某型火箭布雷车虚拟维修训练系统的设计

何 俊， 公丕平， 申金星

（1.陆军工程大学训练基地， 江苏 徐州 221000； 2.陆军工程大学野战工程学院， 江苏 南京 210007）

引言

某型火箭布雷车是我军工程兵的一种主要布雷装备，为我军机动灵活地运用战备战术、充分发扬战场火力提供了保证。该装备机械化、自动化程度高，在大幅度增强作战性能的同时，也对使用维修人员提出了更高的要求。使用维护保养人员必须经过严格训练，熟悉装备性能，掌握操作要领以后才可以进行操作与维修。但该装备造价高昂、列装数量少，受到训练场地与配套设施等条件的限制，部队难以进行充分训练。在未来高技术战争背景下，工程兵部队承担着重要的任务使命，新装备战斗力的尽快形成与保持成为当前军事训练的一项重要课题，尤其是新型布雷装备作战效能的发挥成为工程兵部队战备训练任务的重中之重。因此，研制一种经济、安全、高效的布雷车维修训练系统成为了当务之急。

1 虚拟维修训练系统主要功能

火箭布雷车具有电、气、液等多种传动方式，操纵部件众多、操作流程复杂。为全面、准确地模拟火箭布雷车维修训练科目，必须合理规划维修训练系统的整体布局，对整体结构进行顶层设计，以明确技术路线，降低开发成本与开发难度。

为适应基层部队实际维修应用需求，系统设计力求操作便捷、易于使用、设置灵活、交互性强、资源紧凑。软件平台基于Unity3D 虚拟现实引擎开关，按操作场景划分功能模块。虚拟维修训练系统主要模块包括装备概述、结构组成、液压回路、电控系统、整体拆装、维修训练、部件维修、效果评估和数据支持等基本功能模块，其基本模块组成架构如图1 所示。

1.1 装备展示功能模块

装备展示功能模块是以三维场景方式，直观展示整套火箭布雷车的战技术性性能、总体结构、解剖结构、总成细部、液压系统、电控系统和其他系统，以及火箭布雷车的常见故障与维修保养情况的整体性描述，演示上述各组成的基本运行原理与工作状态，为受训人员提供一个装备的整体性概念，实现维修教学训练中对装备结构的认知性需求和整体概念的建立。

1.2 结构组成功能模块

结构组成场景模块通过结构树面板和展示面板结合呈现火箭布雷车的具体结构组成，受训人员的观察视角动态可调，实现视角的旋转、绽放和平移等三种灵活操作。装备的结构树面板与火箭布雷车的结构组成单元互相对应。系统能够以透明/半透明模式显示可视系统结构，极大地方便用户观察学习布雷车内部的各个组成部分的结构、原理与技术特点，为装备拆解、维修调试和故障排除提供坚实的基础。

1.3 液压回路功能模块

该场景模块采用三维液压元件回路与二维液压系统原理回路同步协同播放，全视角多维度展示火箭布雷车液压系统的工作原理、结构组成与故障特性。其中油路工作原理采用动态网络生成实现，场景中摄像机动画组件的应用实现了对液压构件与回路的任意角度观察。

1.4 电控系统功能模块

电控系统功能模块的设计思路与液压回路功能模块类似，同样采用三维与二维协同演示的方式实现电控系统组成结构、工作原理、故障特性的教学展示。电控系统的主要元器件根据实际元件建模，可透明化显示元件外形及内部构造，也可以隐藏电路外部元件，利用三维彩色进度条突出电控系统回路信息流和能量流传送的工作状态。

1.5 整体拆装功能模块

该场景功能模块用于进行布雷车组成元件的结构拆装，培训学员的结构拆卸、组装、调试与整车装配技术。该功能模块的实现应用了Mecannim 动画技术，将每个拆装步骤的动画保存于各个动画层中，在拆装过程中选取某一部件时，利用界面提供的工具可以对部件的组成元件进行拆卸和装配操作。

