基于虚拟仪器的课程教学训练平台设计  

姚跃亭^1,2， 郭恒光²， 余仁波²  

 (1.浙江科贸职业技术学院电子信息系，浙江金华，32100；2.海军航空大学岸防兵学院304教研室，山东烟台，264001)

[摘  要]为满足军校装备课程教学需求，依托实验室现有条件，采用虚拟仪器技术，构建了课程教学训练平台，运用虚拟仪器软件开发和多媒体集成等技术手段，在平台中集成可自主设定的典型故障案例，实现武器装备上装电气与导弹发射控制原理的可视化、图形化教学，将理论知识从抽象变得直观，将故障排除训练等难以教学的内容变得易于实施，增强学员学习兴趣，取得了较好学习效果。

[关键词] 虚拟仪器；装备课程教学资源；教学训练平台

[基金项目]2018-2019年度海军航空大学教学信息化改革项目，编号“岸防教科[2018]66号”，海军重点课程建设基金，“海×训[2019]9号”。

[作者简介]姚跃亭（1980-），男，汉，），  浙江兰溪人，工学博士，浙江科贸职业技术学院电子信息系，海军航空大学岸防兵学院，讲师，主要从事物联网、计算机应用技术、武器系统与运用工程研究。郭恒光（1986-），男，汉，山东兖州人，工学博士，海军航空大学岸防兵学院，副教授，主要从事导弹发射工程技术研究。余仁波（1980-），男，汉，湖北黄石人，工学博士，海军航空大学岸防兵学院，副教授，主要从事导弹发射工程技术研究。

[中图分类号]G642.0  [文献标志码]A        [文章编号]      

一、前言

装设备课程教学，是工科院校专业课程体系中的核心课程教学环节，对学生岗位任职能力培养和胜任基层单位第一次任职需要，起着举足轻重的作用。随着信息技术在现代教学中的大量运用，传统的装备教学方法已经越来越不适应现有教学任务。主要体现在以下两个方面：一是受制于体制或经费原因，军队院校教学装备往往配发不及时，调拨不到位，无法进行实装教学，只能进行理论及图纸化教学，不形象，不生动，教学效果不理想。二是教学方式单调枯燥，实操实验设备老旧，理论教学还是以PPT为媒体，教师授课为主，知识灌输枯燥乏味，学员参与度不高，动手能力得不到提高，实操技能，特别是实际故障诊断排除能力难以得到有效锻炼。课堂授课效果不明显。

信息技术的发展，地方各种在线教育平台和以MOOC、SPOC等典型教学模式的飞速发展，为军事教育顺应教育的新模式带来宝贵机遇。针对现行教学方法存在的问题，为推进军队院校装备课程教学改革，采用信息化技术，建设军校校本教学信息化资源，以信息化促进教育现代化，以教育现代化促进人的现代化，实现装备课程教学信息化，是符合新时期，在教育信息化大背景下，教学理念、教学方式大变革的必要举措。

由于军校装备教学要求保密的特殊性，大部分装备课程不适合建设外网或者军队内网教学资源，只适合建设基于保密实验室局域网内的在线资源。

鉴于上述情况，利用信息化技术，建设小型SPOC（Small Private Online Course，小规模限制性在线课程）教学资源，构建仿真教学训练平台，是军校装备课程教学适应现代教学信息化的方法之一^[1]。

二、虚拟仪器技术对装备教学资源的意义

随着装备技术的快速发展，导弹武器装备的技术水平越来越高，所采用的技术越来越先进，装备维修保障也逐渐以预防性维修和保障为主。而机动导弹部队需要常年在野外环境下遂行自主打击任务。在这种作战模式下，要求基层作战单元能够在长时间、任务密集的情况下，能够自主保障，在缺乏工厂、修理厂支援力量的情况下，能够自主解决大部分装备故障和保障问题。这就极大地突显出操作使用人员对装备的操作使用、工作原理、维修保障能力要求。因此，在机动导弹装备教学中，采用特定技术，使学员能够对装备机械构造、电气原理进行深刻理解和学习，掌握装备故障排除、维修保障的一般思路和步骤，形成自主保障能力，具有重要意义。

虚拟仪器技术（Virtual instrumentation）就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。灵活高效的软件能帮助用户创建完全自定义的用户界面，模块化的硬件能方便地提供全方位的系统集成，标准的软硬件平台能满足对同步和定时应用的需求。高效的软件、模块化I/O硬件和用于集成的软硬件平台这三大组成部分，使得虚拟仪器技术具备了性能高、扩展性强、开发时间少，以及出色的集成这四大优势。

虚拟仪器既可以是基于PC机的单机系统，也可以是基于计算机标准总线接口的测试系统。完成硬件系统搭建之后，通过LabVIEW或者LabWindows CVI等软件开发工具，实现软件系统的自主定制和设计^[2]。

