王 宇，周建釗

（陸軍工程大學 野戰(zhàn)工程學院，江蘇 南京 210000）

0 引言

柴油機技術含量高、結構復雜，在實施結構、原理及維修保養(yǎng)實機教學培訓時，培訓難度大、成本高，滿足不了裝備使用管理維護人員培訓的需求，師生普遍感到學習柴油機的結構、原理、維護保養(yǎng)知識和操作技能時既費時又費力，因此，選擇一款優(yōu)秀的程序開發(fā)工具，設計了一套虛擬訓練系統，利用系統模擬與訓練的功能提升教學訓練水平和操作效率。Delphi是一款簡單、易學的快速應用程序開發(fā)工具，是以面向對象程序設計的一款功能強大的可視化編程軟件，其編譯器采用選擇鏈接和條件編譯技術，直接編譯生成可執(zhí)行代碼，開發(fā)人員可快速建立項目框架[1]，結合3ds max進行三維建模，以及Eon Studio交互邏輯設計，應用Delphi程序開發(fā)工具設計虛擬訓練系統，具備開發(fā)周期短、效率高，并能對虛擬訓練系統應用給予強大支持的優(yōu)勢。

1 虛擬訓練系統方案設計

為使受訓人員熟練掌握柴油機的結構性能、工作原理、保養(yǎng)規(guī)程、故障診斷與排除方法等內容，以進行柴油機相關培訓的人員應當掌握的基本理論和實際操作為出發(fā)點，柴油機虛擬訓練系統應包含如下內容：

（1）結構組成觀測。用戶通過點擊結構組成選框按鈕，即進入該子模塊?？梢粤私飧鹘M成機構零部件的名稱、結構、功用、連接關系、配合方式等內容，例如：缸體總成、配氣機構、曲軸連桿機構、進排氣系統、燃油系統、潤滑系統、冷卻系統、電氣系統等，操作鼠標和鍵盤以一定的路徑和視角觀察柴油機的外部形態(tài)和內部結構，選取柴油機主要部件作為觀測對象，可以透視、剖分等多種方式進行觀測，在觀測過程中可選擇主要部件中的具體零部件，觀測同時伴隨語音介紹和文字說明。

（2）工作原理演示。受訓者操作虛擬環(huán)境中柴油機的啟動，觀察其工作演示；也可通過操作變換視角切換至柴油機各個組成部分（曲軸連桿機構、配氣機構、燃料系、潤滑系、冷卻系、起動系、點火系），實現其原理演示。采用透視和剖分等效果，將操作和零部件動作緊密聯系在一起，讓受訓者對零部件內部工作過程有一個更直觀形象的理解。

（3）拆裝訓練。通過拆卸與裝配操作，熟練掌握重要零部件的組成結構和特點以及拆卸裝配順序和注意事項，通過反復訓練提高操作者維修效率。

（4）保養(yǎng)訓練。根據柴油機保養(yǎng)訓練的科目及特點，設置保養(yǎng)內容，并進行細化，保證保養(yǎng)內容較全面完整，受訓人員可以有的放矢，根據需要進行有針對性的保障訓練。在虛擬訓練過程中，提供準確的保養(yǎng)工具和設備，設計了檢查、調整、更換、緊固、清洗等操作，在操作的同時，配合文字介紹和語音講解，對工具選擇、工藝流程、要求方法、保養(yǎng)重點和難點進行介紹。

（5）維修訓練。在故障數據目錄中調用柴油機常見典型故障，在虛擬環(huán)境下運用聲音、圖像、儀表指示、操作失敗等方式提示用戶柴油機組成部分出現故障，針對相應的故障現象，選擇正確的故障診斷方法并進行排除，在維修訓練系統中選擇故障排除模塊，根據提示選擇需要的工具進行維修操作，通過反復訓練，使操作者熟練掌握故障排除方法。

（6）考核。根據訓練考核要求，構建考核場景，可實時對受訓人員的操作進行跟蹤監(jiān)測，理論部分進行隨堂測試，給出最終成績和全部訓練過程信息，以便檢驗受訓人員的訓練質量。

以各模塊功能為區(qū)分，結構組成觀測和工作原理演示為漫游展示，保養(yǎng)訓練、拆裝訓練、維修訓練及實操考核為交互訓練，隨堂測試為理論考核。各訓練模塊相互銜接，且互不干擾，即可連續(xù)進行，也可獨立完成區(qū)分主面板和子模塊，在主界面中點擊按鈕進入子模塊，子模塊中區(qū)分內容，分別完成規(guī)定功能，如圖1所示。具體達成以下功能。

圖1 訓練科目模塊化體系構建

2 模塊功能設計實現

首先柴油機虛擬訓練系統應當實現對各項視頻、文字資源的整合，保存進相應項目文件。對柴油機利用3ds max制作仿真模型，并導入Eon Studio制作交互工程文件，再通過Delphi的程序應用實現柴油機的使用、維護、保養(yǎng)、考核的交互操作模擬和訓練的系統功能。

利用Delphi完成規(guī)定的功能實現，我們采取先制作子模塊，后由主界面完成統一連接的方式。打開Delphi軟件設計界面，首先規(guī)劃好窗體布局，區(qū)分好各個子模塊的內容區(qū)域，使用戶可以通過視頻、圖片、文字來了解各子模塊名稱及內容[2]，如圖2所示。

2.1 漫游展示功能實現

圖2 子模塊界面設計

虛擬訓練環(huán)境要求提供有關對象、場景、維修工具等的真實描述。通過生成一個大的虛擬空間，給其它虛擬對象提供了漫游場景。為了給虛擬對象在虛擬場景中精確定位，使受訓人員能夠操作維修工具執(zhí)行特定的維修動作，需要給虛擬維修環(huán)境指定一個絕對坐標系。

