虚拟仿真实验在工程机械结构原理与维修教学中的应用

2023-09-08阳能军王友才袁晓静周永涛

现代制造技术与装备 2023年7期

阳能军王友才袁晓静周永涛

（火箭军工程大学，西安 710025）

随着科学技术的发展，工程施工中使用的工程机械功能越来越完备，极大地提高了工程施工效率和质量。但是，工程机械结构越来越复杂，原理越来越抽象，对工程机械结构原理与维修教学提出了更高要求。近年来，虚拟仿真技术的出现为开展工程机械结构原理与维修教学提供了新途径。基于虚拟仿真技术研发的维修训练系统，因具有良好的交互性和沉浸感，能够在较低的教学成本下取得良好的教学效果[1-2]。

1 虚拟仿真实验原理

虚拟仿真实验融合了基础数学、相似理论等专业知识，以计算机等设备为载体，采用基于面向对象的思想构建可实时操控的实验方式，其基本原理如图1所示。操作者利用计算机技术，配合传统实验设备，在建构的多种虚拟实验环境中，可以身临其境地完成各项实验。虚拟仿真实验能够有效解决某些专业课程理论抽象、原理复杂、实验过程危险以及教学成本高的难题。

图1 虚拟仿真实验基本原理

2 工程机械虚拟维修训练系统的特点及功能

工程机械虚拟维修训练系统通过引导式训练，从讲解工程机械结构原理到实操指导全流程，使学生掌握其组成部件的拆装步骤，理解检测设备操作过程，逐渐能够诊断并排除典型故障。与教学实装相比，工程机械虚拟维修系统具有显著特点。一是直观性强。系统可以通过透视、孤立等方式，呈现内部结构和构件之间的联接关系。二是交互性好。系统可以通过虚拟现实手柄、键盘、鼠标等设备发出请求。三是安全性高。虚拟环境不存在高温、高压、强磁、高辐射等风险因素，不会导致受训人员受伤。

针对工程机械结构原理与维修教学需要，工程机械虚拟维修训练系统应包含结构展示、部件拆装训练、典型的故障诊断及排除训练、训练考核等功能，分别用于工程机械内部结构与工作原理静态教学、部件拆装与故障排除操作教学与训练考核。此外，系统应该包括结构件拆装演示与教学、设备故障诊断与排除训练、结果考核与评价等功能。

3 虚拟交互控制原理

为实现人机交互，系统可划分为外部控制和内部响应两部分。学生针对输出设备提供信息，通过输入设备操控虚拟场景中的对象实现外部控制。虚拟系统内部响应则根据各项操作指令操控虚拟对象完成实验要求。通过输入输出和内外交互，建立交互控制虚实结合的映射联系。外部输入的信息经过内部预置程序响应后执行相应动作，进而通过输出设备实时与学生实现控制交互。

4 工程机械虚拟维修训练系统设计策略

4.1 框架设计策略

工程机械虚拟维修训练系统采用插件式开发，在遵循一定的接口标准的基础上，可以快速实现集成，也就是所谓的热插拔操作，隔离框架本身和应用模块之间的耦合性关联，以无限地对已开发好的系统进行扩展，且不会影响已有的功能。通过系统功能管理对系统扩展需要的功能模块、角色权限进行简单配置，即可实现功能的添加、删除与修改[3-4]。

系统采用3层架构，将各个模块划分为表示层、业务逻辑层和数据访问层。各层之间采用接口互相访问，并通过对象模型的实体类作为数据传递的载体。表示层位于3层构架的最上层，与用户直接接触，主要是客户机/服务器（Client/Server，C/S）信息系统中的用户界面。表示层的主要功能是实现系统数据的传入与输出，无须借助逻辑判断操作就可以将数据传送到业务逻辑层进行数据处理，且在处理后会将处理结果反馈到表示层。业务逻辑层的功能是对具体问题进行逻辑判断与执行操作，在3层构架中位于表示层与数据层中间位置，同时是表示层与数据层的桥梁，实现3层之间的数据连接和指令传达。它可以对接收数据进行逻辑处理，实现数据的修改、获取以及删除等功能。数据访问层是数据库的主要操控部分，实现数据的增加、删除、修改以及查询等操作，并将操作结果反馈到业务逻辑层。实体类库是数据库表的映射对象。在软件实际开发过程中要建立对象实例，将关系数据库表采用对象实体化的方式表现出来。

