基于IETM的武器装备虚拟维修训练系统设计

雷震1，李庆全2，何嘉武1

（1.装甲兵工程学院科研部，北京100072；2.装甲兵工程学院技术保障工程系，北京100072）

摘要：为了解决部队当前武器装备训练中出现的一些问题，提出一种基于IETM的武器装备虚拟维修训练系统设计方案，通过引入可共享内容对象模型、交互式三维渲染引擎、基于插件的功能模块集成、基于物元分析的训练效果评估等技术，将IETM、虚拟维修和知识管理融为一体用于武器装备训练。实践结果表明，该方案对于促进IETM在装备维修训练领域的应用，提升我军装备的综合保障能力具有积极的参考价值。

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关键词 ：交互式电子技术手册；武器装备；虚拟训练；装备维修

中图分类号：TN702?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）16?0138?03

收稿日期：2015?03?08

基金项目：军内科研项目：IETM编辑系统立项综合论证

当前，我军大型复杂高技术装备研制与部署进程加快，装备保障任务加重、难度增大，传统纸介质技术资料体积与重量大、交付与更新及时性差、使用效率低下等弊端日益凸显，已远远不能满足部队装备保障和人员训练的需要，成为制约装备保障能力和作战能力生成的瓶颈。在这种背景下，交互式电子技术手册[1?2]（IETM）应运而生。IETM 是以数字形式存储，采用文字、图形、表格、音频和视频等形式，以人机交互方式提供装备基本原理、使用操作和维修等内容的电子技术文件，是一项重要的装备保障信息化技术手段。作为一项重要的装备保障信息化技术，IETM具有数据格式标准、功能应用多样、用户界面友好、使用效益显著等特点，在辅助维修、辅助训练和辅助技术资料管理方面表现出了巨大的优越性。国外对此进行了大量研究，并在开发的维修训练系统中进行了应用，为训练者提供了多种训练模式。根据美国国防部20世纪90年代中期的统计数据，对于大型武器系统的技术培训，IETM 能够减少33%的必修课程和28%的训练时间，降低参训者知识遗忘率能够达到75%。考虑到虚拟环维修[3]训练是一种有效途径，本文研究了虚拟维修技术在IETM中的应用，维修训练人员可以在逼真的环境中模拟执行复杂的维修训练任务，从而有效提高训练效果，降低训练成本，缩短训练周期。另外，装备维修训练知识多属于业务人员在实践中积累的经验性知识，虽然有些业务知识经过显性化形成各种法规制度、条令条例、文件、手册等，但是更多的业务知识是隐形知识，存在于业务人员、相关专家的头脑中，存在于具体的业务过程中。同时，军队人员的流动性强，大量的个人经验、体会等知识没能有效传递，造成众多宝贵的知识资源流失。因此，有必要对装备维修训练业务知识进行有效的管理，在适当的时候，提供给需要的人，实现业务知识的交流与共享。基于以上考虑，本文将IETM技术结合虚拟维修和知识管理[4?5]技术，提出一种基于IETM的武器装备虚拟维修训练系统框架。

1 系统架构

该系统能够实现以下辅助维修训练功能：

（1）能按照装备层次结构描述装备的结构及技术原理；

（2）按照维修规程指导维修训练作业过程；

（3）能按照装备维修训练大纲与要求，制定课程培训计划；

（4）实施交互式维修训练或远程维修训练；

（5）跟踪学员的学习情况进行在线交流；

（6）实时地进行维修训练总结与考核评估等；

（7）与支持SCORM 标准的外部装备训练系统互联、互操作。

该系统的框架结构如图1所示。

具体而言，包括以下模块：

1.1 维修训练模块

可采用多种模式开展维修训练，比如系统示范观摩、自主体验练习、交互式训练等；还可提供维修对象展示、进行典型故障设置、训练内容和策略调整，帮助不同水平的参训者更好地学习。

1.2 考核评估模块

该模块根据知识管理模块中保存的系列典型故障维修操作流程链表，实现对整个维修训练过程的操作轨迹记录、识别、匹配、计时、记录回放等，给出考核成绩和指导建议。

1.3 虚拟仿真模块

在确定装备总体后，通过3D 创作工具（如Cult3D，Virtools，X3D，VRML等）建立装备3D数字模型，并根据分级式树状图层结构方式进行装配约束。本系统采用三维渲染引擎OGRE 作为图形渲染引擎。OGRE 是以C++语言开发的面相场景的、功能强大、使用灵活的三维图形引擎，对底层Direct3D和OpenG系统库的渲染函数进行了封装，提供了更高层的基于现实世界对象的接口类。在S1000D中，3D模型与音频、视频、动画一起作为多媒体元素对象，可以像插图和表格一样插入数据模块，使得3D仿真与IETM进行无缝集成。多媒体元素的定义如表1所示。

