能是根据记录的参训人员操作、维修过程数据，利用训练效果评估模型，分析计算参训人员的操作和维修训练效果，以满足对参训人员相应训练科目的评测需求，同时评估结果也可为提高参训人员训练水平提供依据。

5.数据支持功能。数据支持功能由各类数据库完成，这些数据库主要包括三维模型库、基础数据库、过程数据库和结果数据库。系统初始化时，可为虚拟维修训练系统提供各类模型及基础数据支撑。训练过程中，可为参训人员的操作行为提供数据支撑，并可记录训练过程中产生的数据。训练效果评估时，可提供评估模型及训练过程数据，记录评估结果。

二、系统结构组成

某型雷达虚拟维修训练系统从结构上可分为系统主界面和系统集成框架两大部分。其中，系统主界面包括训练设置、系统监控、训练评估三个功能模块，分别提供训练科目的选择与设置、训练过程的监视与控制以及训练效果评估等功能。系统集成框架包括结构展示模型、战场环境模型[2]、运行机理模型和人机交互模型[3]等四类仿真模型模块，如图2所示。

图2中，系统集成框架为四类仿真模型模块提供支撑，控制各仿真模型模块的加载、卸载和系统运行状态的切换，并利用虚拟现实技术实现对战场环境模型、装备结构3D模型的集成，实现装备操作训练、装备维修训练的“人—机”交互式仿真。结构展示模型包括装备结构3D模型和基本行为模块。装备结构3D模型主要包括雷达及附属设备的模型；基本行为模块是指操作过程中雷达装备展现出的各种基本现象和行为，如雷达加电时相应指示灯的状态等。战场环境模型用于反映作战地域地形地貌、电磁环境、气象条件等基本战场环境条件，为模拟训练提供逼真的背景。运行机理模型包括装备操作模型和故障排除模型两大类。装备操作模型是对装备操作过程中严格的操作流程的描述；故障排除模型是对装备故障状态和内部运行规律的描述，模拟装备出现故障时的行为和现象。人机交互模型用于将操作人员的键盘鼠标操作和其他节点发送的数据转为对装备的操作指令，以完成对装备的操作训练。四类模型的关系如图3所示。

图3中，人机交互模型将外界的互操作信息转换为屏幕定位信息，作用于结构展示模型；结构展示模型根据定位信息，向运行机理模型发出操作请求；机理模型根据操作规则，计算判断响应结果，为人机交互模型提供提示信息，同时提供装备响应使能信息给结构展示模型，以进行相应的装备响应。在此过程中，战场环境模型为结构展示模型提供特定的战场条件背景信息。

三、虚拟训练的基本工作流程

利用某型雷达虚拟训练系统进行训练，操作过程可分为训练科目选择、系统初始化、虚拟装备训练、训练效果评估四个步骤，如图4所示。

第一，训练科目选择。系统启动之后，根据训练计划安排，在主界面选择需要进行的训练科目，然后进行系统初始化。

第二，系统初始化。读取数据库数据，加载战场环境模型、装备结构展示模型和装备机理模型等，并对装备的初始状态进行设置。

第三，虚拟装备训练。操作人员使用键盘鼠标或其他人机交互设备进行装备操作训练，训练过程中可提供相应的提示信息，系统实时记录操作步骤。

第四，训练效果评估。操作完成后，系统利用操作过程数据和训练效果评估模型，进行训练效果评估并显示评估结果。

四、基于系统的教学训练特点

将虚拟维修训练系统应用于装备教学训练当中，具有如下特点。

1.增加装备训练时间。利用虚拟现实技术建立的虚拟装备训练环境，能够以较低的成本达到与实装训练近似的训练效果：利用虚拟维修训练系统可实现“人—机”交互式虚拟训练，不但能让参训人员较快的掌握操作步骤，同时也能保证操作训练的真实感，保障参训人员训练时间，从而有效提高教学和训练的效果。

2.减少装备设备损耗。操作训练当中，实装操作具有真实、直观的优点，但武器装备都具有一定的寿命期限，在雷达装备操作使用、组合拆装和故障排除等教学实践过程中，装备使用如果过于频繁，不可避免地会出现装备磨损、部件损耗等问题，势必会减少装备的使用寿命，造成训练成本增大。而虚拟维修训练系统采用以虚代实的形式，进行相关的训练，训练中的装备损耗问题在很大程度上被克服，军事经济效益明显。

