智能工程機械仿真訓練系統(tǒng)軟件設(shè)計
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摘要：本文就該模擬訓練系統(tǒng)的核心——軟件部分作出詳細介紹，并說明了主要技術(shù)和實現(xiàn)過程，對軟件中的訓練平臺策劃、角色場景美工、程序開發(fā)重點、智能主動式仿真訓練教程開發(fā)等重點環(huán)節(jié)作了重點說明。
1總體介紹
智能工程機械仿真訓練系統(tǒng)的主體及專家?guī)炀捎肅#語言開發(fā)，基于MONO，兼容微軟.netframework。軟件界面及流程部分基于Unity引擎開發(fā)，支持各種主流設(shè)備，包括PC、MAC等。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫支持本地數(shù)據(jù)庫SqlLite以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫SQLServer；系統(tǒng)主要開發(fā)工具為MicrosoftVisualStudio2016，輔以3DSMax和.net網(wǎng)絡(luò)庫進行三維模型及場景構(gòu)建和導出與網(wǎng)絡(luò)實時通訊的開發(fā)。對于多種不同的工程機械設(shè)備，基于面向?qū)ο蟮姆椒ㄩ_發(fā)統(tǒng)一的代碼基礎(chǔ)類庫，以方便代碼的重用，接口的統(tǒng)一，和功能的一致化升級。通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，抽象各設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)以在同一共享場景下進行各設(shè)備的協(xié)同化工作。本項目采用的技術(shù)復雜，跨越多個領(lǐng)域，涉及機械、機電一體化、多服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、多平臺協(xié)調(diào)，而且具有軟件種類繁多、硬件環(huán)境復雜等特點，因此在項目實施時，必須分步實施。智能工程機械仿真訓練系統(tǒng)采用模塊化方法進行研發(fā)，模塊組成包括：視景仿真平臺、實時仿真、人機交互、視景特效技術(shù)、硬件控制和顯示系統(tǒng)等。整個系統(tǒng)內(nèi)部以“視景仿真平臺”為核心，連接外部“硬件接口單元”。“視景仿真平臺”通過視景特效技術(shù)，可以實現(xiàn)實時仿真（包括運動仿真、碰撞檢測、視角控制、音效仿真等功能）和人機交互（包括人員管理、培訓考核、系統(tǒng)組態(tài)配置、成績管理等功能）。“硬件接口單元”則可以將全實物的駕駛室、多屏顯示器、油門、操作桿等操作硬件連接起來，為“視景仿真平臺”提供傳感器輸入及對外執(zhí)行機構(gòu)。
2主要技術(shù)說明
通過在智能工程機械仿真訓練軟件系統(tǒng)中建立工程機械仿真訓練信息大數(shù)據(jù)，進而建立工程機械仿真訓練智能專家?guī)?。此外，通過運用大數(shù)據(jù)的強大數(shù)據(jù)處理能力，發(fā)現(xiàn)各種工程機械仿真訓練相關(guān)規(guī)律與信息，并將這些規(guī)律引入到專家?guī)欤賹⒅悄軐＜規(guī)煊糜诠こ虣C械仿真訓練中，從而實現(xiàn)主動引導式訓練，帶來高效的訓練效果。（1）通過大數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)學員學習情緒和效率的變化規(guī)律，建立專家?guī)煲?guī)則，并構(gòu)建使學員感興趣的教學情景，以穩(wěn)定學員學習情緒，提高學員學習效率。