某型高速柴油机虚拟训练系统∗

李雪青 范毅晟 祝笑舟

（1.海军模拟飞行训练中心 北京 102488）（2.海军军训器材研究所 北京 102308）

1 引言

在现实世界中，大型机械设备的使用、维护保障工作往往面临学习理解难度大、操作复杂、成本高、学习时间周期长的问题。为了培养学员学会使用、维护保障这些设备，以往都是使用实装进行现场演示、拆装讲解，然而机械设备大都不透明，学员无法了解其内部构造，缺少学习的直观性，同时由于一些设备造价昂贵数量少，不能保证每个学员都有实操训练的机会，发动机的面板操作更是无法现场演示。虚拟现实技术很好地解决了这一问题［1～3］，该技术不但实现成本低而且直观、灵活，适于开发各种操作训练应用。随着虚拟现实技术的不断进步和发展，多种平台级虚拟现实软件逐渐成熟，如EON Studio、Virtool［4］、OSG［5］、和 Unity3D［6］、Vega Prime［7］、GL Studio［7］等，这些软件在虚拟维修、虚拟拆装、虚拟操作等虚拟训练软件的开发上都得到了广泛的应用［8～13］。

鉴于虚拟现实技术的优势和特点，为了能够快速、高效、低成本地培训使用操作、维护保障人员，研制了某型高速柴油机的虚拟训练系统。某型高速柴油机具有可靠性好、耗油率低、功率范围广等优点，广泛装备于我海军水面舰艇。根据当前形势需要，急需大量使用和维保人员，因此该系统的研制为部队快速形成战斗力奠定了基础。该虚拟训练系统以EON Studio、Vega Prime、GL Studio、Delphi等软件为平台，采用C/S架构，实现了虚拟拆装、操控面板模拟操作、特情处置等功能，可供多名学员同时进行学习、训练和考核。

2 系统概述

2.1 系统结构设计

该系统面向的使用对象为训练基地的教员和学员。考虑到组织训练的便利性和实用性，系统设计为多媒体教室教学形式，包括一个教员控制台，若干台学员客户端，系统硬件结构如图1所示。教学过程中，由教员通过控制台下达统一的控制命令，学员在各自战位上的学员端软件进行操作，完成操作、考核等训练任务。

图1 系统硬件结构图

系统软件可以划分为四个层级，包括应用层、平台层、数据层和系统层，如图2所示。

图2 系统软件层次

应用层主要包括人员注册登录信息管理模块、模型管理模块、操作记录数据管理模块、逻辑数据管理模块、训练考核内容设置模块、训练考核过程控制模块、成绩评定模块和拆装交互模块。

平台层主要包括EON Studio、Delphi和SQL Server等，为应用层提供三维环境、数据环境、开发环境等平台支撑。数据层包括逻辑数据库、模型数据库、人员信息数据库和操作记录数据库。系统中的人员信息、模型、操作信息和逻辑信息等都保存在上述数据库中，由平台层SQL Server驱动管理，控制界面由Delphi设计实现。系统层为系统提供基础系统运行环境，本系统教员端和学员端使用Windows 7系统，服务器端使用Windows server操作系统。

2.2 系统功能

如图3所示为该系统功能架构图，主要包括教员端、学员端和开发工具三大功能模块。教员端功能可以实现教学过程中的训练过程控制、科目选择发布、考核成绩评定的功能。学员端功能主要包括人员注册登录，虚拟柴油机拆装和柴油机操控面板模拟操作功能，学员可以通过这些功能完成柴油机拆装和操控面板操作的学习、训练与考核。开发工具具有向系统添加柴油机零部件三维模型、拆装工具三维模型和拆装逻辑的功能。三维模型和拆装逻辑都以二进制文件形式保存在模型数据库和逻辑数据库中。

图3 系统功能架构

教员登录系统后，根据需要选择相应的训练内容，训练内容包括虚拟柴油机拆装和柴油机操控面板模拟操作两大部分。系统运行的简易信息流程如图4所示。

虚拟柴油机拆装包括拆装学习、拆装训练和拆装考核三种模式。在虚拟柴油机拆装学习模式下，学员可以根据提示完成拆装学习，软件界面中会显示关于柴油机零部件的理论学习资料，可以提示拆装流程。拆装训练模式下，学员在没有提示的状态下练习拆卸零件。拆装顺序严格执行逻辑编辑器所设定的逻辑顺序，拆装工具也只能选择预先设定的工具才能进行拆装，拆装过程中可多次反复试验拆装工具和操作顺序，直到工具和逻辑都正确为止。考核模式下，由教员统一发布考核内容，学员根据考核内容判断部件损坏部位并能够使用正确的工具进行拆卸操作。操作过程记录在数据库中。拆装过程中，使用工具和操作顺序发生错误，都会记录下来，根据操作错误次数，最终由成绩评判模块完成成绩评定，还可以通过回放模块从数据库中读取操作数据回放操作过程，供教员人工评判拆装过程。虚拟柴油机拆装训练信息流程如图5所示。