1.6 维修训练功能模块

维修训练功能模块主要用于受训人员进行装备的故障检测、排除与虚拟维修训练。根据训练科目选择训练内容，训练内容提供了常见故障现象和故障检测选项。根据出现的模拟故障进行故障的检测与维修训练，可模拟作业过程中的故障状态，引导用户进行识别与维修。维修训练功能模块也提供了维修训练效果的模拟检验功能，当维修训练步骤结束后，通过装备模拟训练的回放操作，可检验维修训练效果。

1.7 部件维修功能模块

该模块主要对火箭布雷车的装填机液压系统和千斤顶液压系统中的主要元器件进行维修训练，支持自学模式和向导模式两种训练模式。用户可灵活选择多路阀、液压泵等元件进行故障检测、分解拆装、故障调试与维修训练。在向导模式下，用户可选择液压元件，系统自动进行液压系统的工作原理、结构组成和故障维修与排除的指导演示，供其学习布雷车的结构组成原理与故障维修方法。

1.8 效果评估功能模块

该模块根据系统记录的参训人员信息，如用户名、训练科目、训练日期、分数区间等数据，利用维修训练效果评估模型，计算和评估受训者的操作和维修训练效果，给出对受训者各个训练课目的训练效果的科学评价，所得结果既可作为评测成绩，也可作为衡量受训者提高训练水平的参考依据。

1.9 数据支持功能模块

该模块由装备结构三维模型库、装备基础信息数据库、装备操作与维修过程数据库、训练结果数据库以及相应的管理系统组成。在维修训练系统初始化时，这些数据库可为系统提供结构模型、行为模型、考核模型和维修排除与调试过程模型等。在训练过程中，这些数据库可为受训者操作与维修训练提供相应的数据支撑，动态记录操作与维修训练过程中的数据等。

2 维修训练软件结构组成

维修训练软件结构由两部分组成，即作为人机接口界面的系统主操作面板和后台功能模块集成架构，如图2 所示。

图2 虚拟维修训练系统功能结构示意图

其中，系统主界面包括训练模式、考核模式、教学模式、进度加载和系统配置五个模块。训练模式模块主要进行火箭布雷车维修仿真训练，包括装备驾驶、装填弹、操炮、发射、撤收、故障检测、装备拆解、装配与维修调试等训练科目。考核模式模块用于检验训练效果、实施相关科目考核等。教学模式模块分为三部分内容，即理论学习、理论考试和考试成绩查询。进度加载模块根据在训练过程中临时存档的记录进行读档操作，读档后可继续上次存档数据进行训练，并且场景、训练步骤、训练分数保持不变。系统配置模块用于设置训练考核过程的声效、画质、地理条件等参数，如定制系统声音打开或关闭、配置水域效果为高级还是低级、植被效果的起伏特征等。

功能模块集成架构主要包括结构展示模型模块、作业环境模型模块、作业过程模型模块和人机接口模型（HMI）模块。其中结构展示模型又分为装备零部件结构模型和部件操作行为模型。装备零部件结构模型包括火箭布雷车整机、发射装置、装填装置、控制系统等的零部件结构模型，而部件操作行为模型主要包括布雷车发射前准备行为、自动操炮操作行为、半自动操炮操作行为和装定发火操作行为、发射后操作行为的过程模型。作业环境模型模块主要包括布雷车作业水文、气象条件和地域环境条件等模型。作业过程模型模块主要包括布雷车作业过程中的操作模型和装备维修模型。作业过程操作模型是对装备操作过程中的各种行为，如调炮、火箭弹装填、布雷弹装定/发火等的描述，装备维修模型是对布雷车整机及各个系统故障的检测、诊断、调试与排除等行为的描述。人机接口模型模块主要用来采集操作信息及进行命令转换，实现维修训练的交互式执行。功能模块集成架构的模型关系如图3 所示。

图3 系统各模型之间的关系

人机接口模型将受训者操作动作映射为显示屏幕的定位信息，同时将指令传送至布雷车结构展示模型单元驱使其动作；结构展示模型向作业过程模型发出操作请求，根据布雷车操作规则，作业过程模型向结构展示模型发送装备响应使能信息，同时，将操作提示信息上传至人机接口模型，向受训人员提供操作提示与帮助信息。在虚拟维修训练过程中，作业环境模型提供布雷车发射、撤收、行驶等相关信息。

