车载指控通信系统虚拟维修教学训练平台设计

张 增 李晓燕 赵 萌 尚世锋

（陆军装甲兵学院，北京 100072）

1 引言

分队车载指控通信系统通常包括电台、车内通信系统（简称“车通”）、计算机、北斗等典型设备及连接线缆，信息化程度高，传统维修教学对实装依赖性大，教学训练条件不足矛盾突出；反复拆装修理易造成装备损坏，实装教学成本高；人工故障设置种类少，维修过程缺乏数据记录，训练评估模式陈旧，难以进行精准全面的指导[1]。虚拟仿真技术在装备训练方面有着巨大的优势，具有表现形式形象直观、交互方式丰富便捷、应用时空不受限制等显著特点[2]，可以通过构建“实景”“实地”和“实物”的虚拟训练环境，仿真装备操作、使用、维护、维修工作，从而实现三维虚拟可视化认知教学和近实战化仿真交互训练[3]。目前，车载指控通信系统的虚拟仿真技术主要是在单体设备上的运用，没有体现在成体系的作战网络中的运用[4]。本文结合VR沉浸式虚拟维修技术，构建了一个分队车载指控通信系统虚拟维修教学训练平台，突出系统级维修训练模式，实现了基于设备、平台及网络三级的维修教学训练功能。

2 系统需求分析

本系统平台为满足教学训练需求，能够提供理论知识学习、设备维修训练、训练考核、系统联调训练、系统管理等功能。

（1）理论知识学习功能。可以通过相关科目的学习了解设备的功能、组成、结构、工作原理、拆装流程，以及设备的使用操作；系统级的构造原理以文字、图片、音频、动画视频等多媒体形式演示单车、排车、连车指控通信系统的设备组成、连接关系、信息流和信号流；能够交互实现电台、车内通信系统、计算机、北斗从整机、附件安装拆卸到内部组件、模件板的拆卸更换；能够交互实现设备技术状况的检测，以及故障排除的基本流程。

（2）设备维修训练功能。可以通过操作相关科目来熟悉设备的操作使用、设备使用过程中可能遇到的各种故障现象，然后通过故障现象分析故障产生的原因，再通过拆卸更换模件逐步排除故障，从而掌握排除故障的流程。通过硬件设备提供沉浸式训练支撑环境，为电台、车内通信系统、计算机、北斗等设备提供维修训练环境。

（3）训练考核功能。学员通过进入具体科目进行实际操作，从查找故障，到分析故障，再到一步步排除故障，教员从学员用户的得分来判断学员对设备故障排除的熟练程度及训练效果。

（4）系统联调功能。通过车与车之间进行话音、数据联调来模拟车辆之间的通信；模拟车际组网的信息流和信号流；并能对典型车辆的话音、数据信息流进行演示；联调模块可以对分队级组网（连车/排车/单车三级组网）信息流和信号流进行演示。

（5）系统管理功能。可以设置系统时间、管理口令，可以查询训练及考核情况等信息。系统可以对登录的学员及教员用户进行验证，同时通过数据文件匹配学员用户的训练数据及相关信息。教员通过系统管理模块可以对受训学员进行训练科目和考核科目的设置，根据训练科目或专业等级要求进行科目标准设置。可远程进行数据同步到受训人员操作环境中。教员及受训学员在训练环境下可随时通过系统管理模块进行退出操作，系统自动保存当前信息至本地；在考核情况下，受训人员中途主动退出系统，系统会自动判定受训人员的分数并保存。

3 系统总体设计

根据应用目标和人机交互方式的不同，通常把虚拟现实技术划分为桌面虚拟维修、沉浸式虚拟现实、增强现实或混合虚拟现实、分布式虚拟现实等。其中，沉浸式虚拟现实具有良好的用户体验，可使用户完全沉浸在虚拟世界中[5]。因此，系统硬件设备的设计选型的原则是以提高用户体验和满足系统性能为目标导向，从市场上选购满足指标要求、技术成熟、性能稳定的货架产品综合集成，构建沉浸式VR虚拟现实硬件平台。

分队车载通信系统虚拟维修训练平台涉及单车指控通信系统虚拟维修、排车指控通信系统虚拟维修和连车指控通信系统虚拟维修三个层级。虚拟维修系统是基于计算机技术和虚拟现实技术，由计算机和虚拟现实设备（VR设备）生成虚拟维修样机和虚拟维修场景，采用维修人员在回路的方式，通过虚拟的人机互动来仿真实现整个维修过程[6]。每个设备训练（系统联训）模块又由设备三维数字模型、训练管理功能模块、理论知识学习功能模块、设备拆装/分解组合（信息流程）演示训练功能模块、设备维修（系统联调）演示功能训练模块、训练考核模块等功能模块组成，平台组成及训练模块组成分别如图1、图2所示。