图4 简易信息流程

图5 虚拟柴油机拆装训练信息流程

柴油机操控面板可以实现柴油机备车、启动、暖机、运行、加减负荷和停车等基本操纵练习，也可以通过教员控制台设置特情实现特殊情况处置训练。柴油机操控面板模拟操作包括训练和考核两种模式。在考核模式下，会限制操作时间，同时会将操作动作记录到数据库，可以通过成绩评判和操作回放模块进行成绩评定和操作回放。操控面板模拟操作信息流程如图6所示。

图6 柴油机操控面板模拟操作信息流程

逻辑编辑器主要功能就是拆装逻辑编辑，编辑器首先通过三维模拟加载功能，将待拆装的零部件和拆装工具转换成二进制文件保存到模型数据库，然后通过逻辑编辑界面编辑拆装逻辑编辑，并将逻辑信息以二进制文件形式保存到逻辑数据库。信息流程如图7所示。

图7 逻辑编辑器信息流程

3 系统主要功能实现

3.1 开发工具功能实现

系统研发过程使用的开发工具包括商用软件和自开发软件两类，商用软件实现平台功能，自开发软件以商用软件为工具平台实现逻辑编辑功能。本文只介绍自开发工具软件的功能实现。

系统中的逻辑编辑工具主要用于编辑虚拟拆装逻辑。柴油机虚拟拆装涉及到的部件有上成百上千个，每个部件又由若干零件组成，每个零件的拆装所需工具各不相同，拆装的操作顺序、逻辑更是有几十种，如果按照传统软件制作方式，通过编程实现柴油机每个部件、每个零件的位置、状态、姿态控制，将给软件开发带来巨大的工作量，而且这种方式做出的软件不可重复使用，一旦有新的部件加入，操作人员必须通过代码才能实现拆装功能，这大大降低了软件的实用性。考虑到上述因素，结合一些工具软件的特点，选择以Delphi和EON Stu⁃dio作为平台，开发逻辑编辑器。逻辑编辑器可以通过可视化的界面操作对待拆装部件中的每一个零件实现单独运动状态编辑，并可以设定拆装约束关系和逻辑顺序。最终，这些编辑内容会以二进制文件的形式保存到数据库。

EON Stuido是由EON Reality公司开发的基于GUI的虚拟显示场景设计工具，该软件可以导入多种3D模型，并通过直观的图形设计界面方便的对模型进行控制，也可以通过脚本编程实现一些复杂的行为控制。本系统将柴油机部件模型和工具模型导入到EON Studio软件中，通过脚本实现控制接口和模型行为并生成edz文件。Delphi可以将edz文件作为控件插入对话框界面中，再通过接口实现各种模型的行为控制，以实现复杂的拆装逻辑。为了方便管理，edz文件以二进制文件形式保存在数据库中，当系统需要调用某一部件的edz文件时，软件会自动生成该部件的临时edz文件。如图8所示为柴油机某一部件的EON Studio Routes关系界面。该界面下可以将各节点通过输入输出接口相连，实现事件触发、数据输入和数据输出等功能。每个部件Route关系图包含4个图层，将不同功能特点的节点放在不同图层，以不同颜色标识，便于管理。4个图层功能主要包括对象位置控制、工具栏、键鼠控制、外部交互控制，图8为外部交互控制图层，以绿色标识，该图层节点主要功能是实现EON与Delphi数据交互。

图8 EON Studio Routes关系界面

逻辑编辑器共包含9大功能模块，分别是部件信息、部件结构、零件信息、零件逻辑、零件运动、工序信息、工序逻辑和数据库管理。部件信息功能主要是在数据库中添加三维模型设备，并定义名称、描述等信息；部件结构可以为部件添加结构层级；零件信息可以编辑部件中每个零件的名称、描述、故障与否状态以及拆卸工具等信息；零件逻辑可以为不同零件之间的拆卸设置约束关系；零件运动可以定义拆卸后零件的动画程序；在工序信息界面下，可以定义部件的拆装工序；数据库管理用以设置数据库参数。逻辑编辑信息流程如图9所示，逻辑数据库ER图如图10所示。