3.促进自主学习。基于虚拟现实技术开发的某型雷达虚拟维修训练系统，具有可移植性，并且与多种计算机操作系统兼容，可将虚拟维修训练系统发布于校园网或局域网，参训人员可通过网络进行相关内容的学习和训练，从而实现远程教育和训练。同时，也可方便参训人员利用课下时间进行相关内容的预习和复习，助力参训人员的自主学习，从而有效提高教学训练的效果。

五、系统实际应用案例

装备教学训练活动主要包括装备构造原理知识的学习以及结合装备的操作训练两大类。其中，装备构造原理知识的学习是装备操作训练的基础，装备操作训练是装备构造原理知识学习的落脚点。在这两类活动中，我们都充分利用了虚拟维修训练系统，取得了较好的教学训练效果。

1.在构造原理教学环节中的应用案例。以往的装备构造原理教学环节主要采用“教材+PPT课件+实装”的方式，教学内容的表现形式不够直观、形象；雷达装备结构紧凑、拆装困难，参训人员难以详细认知装备的内部结构。针对这些问题，我们在装备的构造原理教学中，充分利用了虚拟维修训练系统。结合虚拟维修训练系统的实施环节如下：（1）装备展示。利用系统提供的装备3D模型，进行装备主要组成部分的演示。指明装备的组成及各组成在装备中的位置，形成參训人员对装备的整体概念。（2）结构分析。利用装备结构3D模型，详细介绍各组合的作用及组成。（3）拆装演示。利用系统提供的操作环境，拆装装备组合，装备各组成部件的结构和拆装过程可被更加直观的认知。将虚拟维修训练系统引入到构造原理教学环节，教学手段更加生动形象，方便了参训人员对装备结构的认知，大大提高了参训人员的学习兴趣，有效提高了教学效果。

2.在装备实训环节中的应用案例。在装备实训环节，一个突出的实际问题是装备少、人员多。在近几年的装备教学中，人员、装备的比例基本上都保持在10∶1以上，每名参训人员进行装备训练的时间很短，训练效果难以保障。且装备一旦出现故障，上述问题就变得更加突出。为克服上述问题，在装备实训过程中，充分利用了虚拟维修训练系统，训练步骤如下：（1）操作演示。利用虚拟维修训练系统进行相关训练内容的演示。让参训人员了解装备的战勤操作、维修操作等基本内容，起到“教学引导”的作用。（2）虚拟操作。参训人员在系统上进行虚拟交互操作，一人一机，独立完成操作，如图5所示。参训人员通过多次的虚拟交互式训练，可以熟悉操作的流程，为实装操作做好准备。此外，这个环节的训练也可以在业余时间进行，参训人员可获得更多的学习主动权。（3）实装训练。利用虚拟维修训练系统完成虚拟交互训练后，参训人员可在雷达上进行实装操作，锻炼参训人员的实际操作能力，解决实际操作中遇到的问题。（4）训练升华。结合实际情况，充分运用虚拟维修训练系统的训练效果评估等功能，进行针对性的探索式学习训练，发挥参训人员主观能动性，提高参训人员创新能力。

将虚拟维修训练系统应用于装备实训环节，体现出了“开放式、情景式、交互式”的特征，在一定程度上克服了装备实训环节存在的问题，促进了装备训练工作的开展。

六、结束语

与传统的装备教学训练相比，将现代虚拟现实技术应用到装备教学训练当中，可有效增强教学效果、减少装备损耗、降低教学成本、提高参训人员积极性、减轻教员工作强度。此外，虚拟维修训练系统还能很好地帮助参训人员利用课下时间进行学习和训练，助力自主学习。系统的开发与应用，对于相关课程的开展具有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]董健，等.××雷达构造与维修[M].军械工程学院，2016.

[2]王上军，等.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.

[3]张爽，等.基于Unit3D的桌面式虚拟维修训练系统设计[J].计算机工程与应用，2014，50（S1）：62-66.