4.2 系统模块设计策略

工程装备维修训练软件包含理论教学与考核模块、结构展示与原理演示模块、虚拟拆装与维护保养模块、故障维修训练模块、综合管理与维护系统4个模块。理论教学与考核模块以课件的方式进行教学，以试卷的方式进行考核，教师与学生共同完成教学与考核过程。该模块主要包括教学功能、学习功能、考试功能及评估分析。结构展示与原理演示模块通过建立三维模型数据库展示装备的整体结构和组成，通过原理动画和系统原理数据库驱动的仿真动画展示整个工程机械、分系统和部件的原理。虚拟拆装与维护保养模块根据装备业务功能生成逻辑模型，基于操作规程生成操作流程脚本驱动装备三维逻辑模型，从而实现虚拟拆装训练和虚拟维护训练功能。故障维修训练模块以常见故障处置操作规程为基础，通过流程编辑器生成装备故障处置操作流程库，由训练管理员或学生选择相应的故障处置操作科目，调取故障流程库中的流程数据驱动装备仿真逻辑引擎生成三维故障流程脚本，实现虚拟故障处置流程交互。综合管理与维护模块主要通过在系统中维护组织结构、人员、角色以及功能菜单等基础数据，记录用户在系统中的操作日志等工作，从而实现对系统的维护管理[5-6]。

4.3 数据读取/存储设计策略

系统采用MySQL 8.0进行数据存储，通过Entity Framework映射数据，以CodeFrist模式实现对数据库的访问控制。EntityFramework能使开发人员通过领域对象处理数据，而无须关注存储此数据的技术数据库。开发人员在处理数据时可以在更高的抽象级别上工作，与传统应用程序相比，可以使用更少的代码创建和维护面向数据的应用程序。

客户端与数据库的访问过程使用Webservice进行处理。Webservice基于超文本传输协议，无论客户端使用何种语言、平台或内部协议，都可以实现数据的交换或集成。

5 工程机械虚拟维修训练系统教学运用

工程机械虚拟维修训练系统涵盖了凿岩台车、锚式湿喷车、挖掘机、装载机、起重机、压桩机等7种工程机械。软件功能包括教师端、学生端和管理端。其中：教师端包含在线示教、课件管理、教学监督、在线答疑、课堂管理、教师首页、考试管理、试卷管理、题库管理、人工评卷、统计分析；学生端包含观看示教、在线提问、在线学习、课堂笔记、在线考试、错题巩固、模拟试卷、统计分析、学生首页；管理端包含系统日志、主题维护、系统设置、功能管理、用户管理、角色管理、组织机构管理。

理论教学与考核系统使用的人员为学生和教师，主要的使用阶段为教学阶段和考核阶段。在整个流程中，以教师构建教学素材和考核素材为基础，以学生参与整个教学与考核为最终目的[7]。

在教学阶段，学生可进行在线课程学习。在整个学习过程中，可使用在线提问功能与教师进行互动，可使用课程笔记功能记录学习笔记。教师可使用在线示教功能同屏到学生端桌面展示其教学的素材和过程。当有学生进行在线提问时，教师可第一时间使用在线答疑功能解答学生的问题，使用教学监督功能实时观看学生使用系统的流程并加以指导。教师按照课件、课程的顺序进行整个教学素材的管理，使用课件管理功能上传常用的文档、视频课件资源，通过课程管理将上传的课件资源组成一个个课程。设置每个课件的时长，总体定义学生学习一个课程的总用时。

在考核阶段，学生可以通过试题练习进行组卷模式练习和错题巩固练习。通过在线考试功能，学生参与教师组织的考核安排计划。在整个考试阶段，系统会自动统计错题，添加错题到错题库，便于学生进行错题的巩固练习。教师按照题库、试卷、考核的顺序进行整个考核阶段的管理，在题库管理中添加不同的试题和内容，在试卷管理中基于题库所有的试题，通过设置出题的规则和分值划分生成需要的考核试卷。当完成以上两个内容指定后，通过考试管理功能选择人员、勾选试卷、设置时长等关键参数形成考试计划安排。学生得到考核计划安排后参加考试完成答卷。系统自动判分或由人工判分得出成绩，最终完成整个考核考核的过程。

虚拟拆装与维护保养模块通过收集工程装备机械结构数据建立三维仿模型，依托实际的设备拆装规程在三维视景中完成虚拟操作训练流程，最终达到训练和考核的目的。故障维修训练模块通过建立故障库体现故障的定位和排除，提升初级故障定位和排除能力。管理员通过综合管理与维护模块对整个系统进行维护和管理。