图9 逻辑编辑信息流程

图10 逻辑数据库ER图

3.2 教员端功能实现

教员端功能主要包括学员信息管理、训练控制、成绩评定等。学员可以通过学员端注册登录信息，教员可以在教员端对学员信息进行管理，包括添加、修改、简评等。教员端可以通过网络控制学员端的训练内容。学员端安装有可接收教员端控制信息的驻留程序，教员端发送训练控制命令后，学员端驻留程序调用相应的程序实现不同的训练内容。柴油机操控面板模拟操作，往往需要多人配合完成操作，因此教员控制台软件设计了学员分组功能，分组包括手动和自动两种方式。分组后，教员端会自动将分组中编号最小的学员端计算机作为临时逻辑解析服务器，实现逻辑解算功能。柴油机操控面板模拟操作训练的信息流程如图11所示。

图11 柴油机操控面板模拟操作训练信息流程

在考核模式下，学员操作内容会写入操作记录数据库，教员通过成绩评定模块实现成绩评定。成绩评定包括自动和手动两种方式。成绩评定模块会将考核记录数据与标准操作数据进行对比，按照操作正确率给出百分制评分。教员也可以通过人工判别实现评分功能。

3.3 学员端功能实现

3.3.1 柴油机拆装

逻辑编辑器将柴油机部件拆装逻辑以数据形式存储在数据库中，学员端通过三维操作界面即可实现拆装操作，如图12所示为学员端操作界面。该界面下学员可以通过选择工具按照逻辑关系拆装相应的零件。被拆装部件可以通过鼠标点击操作实现半透明效果，这种半透明效果利于学员观察部件的内部结构，了解部件结构原理。学员可以通过工具栏控制工具区的位置，由键盘控制工具的姿态，未选择工具以半透明状态显示，已被选择工具不透明状态显示。拆装过程采用定性匹配关系的方式来处理工具使用的正确与否，不需要三维模型精确匹配位置关系，即选择工具后在对应的零件上点击鼠标就可以实现拆装工作。这种方式可以使学员不必将精力耗费在精确比对模型位置关系上，只是完成使用工具的逻辑正确性上即可，一旦拆装逻辑正确，零件会按照在编辑器中预先设定好的方式运动到特定位置。在学习模式下，可以使用“上一步”和“下一步”实现拆装过程的提示；训练、考核模式下，没有提示内容，学员必须自行完成拆装操作，考核模式下每一个拆装动作都会被记录到数据库，考核结束后，教员端成绩评定模块调用操作记录数据完成成绩评定。

图12 部件拆装界面

3.3.2 柴油机操控面板模拟操作

柴油机的控制由一套操控面板实现，因为涉及到舰艇上的多个系统，从成本和危险性上考虑，无法让每个学员都实操控制面板，特别是一些特殊情况，如飞车等，更是无法在实装舰艇上模拟实现，为了锻炼学员的实操能力，也为了让学员能够具有一定的处理特殊情况的能力，通过虚拟现实实现柴油机操控面板模拟操作，成为培训学员的最佳方式。为了逼真模拟真实操作环境，使用建模工具Creator创建虚拟的操作舱，GL Stuido制作操作面板模块，使用Vega Prime实现视景驱动。教员可以通过教控台对学员进行分组并发布如开关机、特殊情况处置等训练科目，学员端接收到加载训练科目后，软件自动加载训练场景，学员可以通过键盘、鼠标漫游整个机舱，在不同战位操作不同的面板，实现柴油机的控制。如图13所示为柴油机模拟操控面板机舱，机舱内的开关、仪表、指示灯等可控设备都是由GL Studio制作并作为插件插入到Vega Prime中的。学员通过鼠标操作各操作面板上的开关，逻辑解算服务器进行逻辑解算，各种仪表、指示灯、控制电脑以及声效都会与真实机舱保持一致，使学员有身临其境的感觉。在训练过程中，教员端可以根据训练需要设置特殊情况，如飞车、柴油机滑油压力下降等，学员根据发生特殊情况时出现的现象判断特情类型，采取相应的处置手段，完成特殊情况处置训练。

图13 柴油机操控面板机舱

4 结语

该系统不但能够学习部件结构原理、拆装方法，还能够进行柴油机操控面板操作训练，为学员上舰实操提供了有效的训练手段。该套系统使用后，训练基地在短时间内培训出了大量的柴油机维护保障人员，具有可观的经济和军事效益。未来可以根据需要在系统中加入虚拟现实眼镜和数据手套等设备，通过在软件层面增加工具与零件间的精细碰撞检测，使拆装训练更加逼真。

参考文献

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