1.4 远程支援模块

当在维修训练现场遇到无法解决的难题或在执行实际维修任务时遇到现场技术人员能力范围之外的故障时，可以通过本系统的远程支援模块，以在线讨论、远程视频会议等方式向远处的业内专家请求技术支援，专家可以根据传输过来的现场故障视频或图像及时给出建议，指导参训者完成维修或训练任务，大大节省训练费用。

1.5 系统管理模块

系统管理作为虚拟维修训练系统的管理者，可进行系统初始数据准备、环境设置、角色编辑、设置控制方式、接口管理、交互信息管理、系统安全管理等操作。

1.6 知识管理模块

知识管理模块具有对知识库的规则进行增删改、编辑、推理、解释、检索浏览等功能，比如对维修过程中产生的维修级别、维修类型、故障特征、故障现象、维修策略等各种数据进行存储。通过对装备维修训练业务知识资源进行系统、有组织的管理，实现知识的共享、创新和增值，促进装备维修训练业务知识的获取、共享、创新与应用。

2 关键技术及实现

2.1 可共享内容对象模型

可共享内容对象模型[6]（SCORM）是当前数字化培训的国际标准，其目的是建立一套教材重复使用与共享机制，使学习者无论在何时何地，均可及时获取所需的高品质学习资源，从而使训练费用大大降低。S1000D[6]和SCORM 的整合是技术发展的必然趋势，ASD 和ADL（高级分布式学习组织）曾签署一份备忘录，承诺在S1000D 的后续版本中，充分考虑SCORM 的需求，是S1000D 4.0 版本中就新增了SCORM 内容包模块等内容。

2.2 交互式三维渲染引擎

虚拟仿真模块采用交互式3D 仿真技术，不但直观逼真、而且使用户能够通过鼠标和键盘操作与模型进行交互，提供任意视角交互观察装备的能力，充分利用热区、提示等信息为用户提供岗位维修训练的能力，在传达物体的基本结构和空间信息方面具有优越性。根据S1000D 标准规定，3D 模型可以与音频、视频等一起作为多媒体对象，如技术插图一样插入数据模块中，生成S1000D 规范图形，从而与IETM 进行标准化集成，显著增强了IETM 的维修支持和培训功能，有利于技术人员快速获取和理解技术信息。

2.3 基于插件的功能模块集成

本系统功能模块基于插件技术进行集成。所谓插件是指遵循一定规范的应用程序接口设计且定义良好的软件模块，只能运行在程序规定的系统平台下，而不能脱离指定的平台单独运行，在系统中协同完成复杂任务，具有良好的开放性、可定制性、可重用性以及扩展性。通过与存储在知识管理模块中的维修训练案例、机理分析、数据调用等进行信息流的传递，完成相关训练任务。

2.4 基于物元分析的训练效果评估

本系统采用物元分析法[7?8]进行训练效果的评估，其基本原理是将评估对象视为一个物元，根据各个特征（指标）的特性确立每个特征的理想状态，从而生成理想方案。通过比较各方案与理想方案之间的关联系数，得出各方案与理想方案之间的关联度，利用关联度排序即可对各个方案进行排序。

3 结语

本文对基于IETM的武器装备虚拟维修训练系统的各功能模块组成和关键技术进行了阐述，能够为部队装备训练提供借鉴。将IETM 技术结合虚拟维修、知识管理等技术用于装备训练，具有训练环境逼真、成本低、可扩展性强、交互性和互操作性好、标准统一等优势。实践结果表明，该方案具有较好的推广应用价值。

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参考文献

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[2] 徐宗昌，谢振东，胡梁勇，等.创作平台技术在装备维修信息化中的应用及建议[J].制造业自动化，2008，30（12）：9?13.

[3] 何嘉武，赖煜坤.武器装备虚拟维修训练系统设计与实现[J].科技导报，2010，28（24）：71?74.

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作者简介：雷震（1976—），男，博士。主要研究方向为装备IETM、虚拟维修等。