通过运用虚拟仪器技术搭建导弹武器上装电气系统仿真学习训练平台，在经费、资源有限的前提下，使学生能够围绕信号流程，针对每一步操作，能够更加直观、高效地理解和掌握武器系统上装电气的运行原理；教师能够根据学生掌握情况，有针对性地设计故障案例，开展现场排故训练，从而达到自主维修保障能力的有效提高^[3]。

三、教学训练平台结构

要利用虚拟仪器技术构建导弹武器教学训练平台，对教学需求进行分析是关键。在《××导弹武器系统发控设备》课程教学中，主要教学内容是设备外观结构组成，系统连接关系，发射控制流程等部分内容。为实现上述教学功能，在构建训练平台时，必须达到以下要求：具有与实际设备完全一致的虚拟控制台；能够以图形、图像或视频等形式真实展现各个控制台位之间的电缆信号连接关系；能够模拟真实装备实现发射控制流程的完整模拟。

为了能够真实展现系统各个台位的外观样式，采用三维建模方法，将所有关键台位模型引入训练平台。

通过分析系统工作原理可知，系统连接关系和发控流程与系统电气信号密切相关，做好电气信号流程及接口分析，是构建仿真训练平台的基础。做需求分析如下。

1、电气信号及接口需求分析

××导弹武器系统为机动车载式导弹武器系统。发射车是其核心部件，电气系统的教学，就是发射车在上装电气系统的教学。该部分内容的关键是以导弹发射控制过程中的指令、信号为核心，分析其信号流程，掌握其核心逻辑步骤，从而实现导弹发控流程的教学。另外，通过指令信号流程的分析，可以清晰的揭示导弹发射的逻辑控制流程，对学生学习装备的工作原理，对维修保障人员进行故障分析，故障定位，具有重要意义。

而发射车电气系统包含的分系统较多，包括车底盘电气、液压系统电气、发射控制设备电气等。本文重点对发射控制设备电气进行分析，这类信号在流程上涵盖了导控、武控、通信、发控及筒弹等设备，能够完成简化的发射控制流程。通过这些设备，可以将关键指令信号形成一个完整的流程通路，实现发控流程教学。

经过分析可知，这些指令信号主要以开关量和数字量为主。开关量中，以+27V直流电作为主要电压。其中数字量约占三分之二，开关量约占三分之一。数字量传递主要以RS-422A串行接口进行设备与设备之间的连接，还包括采用光纤连接的以太网接口，另有少部分采用RS-485或者RS-232接口。这种常用的成熟产品构建的上装系统信号网络，在车载装备中使用普遍，更换简单，便于操作使用和维修。

对一线具体维修保障人员来说数字量信号演示无意义，无需额外增加逻辑分析仪之类的设备，因此，只需分析到电缆级，确定有无数字量信号，就足以满足保障需求。在分析过程中，重点对开关量信号进行具体分析。

在武器系统中，发射控制流程中的关键发射控制流程是开关量集中的部分。具体包括××供电指令、开关盖指令及发射指令等。

××供电指令是发射流程的开始，紧随其后有至少若干条指令按照逻辑顺序进行自动执行。

开关盖指令需要驱动较大功率、较大电流的开盖电机进行开关盖动作，还需要通过对应的行程开关检测动作到位情况，因此涉及较复杂的驱动放大、继电器逻辑控制电路，需要对电机控制箱这一专用控制部件进行详细分析。同时，这一部件也是相关指令电路故障分析的核心瓶颈部件。

发射指令流程涵盖的是发射电路，通过对该指令的分析，能够比较清晰展示发射电路关键节点、元器件的工作原理，从而有助于维护保障人员进行发射电路问题分析。

2、硬件结构

依据教学需求及平台功能需求分析，在经费有限的情况下，训练平台硬件系统设计依托实验室现有资源进行建设。系统以实验室现有通用办公计算机为主，利用以太网进行搭建和连接。以5台计算机分别模拟武控设备、发控设备、通信设备、供电设备和筒弹，以模拟完整的导弹武器控制系统。相应的教学内容中包含三种连接方式：RS-422A、开关量连接和以太网连接方式。

为便于开发，各个计算机之间采用以太网作为主要连接方式，以VSPM虚拟串口软件来将TCP/IP、UDP网络协议映射成本机虚拟串口，以自定义数据包协议虚拟开关量信号，利用面向对象的虚拟仪器开发平台LabWindows CVI进行集成和二次开发。设计教学训练平台硬件结构如图1所示。

设计完成后，各个台位设备虚拟机中运行的模型或软件应能完整实现外观和功能模拟，各个虚拟机之间传递的底层数据以网络数据包格式进行传输。

图1 硬件系统结构图

四、软件设计

软件整体结构如图2所示。

1.各个设备虚拟机

各个设备的虚拟机用于模拟导弹武器系统主要关键台位设备。其中，武控设备、发控设备、通信设备、供电设备和筒弹的虚拟机采用三维建模软件开发操作机柜的机械模型，确保外观和功能上跟实际装备机柜保持一致，便于操作员的操作使用。重点对机柜的核心，内嵌计算机机箱及内部板卡模块进行建模，制作成可拆卸和组装的软件模型，用于可视化结构教学。对导弹及相应发射筒进行三维结构建模，重点对发射筒内外结构、筒内电气原理进行建模，以便于结合发控流程教学。

