虚拟现实技术在装备保障教学中的应用

盛沛 陈育良 顾钧元

（海军航空大学 山东烟台 264001）

目前，为了保证可靠性，充分发挥使用效能，部分大型装备在使用前必须对其进行必要的检查和维护，以确认其主要技术参数是否合格，另外，一些装备的出厂验收和定期维修也是依靠地面设备完成的。完成检查和维护任务的地面设备包括地面测试设备及综合保障设备。装备检测技术研究的是在地面测试设备中所应用的检测装备各种参数的一系列技术措施，包括虚拟仪器技术、总线技术、传感器技术、信号处理技术、目标模拟与控制技术等［1］。

电子技术使测量过程的自动化易于实现，特别是大规模集成电路和微型计算机的应用，使电子测量出现了崭新的局面。在测量中可以实现遥控、程控、量程自动切换、自校准、自修复、自动记录、自动处理多种功能［2］。带微处理器的“智能”仪器具有记忆存储、逻辑判断、数学运算和命令识别等特点［3］。此外，还可以利用微机通过标准接口总线连接多台仪器，组成自动测试系统，快速准确地完成大量测试任务。

电子测量技术的一系列优点使它广泛地应用于科学技术的各个领域。装备测试设备也经历了从应用分立元件、集成电路到目前“智能”仪器的技术发展过程，逐步由专用测试设备向集成化的通用测试系统发展。学习和熟练掌握相关测试设备的使用和维护方法是一个单位尽快形成技术保障能力的重要保证。

但是，院校目前还有相当多型装备及配套设备无法配套到位，无法开展相关的装备实操课程，致使学员在校期间不能掌握重点装备，参加工作后无法胜任本职岗位工作。另外，在实际的培训过程中，各型装备的操作过程对场地要求高（防爆、防潮、防火、防静电），辅助设备多（电站、气源、吊车、消防车）；同时，对教员技能和素质要求高，要精通专业，并且学员要按规章操作。频繁的实操训练会造成设备的磨损与消耗，同时，增加装备及设备的维修频率，降低其可靠性。

当前，高科技、高技术含量的新型装备教学训练，是装备保障的主要任务，装备实操培训属于技能培训，需大量投入装备器材供学员操作、拆装、检测、维修。新型装备造价较高且其编配数量多、科技化程度高、结构复杂、训练保障训练工作量大，易造成装备的二次损伤。由于装备系统自动化程度高，结合实装训练局限性大，尤其是部分装备一旦发生误操作危险系数大，受装备数量及装备完好率等因素限制，院校难以在实装基础上开展大量装备实训，目前较为常用的辅助教学演示内容虽能直观展示训练过程但不能有效地与训练任务相结合，没有合适的训练系统、平台，影响到课程的教学和训练。

1 虚拟现实技术介绍

虚拟现实技术作为计算机图形学的创新应用之一，用户可以通过计算机实现虚拟世界的创建和体验，形成一种“人能沉浸其中、超越其上、进出自如、交互作用的多维信息空间”。计算机在完成这些交互作用的同时，可以根据用户的操作给出实时响应并给出评价、考核结果。在诸如医疗业、军工业、建筑业等多个领域，虚拟现实技术已经得到了大力的发展，被评价为一种具有强大综合性的高新信息类技术［4］。

总体来说，虚拟现实技术发展至今可大致经历了4 个发展阶段，即蕴含阶段、萌芽阶段、初步形成阶段及完善应用阶段。最早的记载是1929年，Edward Link设计出用于训练飞行员的模拟器。1972年，Nolan Bushell 开发出第一个交互式虚拟现实技术电子游戏。1987年，Jim Humphries 设计了双目全方位监视器（BOOM）的最早原型。21 世纪以来，虚拟现实技术及相关产业、产品不断发展创新，各种软件开发平台不断涌现，其中，较有代表性的有Open Scene Graph、Multi⁃Gen Vega、Virtools等［5］。

2 虚拟现实技术的优点

总体来说，虚拟现实技术具沉浸性、交互性、多感知性、构想性、自主性5大优点。它允许用户把自己想象成虚拟现实世界的一部分，而虚拟现实技术的沉浸感本质取决于用户的感知系统，当用户感知虚拟世界的刺激，包括触觉、味觉、嗅觉、动体知觉等，将产生思维共鸣，导致心理沉浸，感觉仿佛进入了真实世界。交互性是指用户在模拟环境中操作对象的能力和从环境中获得反馈的自然性。用户进入虚拟空间，相应的技术使用户能够与环境进行交互，当用户做某事时，环境会做出反应。多元感知意味着计算机技术应该具有多种感官，如听觉、触觉、嗅觉等。理想的虚拟现实技术应该具有所有人都具有的感知功能。在虚拟空间中，使用者可以与周围的物体进行交互，拓宽认知范围，创造客观世界不存在的场景或不可能的环境。例如，当受到推力时，物体会向力的方向移动、翻转等。因此，将虚拟现实技术应用于装备训练、装备保障具有以下优点［5］。

2.1 有利于装备尽快形成战斗力

基于虚拟现实技术的保障训练教学系统的研发，可以满足相关单位训练和院校教学，特别适合装备少而训练任务重的院校和单位使用。系统的重复使用性可以提高受训人员的操作熟练程度，大大缩短培训时间，使装备尽快形成战斗力。

2.2 提高训练效益和降低训练费用

系统使装备技术保障培训教材的内容形象直观，使学员更容易理解和接受，提高业务技能和培训效率，也提高了部队保障能力。同时，降低了装备培训对实际装备的损耗，减少场地占用面积，大大降低了培训费用。