通過定義絕對坐標系，實現虛擬維修場景中的對象定位功能，包括零件（工具）的選擇、抓取、放置等動作的定位，為零件的空間移動與旋轉提供參考坐標，為實現對象的交互控制提供支持。這個坐標系的指定方法有2種：（1）在場景建模的過程中，利用建模工具來指定對象的坐標中心，當對象導入EON后，在Scene（場景）節(jié)點下添加3DPointerA節(jié)點實現；（2）導入場景后，通過在場景節(jié)點中添加DOF（degree of freedom）節(jié)點，修改DOF節(jié)點的初始位置，按照系統需求進行手動調整與設置。

在指定了場景坐標系之后，還需要實現場景的三維觀察，即視點隨受訓者移動或經受訓者控制，視景實時刷新并動態(tài)連續(xù)顯示，根據受訓者在虛擬維修環(huán)境中定義的視點位置和視線方向，控制環(huán)境中的顯示內容。

2.2 交互功能實現

柴油機虛擬維修訓練系統的基本交互任務可分為：對象選擇、對象操縱以及系統控制。對象選擇是指為實現操作任務而在虛擬維修環(huán)境中選擇一個或一組零件；對象操縱是指改變被選擇物體的位置、方向等屬性的任務；系統控制是指為完成虛擬訓練場景內特定任務而向系統發(fā)出的指令，如重新開始某項操作或者返回到某一特定狀態(tài)等。

根據操作控制器的輸入信息和指令，改變虛擬環(huán)境中的各種對象的狀態(tài)，如裝備實體模型的位置、大小、連接關系等，實現訓練過程的高度交互控制。交互控制主要包括2個大方面，即裝備零部件的拾取和裝配體復位。

（1）裝備零部件的拾取

虛擬環(huán)境下零部件的操作可分為抓取、移動和安放3個動作?；谑叭∷惴?，在虛擬環(huán)境下進行實時零部件操作時，系統通過獲取控制器光標的位置數據/指令，去驅動所拾取的元件的坐標，實現元件的位置隨控制器光標位置改變而變化。

（2）裝配體的復位

采用裝配體強制復位算法，實時激活裝配體復位節(jié)點，在受訓者虛擬訓練過程中，可以根據需要重新開始某一模塊的訓練。

在Delphi中調用交互功能，可以利用TControl類定義可視化組件，在控件面板中引入ActiveX控件中加入EONX控件，實現數據傳遞[3]。為方便快捷選取項目，添加TreeView控件建立目錄樹，在各個節(jié)點（TreeNode）中編排每個內容的子項，點擊節(jié)點則在源代碼中對應TreeView.Item[*].Selected=true，未點擊節(jié)點則為false。保存全部工程生成*.dpr工程文件，*.pas源代碼文件，*.dcu單元文件。

2.3 理論考核功能實現

在Delphi中開發(fā)理論考核功能，數據庫使用ACCESS，試題內容和試題答案的編輯使用TXText Control（ActiveX）控件來實現。將柴油機各組成部分及零件的基本信息，拆裝、維修等基本內容的操作規(guī)范及注意事項，制作成試題，保存時將試題內容和試題答案分別保存為Word格式，然后將Word文檔保存到數據庫。Delphi連接數據庫使用ADOConnection組件，在試題窗體的edit框，顯示提示已經設定的考核時間及試題數量。受訓者通過點擊所要進行的試題的按鈕，進行考核，結束后計算受訓者最后得分并顯示正確答案，形成訓練效果的評價考核。

2.4 主界面設計

主界面是該系統中最重要的界面，為了使界面簡明、美觀，系統中運用了Pagecontrol控件，該控件的功能是可以在一個窗體中添加多個頁面，從而減少窗體的數量，達到了美化系統界面的目標，并且提高了系統運行的效率。作為一款工具類軟件，主界面的設計應當直觀形象，采用了中規(guī)中矩的區(qū)域劃分形式，主要為左右結構，左側為菜單欄，設置按鈕并負責連接各子模塊，如圖3所示。

在窗體中合理設置子模塊的入口，然后在控件面板中安裝子模塊的.pas文件，即可實現點擊進入子模塊功能，如圖4所示。

3 系統測試

為了驗證系統交互設計的合理性和可用性，運行系統，進行了兼容性運行檢測，程序運行流暢，依次點擊各模塊，檢查是否能夠順利進入，并對設計的功能進行操作使用，測試是否符合設計要求。圖5所示為通過鼠標鍵盤操作改變結構視角，檢驗多視角漫游觀測功能；圖6為選擇科目按提示進行操作，測試交互功能是否正常；圖7為進入理論考核模塊，測試考核功能、信息提示及成績評價功能是否正常。

若虛擬維修訓練系統無異常退出情況，渲染性能符合使用要求，未出現異常，所有功能皆可以順利使用，則表明系統完成。

圖3 系統主界面

圖4 安裝子模塊組件

圖5 視角漫游功能

圖6 拆裝交互功能

圖7 理論考核功能

4 結論

利用Delphi編程軟件為基礎，以柴油發(fā)動機為研究對象，開發(fā)面向以維修訓練為目的的虛擬訓練系統，此系統屬于基于PC的交互式模擬虛擬訓練系統，成本低，使用方便，便于推廣。通過試用，能夠完成工作原理展示、視角觀測、拆裝訓練、保養(yǎng)訓練、維修訓練、訓練考核等設計的操作訓練，用戶體驗直觀便利，較好解決該型裝備在實際訓練中存在的難題，具有提高訓練效率和水平，減輕裝備使用和維護壓力的良好效果。