3 系统的开发与实现

3.1 训练流程的设计

训练流程采用系统集成的方法实现，融故障现象、检测流程、诊断步骤和维修方法于一体。图4 所示为训练流程示意图。受训人员进入操作主界面后，系统自动给出默认流程及可选项，提示受训人员装备使用前检查步骤。当用户开始训练后，主界面左侧会弹出故障树面板，主显示区域右侧弹出故障现象信息窗体。随后采用动态可视化方式引导受训者检测布雷车的故障。而自主故障维修则需要受训者自行查找故障。系统可以实时判定受训者故障排除步骤、方法的完备性。

图4 布雷车维修训练执行流程设计

3.2 虚拟训练模式的实现

训练模式可针对火箭布雷车驾驶、通讯联系、装填弹、直接瞄准、半直接瞄准、发射、撤收等科目进行全过程、全要素逼真训练，是虚拟仿真训练系统的核心功能。

训练科目需在数据库中绑定数据列表并指定唯一的标示ID，并设置相关预览图片。根据操作要求设计内部训练规则，明确操作步骤之间的逻辑关系，作为考核评估的依据，并在界面中实时显示科目名称、规则列表、训练分数、任务倒计时、任务进度条以及错误提示等信息。

为实现逼真的训练效果，训练模式下仿真软件帧率在30 帧以上，仿真机与监控机画面实时同步，虚拟作战地域场景范围不小于1 km2，操作响应时间不超过300 ms。

3.2.1 布雷车驾驶训练

在训练模式界面选择布雷车驾驶科目，首先设置训练昼夜、晴天、雨天、雾天等作业环境（下页图5）而后开始布雷车驾驶训练，如图5 所示，操作界面实时显示车辆挡位、方向盘、点火、油门、离合、脚刹、手刹的工作状态。受训人员可依照界面左上角的操作提示步骤，操纵驾驶席方向盘、离合器、油门、刹车、换挡机构等模拟部件，完成虚拟布雷车的起步、换挡、加速等驾驶操作，并根据地形情况和标定地段完成转向、制动和停车。基于实车操作中的逻辑次序，各步操作应严格按照操作顺序进行，每完成一个步骤，相应的提示信息将高亮显示。

图5 布雷车驾驶行驶科目界面

3.2.2 间接瞄准训练

火箭布雷车实施间接瞄准之前要对炮车赋予基准射向，模拟训练器可实现瞄准点法、双标杆法和标定器法等典型赋予射向方法的针对性训练。

图6 为瞄准点法操作界面，通过瞄准镜视角可观察射击地域的瞄准参考点以及射击目标，操瞄席全景视角可观察光学瞄准装置设置的方向角、高低角、炮目高低角等射击诸元。按照操作提示步骤，在驾驶席位依次打开面板电源总开关、启动底盘车、第一取力器、操作手油门，而后在瞄准席位启动高低扩大电机、启动瞄准席方向扩大电机、赋予射击诸元，实施间接瞄准与射击。每个操作步骤完成后，其提示信息将高亮显示并给出训练分数。

4 结语

基于虚拟现实技术开发的火箭布雷车虚拟维修训练系统解决了部队和院校因场地、经费和安全性所导致的维修训练难题，为实施火箭布雷车训练与教学提供了一种贴近实战的模拟训练系统，并可实现操作与维修训练的量化考核与评估，实现了布雷装备的全过程、全要素模拟训练。该系统可被广泛地应用于工程兵部队、院校的教学、训练与考核，模拟实装操作方法、步骤及故障排除与维修保养过程，可缩短训练时间，节约训练经费，提高战备完好率，提升布雷班组操作训练水平，解决布雷车列装部队后训练水平低、训练手段落后以及实装实弹训练难度大、危险性高、耗费严重的现实问题，特别是原来野战条件下无法开展的训练科目也可在模拟训练器中反复练习，对于提高装备训练水平有着重要的现实意义。

图6 布雷车间接瞄准训练场景