2.3 安全训练的重要手段

解决了实装进行培训场地要求高、辅助设备多、通常会造成装备损坏和安全的问题。该系统的应用既不要求防爆、防潮、防火、防静电的操作环境，也不需要专门配套电站、气源、吊车、消防车；既不会因操作和装备原因造成事故损失，又不会受到天气、环境等因素的影响，是保证训练安全的有效手段。

3 虚拟现实技术在装备保障教学中的应用

虚拟现实的关键技术主要包括动态环境建模技术、实时三维图形生成技术、立体显示和传感器技术、应用系统开发工具、系统集成技术。

由于虚拟现实的立体感和真实感，人们可以利用计算机在地图上编制山川地貌、海洋和湖泊的数据，并利用虚拟现实技术，将原来的平面地图转化为立体的地形图，更有利于训练，提高我国的综合国力。常见的虚拟现实技术应用场景如图1 所示，有以下几部分内容。

图1 典型虚拟现实技术应用场景

（1）基础操作教学。根据学校实际需求，更好地让学员通过本系统进行设备科目训练，划分为基础操作教学、工具训练教学、科目训练教学、科目训练考核4个主要的功能模块。根据使用需求，对系统使用人员进行基础操作教学训练，包含3个主要的模块，手柄移动操作、手柄射线选定和手柄交互操作。

（2）科目训练教学模块用于针对性科目训练流程的教学，通过对实际情况模拟出的科目训练教学流程的学习，使学员更清晰地了解该科目所涉及的设备及工具的使用情况。

（3）工具训练教学用于训练工具的使用。

（4）多类工具的使用、掌握多类工具的使用教学。科目训练考核用于建立科目训练流程的考核标准，通过直观的打分系统来体现学员对所学科目流程的熟悉与掌握程度。

4 某装备保障软件开发

专业培训往往要求更高的现实客观条件和一定数量的财政支持，但也要求操作人员具有超高和高度熟练的专业技能和能力。现在，人们可以反复进行因危险程度高、实际操作条件不足、训练难度系数极高等因素造成的限制性或接地性训练，从而加深熟悉程度，降低风险。例如，现在无处不在的飞行员，使用高性能计算机、3D 图形生成器、立体声音和各种传感器来模拟飞机在高空的实际飞行，它被处理、分析和传输到每个系统，生成一个实时的虚拟环境。此外，除了飞行模拟之外，虚拟现实也逐渐应用于外科手术、装备操作等高度专业化的领域。在线制导系统设置在虚拟现实线索引导、提示消息等功能。对于那些不熟悉虚拟环境或设备、知识储备有限的学生，如果他们自己难以完成任务，可以通过提示帮助他们成功完成任务，避免过早或过早地打击他们的学习热情。例如，在学习地质学中了解岩石成分的任务时，可以设置在界面上的“帮助”功能，当难以识别情况时，学生可以点击“帮助”，界面上会显示少量的关键词或主题词，以提示和帮助学生更好地理解，使学生能够不断地进行识别和区分，提高自己的知识水平。基于以上分析，结合某航空导弹装备保障教学使用实际，开发出教学训练软件。软件分为系统操作模块和教学训练模块［6］。

如图2所示，在系统操作模块中，使用者在主界面可进行VR 操作示例演示、场景属性调节、科目选择等操作。在科目选择后进入教学训练子菜单。教学与训练模式的区别是是否带有操作提示。

图2 系统操作模块

如图3所示，在教学训练模块中，系统根据操作者在科目操作选择模块中所选择的场景模块种类切换至相应界面。

图3 教学训练模块

（1）当选择装备介绍场景后，将切换至装备介绍模块。在该模块中所有虚拟装备、设备、场景均以静态模式显示。使用者可利用手柄进行全场全景漫游，当漫游至某物品面前，可以点击手柄弹出该物品的说明提示。

（2）当选择教学场景后，将切换至教学模块。在该模块中，使用者根据实际操作流程进行装备使用操作。利用手柄的漫游和动作键，可实现全场景的漫游及物品的抓、放、移等操作。在每一步操作后，系统以高亮显示下一步需要操作的物体或移动位置，并在适当位置提示该步操作要领。在所有操作完毕后，系统自动给出整个操作使用流程的综合评价，以表格的形式给出每一步的得分细节，帮助使用者改进操作技能。

（3）当选择训练场景后，将切换至训练考核模块。在该模块中，装备操作流程与教学场景一致但相应的说明提示被隐藏。可以看出，该软件将复杂的实装操作步骤分解成相对简单的单项动作。结合虚拟现实技术，将使用者带入一种身临其境的感官体验当中。一方面，激发了学习者的学习热情，使其对枯燥的操作练习产生浓厚的学习兴趣；另一方面，将每一个动作的重要性以分值的形式展现出来，使学习者在不知不觉中掌握了装备操作的动作要领。因此说，该套教学训练软件不仅能达到实装训练的使用效果，更能帮助使用者达到教学、考评、演示等更多功能。

5 结语

以习近平主席关于国防和军队建设重要论述为指导，根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》以及《教育部办公厅关于批准清华大学数字化制造系统虚拟仿真实验教学中心等100个国家级虚拟仿真实验教学中心的通知》，依托虚拟现实技术、三维成像技术、交互仿真技术，采用虚拟现实替代复杂实物，取代使用成本较高的操作实训。依据以上指导思想，设计并建设的《某型装备训练系统技术准备软件设计方案》，实现了逼真的装备测试专业设备操作，所提取的关于装备、设备和工具的模型，融入测试专业实操内容和流程，用于提高学员的实操能力和组训能力，解决了训练内容、时间和装备数量之间的诸多矛盾，转变了传统教学培养模式，降低了实装的损耗，丰富了教学内容，扩展了教学资源，提高了训练效率和教学质量。