智能工程机械仿真训练系统软件设计

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摘要：本文就该模拟训练系统的核心——软件部分作出详细介绍，并说明了主要技术和实现过程，对软件中的训练平台策划、角色场景美工、程序开发重点、智能主动式仿真训练教程开发等重点环节作了重点说明。

关键词：智能;工程机械;仿真训练;软件

1总体介绍

智能工程机械仿真训练系统的主体及专家库均采用C#语言开发，基于MONO，兼容微软.netframework。软件界面及流程部分基于Unity引擎开发，支持各种主流设备，包括PC、MAC等。系统数据库支持本地数据库SqlLite以及网络数据库SQLServer；系统主要开发工具为MicrosoftVisualStudio2016，辅以3DSMax和.net网络库进行三维模型及场景构建和导出与网络实时通讯的开发。对于多种不同的工程机械设备，基于面向对象的方法开发统一的代码基础类库，以方便代码的重用，接口的统一，和功能的一致化升级。通过互联网络，抽象各设备的状态参数以在同一共享场景下进行各设备的协同化工作。本项目采用的技术复杂，跨越多个领域，涉及机械、机电一体化、多服务器网络环境、多平台协调，而且具有软件种类繁多、硬件环境复杂等特点，因此在项目实施时，必须分步实施。智能工程机械仿真训练系统采用模块化方法进行研发，模块组成包括：视景仿真平台、实时仿真、人机交互、视景特效技术、硬件控制和显示系统等。整个系统内部以“视景仿真平台”为核心，连接外部“硬件接口单元”。“视景仿真平台”通过视景特效技术，可以实现实时仿真（包括运动仿真、碰撞检测、视角控制、音效仿真等功能）和人机交互（包括人员管理、培训考核、系统组态配置、成绩管理等功能）。“硬件接口单元”则可以将全实物的驾驶室、多屏显示器、油门、操作杆等操作硬件连接起来，为“视景仿真平台”提供传感器输入及对外执行机构。

2主要技术说明

通过在智能工程机械仿真训练软件系统中建立工程机械仿真训练信息大数据，进而建立工程机械仿真训练智能专家库。此外，通过运用大数据的强大数据处理能力，发现各种工程机械仿真训练相关规律与信息，并将这些规律引入到专家库，再将智能专家库用于工程机械仿真训练中，从而实现主动引导式训练，带来高效的训练效果。（1）通过大数据发现学员学习情绪和效率的变化规律，建立专家库规则，并构建使学员感兴趣的教学情景，以稳定学员学习情绪，提高学员学习效率。（2）发现训练问题与处理规律，实现智能纠错。“历史总是惊人的相似“，相似学员在训练过程中出现的错误操作等问题，必定有着相似的起因。问题一旦发生，无外乎二个原因：人的原因、物的原因。大数据可以在繁复的故障及障碍相关数据中，总结出相应的问题前期征兆以及后期的处理规律。当有类似征兆出现后，专家库可以随着征兆的符合程度依次提高智能纠错处理，让学员的错误操作尽快终止，以消除问题与障碍，尽快形成优良的操作习惯。（3）发现训练中的管理规律，提高训练管理水平，针对性定制训练计划。针对众多学员的训练管理规律，可让专家库系统为每个学员定制训练计划，有针对性的查优补缺，提高训练设备利用率及学员训练效率。（4）强化学员危机意识，形成良好的操作习惯。运用大数据挖掘并发现工程机械在实际操作过程中因错误操作发生的事故经验规律，并引入到智能专家库中，让智能专家库定制的相应的训练场景，避免学员因操作失误导致类似事故发生。智能工程机械仿真训练系统会将系统中的各操作硬件有机组合起来，并与大数据平台中的专家库系统连接，实现安全、极速的浸入式3D全景主动式训练。基于三维虚拟现实多媒体技术的计算机平台来实现真实工程机械设备的仿真演示、模拟真实操作的应用系统，实现全新训练视觉效果。编制的仿真操作软件画面真实感强，操作反应迅速、体现物理效果、动态阴影效果、音效等，并能结合工程机械等硬件，开发了由操作台、控制箱、计算机系统、接口卡、显示设备等构成的工程机械仿真训练系统。实现的智能主动式的智能工程机械仿真训练系统在操作人员培训中可以完全解决目前同类系统存在的以下弊端：（1）工程机械驾驶员培训难以实现个别化教学方案，不能适应受训人员不同的知识、心理、年龄等综合因素的影响。（2）培训老师认知结构不同、操作方式、培训技能不同导致培训出来的学员质量良莠不齐。（3）工程机械操作人员培训耗时、耗力、培训困难。尤其常规直接上机操作的培训方式还非常危险。