4 系统软件设计

从装备保障训练过程看，装备维修训练环节主要有理论学习、维修训练和训练考核三大环节，这三个环节的串联主线索则是维修保障对象。装备种类及类型多种多样，但维修保障总体上基本都属于这种模式。为满足系统平台的开放性、通用性和集成性[7]，虚拟维修训练平台的基本软件架构设计如图3所示。

图1 车载通信装备系统级虚拟维修训练平台组成结构图

图2 设备训练及系统联训模块组成结构图

（1）第一层是业务功能层。由系统管理、理论学习、维修训练和训练考核四部分程序组成。系统管理设置部分则实现用户系统登录，用户管理（对用户信息的查询、添加、修改、删除的验证），训练条件和考核设置等业务。理论学习部分按训练科目分别选择设备功能、组成、性能、结构、工作原理、拆卸安装/分解组合演示、技术状态检测演示和训练科目演示等维修相关理论和技能方法内容进行学习。维修训练和训练考核部分则分别实现按训练科目区分的设备故障排除训练和训练考核。训练考核部分则是在维修训练的基础上，通过时间限定，再增加维修标准和规范、评分标准等数据库，对参训人员进行的各种维修操作由系统进行跟踪记录，并对参考人员考核过程打分评判。

（2）第二层是操作界面层。提供人机交互的界面，维修训练和训练考核按故障分类驱动，由仿真模型计算、界面交互、故障选择、虚拟检测工具、考核评分标准、训练数据记录等部分组成。

（3）第三层是模型支持层。仿真模型计算主要包括信道模型、射频信号模型、电气连接模型等；界面交互主要包括天线的拆除、单元（部件）从整机上的拆除、单元（部件）紧固螺丝的拆除、单元（部件）内模件的拆除、模件紧固螺丝的拆除、连接线缆的连接和拆除、模件的更换等交互；故障选择主要包括每个设备按部件分类的故障生成，以及地形、距离、电子干扰造成的不能通联等；虚拟检测工具主要包括信息设备维修常用的三用表、通信系统综合测试仪、功率计、连接电台各部件用到的维修测试电缆等；考核评分标准主要是计时器、评分标准，用于考核计时和评定考核成绩；训练数据记录主要是记录操作时间、操作情况，用于训练考核过程回放。

图3 虚拟维修训练平台的基本软件架构

5 系统教学设计

系统的教学设计，主要是对系统的训练科目进行设计实现，以满足教学大纲对学员维修理论和维修技能的要求。主要训练科目设计如图4所示。虚拟维修系统训练科目，主要包括设备、平台（车内）、网络（车际）3个层级。学员通过理论科目学习，能够了解设备/车内/车际功能组成及连接关系、设备/车内/车际话音数据通信工作流程、设备拆装及分解组合、设备技术状况检测、设备故障排除分析的理论介绍和功能演示。学员通过虚拟训练及训练考核科目学习，能够进行设备/平台/网络各类典型故障科目的训练模拟，并能进行训练科目的考核；设备级故障虚拟训练模拟按照电源、收信、发信、控制四种不同信号通路进行设计，平台级故障训练模拟按照电台、车通、计算机、北斗、综合五种不同设备类别进行设计，网络级故障训练模拟按照电台、北斗、有线、路由、综合五种不同链路类别进行设计。教员也可通过后台训练数据记录，训练考核过程回放，对受训学员进行精准全面的指导。

下面以网络层级虚拟训练—电台链路类故障训练模拟—“天线故障导致无法通信”课目为例，介绍其维修训练的操作流程设计。

（1）步骤一：将网络内所有电台开机自检，进入待机工作状态。

（2）步骤二：将网络内所有电台设置为模话、非静噪状态，耳机中有噪声。

（3）步骤三：分别按下各自胸前开关的“发信”键，各自电台分别由收信转为发信状态，显示屏显示状态转换标识，工作帽耳机背景噪声有变化，发话可听见自侧音，上述现象可排除胸前开关及工作帽等音频附件故障的可能。

（4）步骤四：设置各自电台为模话模式，确认频率设置无误，双方进行话音沟通联络，仍然无法接听到对方信号，可排除电台参数配置错误的可能。

（5）步骤五：在模话方式和相同的工作频率下，单车1、排车2分别与电台网络内第三方连车3（确认系统正常）进行话音沟通联络。若单车1与第三方均无法正常接收信号而单车2与第三方通信正常，则可确认单车1系统故障，按照连线检查、天线检查、电台车通设备检查的顺序依次排除，确定最终单车1的故障部位。

6 结语

本文针对当前车载通信系统维修训练方面遇到的一些问题以及现有的匮乏、落后的维修手段现状，利用虚拟维修技术，由于其方便直观，可以提高维修效率并降低成本，具有十分广阔的应用前景。同时通过教学发现，虚拟维修训练系统非常适合于实装维修训练前的认知和自主学习，对于规范学员操作流程、快速提高维修技能，以及形成全面精准的训练评估模式具有重要意义。

图4 虚拟维修训练系统训练科目组成结构图