各个设备的虚拟机上操作控制面板应能对操作员的相关开关和按钮操作产生实时响应。

图2 软件结构图

2.发控流程交互式演示模块

发控流程交互式演示模块能够依据操作员在武控设备、发控设备虚拟机上的操作，实时展示导弹发射控制的流程和步骤，对指令和信号所产生的现象进行交互和显示，比如指示灯的亮灭、发射筒的开关盖等。

该模块需要多个设备虚拟机进行协调配合，在发射控制逻辑控制下，使所有的指令信号和相应现象动作严格按照时序进行流程演示。因此，其核心就是梳理发射控制逻辑，按照时序，协调各个设备相应按钮、指示灯及动作部件进行响应，从而实现发控流程的演示功能。

该模块具备模拟训练功能，通过软件设定，可以协调发控设备各个部件，进行独立发射模拟训练。

该模块的设计核心在于发控系统和筒弹之间的信号控制逻辑和两者之间的数据包协议解析。

信号控制逻辑通过前期信号流程分析已经完成。

而发控系统和筒弹的数据协议通过软件模拟实现。

3.信号流程交互式演示模块

该模块用于发控流程中相关指令、信号的流向进行演示，包括指令信号的产生，传递所经过的板卡模块，机柜插座，电缆，以及其他控制电路。关键指令包括：向弹供电，开关盖，发射等。

通过该模块的学习，学员能够对导弹的发射控制原理深入至信号级，从而为分析装备的故障机理打下坚实基础。

4. 电气原理及接口关系演示模块

该模块用于演示设备与设备之间、模块与模块之间的接口关系及电气特性，包括电缆连接接口的芯线定义，开关量和数字量的相互变换过程，关键节点的信号特征、电气特性等。通过该模块的设计，能够使学习人员针对某一个指令从按下按钮开始，了解其开关按钮工作电路原理，控制台识别开关按钮输入识别原理，控制台战术软件逻辑判断原理，控制台依据开关按钮输出指令过程，指令经过有线/无线方式在各个战车和台位之间的转换传递过程，指令最终经过关键部件传递进入弹上，进行弹上机构控制，并完成信号反馈这一详细、繁琐、逻辑步骤严密的详细学习过程。

5.故障案例设置

为锻炼提高学员综合运用所学理论知识，来独立分析问题，解决问题的能力，在训练平台中集成了多个典型故障案例，通过人工设置，可在关键节点、常见故障部位进行故障设定，按照特定判决条件，显示故障现象，对案例进行完整复现，从而让学员进行分析、排故训练，提高其实际动手能力^[4]。

状态显示控制和动态演示模块用于关键信息的显示和设置。

多媒体集成接口用于三维模型和多媒体资源的集成，使这些资源能够在开发平台中方便地调用二次开发。

以太网通信接口用于各个设备虚拟机之间传递信息。这些信息是发控流程中需要传递的一些逻辑指令信号数据。传递过程中采用自定义数据包协议格式。

6.软件开发平台

软件中各设备虚拟机采用Solidworks进行三维建模。交互式演示模块采用flash软件进行开发。并将故障设置功能集成在flash中。

因本软件需要集成三维模型、动画演示等多种软件及多媒体资源，因此，选用Unity 3d软件实现。该软件功能强大，能够灵活集成其它3dMAX、Solidworks等建模软件开发的三维模型，并能灵活调用flash等多媒体软件开发的动画文件。

利用Unity调用flash文件和Solidworks模型，从而实现多个模块的集成。

五、总结

基于虚拟仪器的教学训练平台经过多个班次的导弹发射控制设备、发射车上装电气连接关系等课程教学实践和使用，体现出了较好的适用性，使得原本枯燥的电路原理教学，变成了图形化、直观化的可交互式动态展示，结合实际故障案例，易学、易懂，增加了学员学习的动力和兴趣，教学效果良好。实践表明：该平台特别适合有一定实际装备使用操作经验的部队学员。这些学员操作经验丰富，理论知识和基础知识薄弱，自我学习困难，非常需要这一类形象直观、图形化，且集成了多种贴合装备实际使用所需理论知识的训练学习平台。

参考文献

[1] 赵文飞，周刚，刘孝磊.SPOC混合式教学模式在军校高等数学课堂的可行性研究[J] .教育教学论坛,2020,NO.12:282-284

[2] 郭晶晶，刘伯运，梁英杰，史蓓蕾. 基于虚拟仪器技术的《微机原理与接口技术》教学改革探索[J].教育教学论坛,2019, NO.15:134-136

[3] 崔凯波，孙海涛，黄云鹏.王乐清基于在线教育的军校装备课程教学模式创新研究[J].教育现代化,2019(27 ):45-47

[4] 宋彬，孔凡，王文军，王怀光.基于能力培养导向的军校装备课程教学模式改革探索[J]. 高教学刊,2019(1):125-126+129