（2）發(fā)現(xiàn)訓練問題與處理規(guī)律，實現(xiàn)智能糾錯?！皻v史總是驚人的相似“，相似學員在訓練過程中出現(xiàn)的錯誤操作等問題，必定有著相似的起因。問題一旦發(fā)生，無外乎二個原因：人的原因、物的原因。大數(shù)據(jù)可以在繁復的故障及障礙相關(guān)數(shù)據(jù)中，總結(jié)出相應的問題前期征兆以及后期的處理規(guī)律。當有類似征兆出現(xiàn)后，專家?guī)炜梢噪S著征兆的符合程度依次提高智能糾錯處理，讓學員的錯誤操作盡快終止，以消除問題與障礙，盡快形成優(yōu)良的操作習慣。（3）發(fā)現(xiàn)訓練中的管理規(guī)律，提高訓練管理水平，針對性定制訓練計劃。針對眾多學員的訓練管理規(guī)律，可讓專家?guī)煜到y(tǒng)為每個學員定制訓練計劃，有針對性的查優(yōu)補缺，提高訓練設(shè)備利用率及學員訓練效率。（4）強化學員危機意識，形成良好的操作習慣。運用大數(shù)據(jù)挖掘并發(fā)現(xiàn)工程機械在實際操作過程中因錯誤操作發(fā)生的事故經(jīng)驗規(guī)律，并引入到智能專家?guī)熘?，讓智能專家?guī)於ㄖ频南鄳挠柧殘鼍?，避免學員因操作失誤導致類似事故發(fā)生。智能工程機械仿真訓練系統(tǒng)會將系統(tǒng)中的各操作硬件有機組合起來，并與大數(shù)據(jù)平臺中的專家?guī)煜到y(tǒng)連接，實現(xiàn)安全、極速的浸入式3D全景主動式訓練?；谌S虛擬現(xiàn)實多媒體技術(shù)的計算機平臺來實現(xiàn)真實工程機械設(shè)備的仿真演示、模擬真實操作的應用系統(tǒng)，實現(xiàn)全新訓練視覺效果。編制的仿真操作軟件畫面真實感強，操作反應迅速、體現(xiàn)物理效果、動態(tài)陰影效果、音效等，并能結(jié)合工程機械等硬件，開發(fā)了由操作臺、控制箱、計算機系統(tǒng)、接口卡、顯示設(shè)備等構(gòu)成的工程機械仿真訓練系統(tǒng)。實現(xiàn)的智能主動式的智能工程機械仿真訓練系統(tǒng)在操作人員培訓中可以完全解決目前同類系統(tǒng)存在的以下弊端：（1）工程機械駕駛員培訓難以實現(xiàn)個別化教學方案，不能適應受訓人員不同的知識、心理、年齡等綜合因素的影響。（2）培訓老師認知結(jié)構(gòu)不同、操作方式、培訓技能不同導致培訓出來的學員質(zhì)量良莠不齊。（3）工程機械操作人員培訓耗時、耗力、培訓困難。尤其常規(guī)直接上機操作的培訓方式還非常危險。
3軟件實現(xiàn)過程
為了系統(tǒng)軟件各項功能的實現(xiàn)，首先，項目參與的技術(shù)人員分三個小組：策劃、程度、美工，三者有著緊密的合作關(guān)系，每一個分工部分都會有各自不同的工作內(nèi)容，如果把所有的工作成果整合在一起并在一個平臺中實現(xiàn)，就組成了一個完整的訓練平臺產(chǎn)品。軟件功能實現(xiàn)過程中，核心工作有：
（1）訓練平臺策劃
訓練平臺策劃類似于一個游戲開發(fā)的策劃。項目負責人以創(chuàng)建者和維護者的身份參與到訓練系統(tǒng)平臺的世界中，將想法和設(shè)計傳遞給程序設(shè)計和美工設(shè)計；在策劃過程中，項目負責人需要把握系統(tǒng)的整體概念并對開發(fā)工作進行管理和協(xié)調(diào)，并對訓練平臺的系統(tǒng)進行整體策劃，例如選擇機型、工作狀況、錯誤狀況、排行榜、實際得分等系統(tǒng)，需要提供界面及界面操作、邏輯判斷流程圖、各種提示信息等。訓練平臺數(shù)值策劃又稱平衡性策劃。平衡性策劃需要把握平衡性方面的規(guī)則和系統(tǒng)的設(shè)計，包括AI、關(guān)卡等，以及除了操作過程以外，都需要數(shù)值策劃負責。游戲數(shù)值策劃的日常工作和數(shù)據(jù)打的交道比較多，如在訓練平臺中所見的操作失誤損失值、HP值，甚至包括得分的公式等等都由數(shù)值策劃所設(shè)計。需要進行訓練關(guān)卡策劃，例如負責訓練場景的設(shè)計以及任務(wù)流程、關(guān)卡難度的設(shè)計，其工作包羅萬象，包括場景中的操作失誤分布、AI設(shè)計以及訓練平臺中的碰撞設(shè)計等等都會涉及。需要對訓練平臺的腳本進行策劃，例如場景中水紋運動的腳本編程，工程機械聯(lián)動的腳本編程，工程機械所用的反向動力學的腳本編程等。