3软件实现过程

为了系统软件各项功能的实现，首先，项目参与的技术人员分三个小组：策划、程度、美工，三者有着紧密的合作关系，每一个分工部分都会有各自不同的工作内容，如果把所有的工作成果整合在一起并在一个平台中实现，就组成了一个完整的训练平台产品。软件功能实现过程中，核心工作有：

（1）训练平台策划

训练平台策划类似于一个游戏开发的策划。项目负责人以创建者和维护者的身份参与到训练系统平台的世界中，将想法和设计传递给程序设计和美工设计；在策划过程中，项目负责人需要把握系统的整体概念并对开发工作进行管理和协调，并对训练平台的系统进行整体策划，例如选择机型、工作状况、错误状况、排行榜、实际得分等系统，需要提供界面及界面操作、逻辑判断流程图、各种提示信息等。训练平台数值策划又称平衡性策划。平衡性策划需要把握平衡性方面的规则和系统的设计，包括AI、关卡等，以及除了操作过程以外，都需要数值策划负责。游戏数值策划的日常工作和数据打的交道比较多，如在训练平台中所见的操作失误损失值、HP值，甚至包括得分的公式等等都由数值策划所设计。需要进行训练关卡策划，例如负责训练场景的设计以及任务流程、关卡难度的设计，其工作包罗万象，包括场景中的操作失误分布、AI设计以及训练平台中的碰撞设计等等都会涉及。需要对训练平台的脚本进行策划，例如场景中水纹运动的脚本编程，工程机械联动的脚本编程，工程机械所用的反向动力学的脚本编程等。

（2）训练平台角色场景美工

以软件美工为例，美工是指电子训练画面中的美术组成部分。通俗的说，凡是训练中所能看到的一切画面都属于训练美工的工作范畴，包括地形、建筑、植物、人物、动物、动画、特效、界面等的制作。训练美工可以简单的分为2D和3D两类，2D即使用位图等二维图形制作训练场景；3D则是通过大型的3D游戏引擎制作训练世界和各种物件的3D模型，并由计算机处理后得到真实感较强的3D图像。同理，在智能工程机械仿真训练软件开发过程中，同样需要对UI进行设计，简单说就是训练平台操作界面，登陆界面，训练平台道具，得分标志，训练平台中小物件的设计等等。包括场景中的环境、机械、道具等的设计，以尽可能制作出精细逼真的场景元素。对角色进行设计，对工程机械模拟训练平台中的特效进行设计，例如训练平台中机械的动动产生的灰尘、碰撞产生的火花、场景中水流的质感等等。对训练平台中的角色动画的制作，原画、场景，角色、道具、动画、特效的全部制作工作和整合。需要制作的技术、规范，了解制作流程，通过完成模拟游戏项目巩固和提高之前的知识，掌握游戏美术设计的综合技能。

（3）训练平台程序开发

在工程机械模拟训练平台开发过程中，是通过C#对脚本程序进行编程的，而在脚本程序实现的过程中，则需要通过模块化的方式，逐步实现软件各个功能。所谓模块化是指解决一个复杂问题时自顶向下逐层把系统划分成若干模块的过程，有多种属性，分别反映其内部特性模块化是一种处理复杂系统分解为更好的可管理模块的方式。模块化可用来分割，组织和打包软件。模块化是一种处理复杂系统分解成为更好的可管理模块的方式，（两句话重复？）它可以通过在不同组件内设定不同的功能，把一个问题分解成多个小的独立、互相作用的组件，以此来处理复杂、大型的软件。在训练平台的开发中，利用程序模块化分工，进行脚本编程，可以到达工作简化的目的。

（4）基于大数据的智能主动式仿真训练教程开发

基于多年采集的仿真训练数据，研发基于大数据的智能主动式仿真训练模块，可以实现对工程机械驾驶员培训的因材施教、个性化主动培训，避免平台被动地受到受训人员的知识、心理、年龄等综合因素的影响。同时，也避免了平台因局限于培训老师对结构不同、操作方式、培训技能认知不同而导致培训出来的学员质量良莠不齐的情况。

4结语

基于本文介绍的软件设计方法，近年来，笔者所在的公司研发、实现并已开始批量销售的智能工程机械仿真训练系统有煤矿机械、汽车起重机、桥门式起重机、塔式起重机、挖掘机、叉车、装载机等十余种。依靠操作简单、界面友好、仿真度高、操作感受真实等优势，公司开发的一系列仿真训练系统受到了用户的一致好评，取得了优秀的销售业绩。

参考文献

[1]李浩冬.浅谈工程机械智能化与信息化发展[J].城市建设理论研究(电子版),2018(07):63.

[2]孙谦.工程机械专业建设的机遇与挑战[J].黑龙江科学,2018,9(16):110-111.

[3]钱永产,肖勇,李健.工程机械模拟训练技术[J].科技资讯,2016,14(31):180+182.

作者：卜凡 肖玉美 李敏 赵玉钧 单位：徐州前诚网络科技有限公司