（2）訓練平臺角色場景美工
以軟件美工為例，美工是指電子訓練畫面中的美術(shù)組成部分。通俗的說，凡是訓練中所能看到的一切畫面都屬于訓練美工的工作范疇，包括地形、建筑、植物、人物、動物、動畫、特效、界面等的制作。訓練美工可以簡單的分為2D和3D兩類，2D即使用位圖等二維圖形制作訓練場景；3D則是通過大型的3D游戲引擎制作訓練世界和各種物件的3D模型，并由計算機處理后得到真實感較強的3D圖像。同理，在智能工程機械仿真訓練軟件開發(fā)過程中，同樣需要對UI進行設(shè)計，簡單說就是訓練平臺操作界面，登陸界面，訓練平臺道具，得分標志，訓練平臺中小物件的設(shè)計等等。包括場景中的環(huán)境、機械、道具等的設(shè)計，以盡可能制作出精細逼真的場景元素。對角色進行設(shè)計，對工程機械模擬訓練平臺中的特效進行設(shè)計，例如訓練平臺中機械的動動產(chǎn)生的灰塵、碰撞產(chǎn)生的火花、場景中水流的質(zhì)感等等。對訓練平臺中的角色動畫的制作，原畫、場景，角色、道具、動畫、特效的全部制作工作和整合。需要制作的技術(shù)、規(guī)范，了解制作流程，通過完成模擬游戲項目鞏固和提高之前的知識，掌握游戲美術(shù)設(shè)計的綜合技能。
（3）訓練平臺程序開發(fā)
在工程機械模擬訓練平臺開發(fā)過程中，是通過C#對腳本程序進行編程的，而在腳本程序?qū)崿F(xiàn)的過程中，則需要通過模塊化的方式，逐步實現(xiàn)軟件各個功能。所謂模塊化是指解決一個復雜問題時自頂向下逐層把系統(tǒng)劃分成若干模塊的過程，有多種屬性，分別反映其內(nèi)部特性模塊化是一種處理復雜系統(tǒng)分解為更好的可管理模塊的方式。模塊化可用來分割，組織和打包軟件。模塊化是一種處理復雜系統(tǒng)分解成為更好的可管理模塊的方式，（兩句話重復？）它可以通過在不同組件內(nèi)設(shè)定不同的功能，把一個問題分解成多個小的獨立、互相作用的組件，以此來處理復雜、大型的軟件。在訓練平臺的開發(fā)中，利用程序模塊化分工，進行腳本編程，可以到達工作簡化的目的。
（4）基于大數(shù)據(jù)的智能主動式仿真訓練教程開發(fā)
基于多年采集的仿真訓練數(shù)據(jù)，研發(fā)基于大數(shù)據(jù)的智能主動式仿真訓練模塊，可以實現(xiàn)對工程機械駕駛員培訓的因材施教、個性化主動培訓，避免平臺被動地受到受訓人員的知識、心理、年齡等綜合因素的影響。同時，也避免了平臺因局限于培訓老師對結(jié)構(gòu)不同、操作方式、培訓技能認知不同而導致培訓出來的學員質(zhì)量良莠不齊的情況。
4結(jié)語
基于本文介紹的軟件設(shè)計方法，近年來，筆者所在的公司研發(fā)、實現(xiàn)并已開始批量銷售的智能工程機械仿真訓練系統(tǒng)有煤礦機械、汽車起重機、橋門式起重機、塔式起重機、挖掘機、叉車、裝載機等十余種。依靠操作簡單、界面友好、仿真度高、操作感受真實等優(yōu)勢，公司開發(fā)的一系列仿真訓練系統(tǒng)受到了用戶的一致好評，取得了優(yōu)秀的銷售業(yè)績。
參考文獻
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作者：卜凡 肖玉美 李敏 趙玉鈞 單位：徐州前誠網(wǎng)絡(luò)科技有限公司
