基于VR技术的船舶通导设备故障检修实训方法及系统与流程

本发明涉及一种基于vr技术的船舶通导设备故障检修实训方法及系统。

背景技术：

随着高校课程的教学改革，专业课程多采用项目化教学的方式，以任务引领实践导向的课程设计思想为基础，旨在培养学生的实操动手能力。传统船舶通信导航设备故障检修实训的开展依赖于实际设备，存在以下缺陷：①信息化程度较弱，实操方式较为单一，设备容易磨损消耗，操作不当容易引起安全问题，设备维护要求高；②只能开展操作级别的实操训练，不便于进行设备内部故障检修的实训，训练项目受到限制，阻碍了学生实操能力的提高；③船舶通信导航设备价格昂贵，不能大量购置。因此，我们急需响应教育部在“十三五”期间教育教学改革的新形势、新任务和新要求，将现代信息化技术应用于实训教学，开展传统实训教学改革创新的研究。

随着科技的发展，现代虚拟现实信息技术在实训教学应用方面，得到了越来越多的应用。虚拟现实技术采用先进的硬件与软件技术，在视觉、听觉、触觉等方面为受训者生成一个极为逼真的虚拟环境，用户借助必要的设备与虚拟环境中的对象进行交互作用，相互影响，从而产生亲临真实环境的感受和体验，使受训者最大限度的贴近实际操作，大大提高了互动性与参与性，并能有效地克服实际装备训练受时间和场地限制、训练成本高、易损坏装备等弊端。

因此，有必要提出一种基于vr技术的船舶通导设备故障检修实训方法及系统，改进传统实训方式的不足，提高实操训练的互动性，加强实训效果。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够使用户置身于虚拟现实环境中从而提高实操培训的互动性和实训效果的基于vr技术的船舶通导设备故障检修实训方法及系统。

本发明的技术方案如下：一种基于vr技术的船舶通导设备故障检修实训方法，包括如下步骤：

一、对船舶通导设备常见的故障进行分类整理，形成故障分类树，并基于故障分类树的末级状态节点对船舶通导设备及其零部件进行三维建模，形成包括正常状态和故障状态的设备三维模型库，根据故障分类树不同的末级状态节点，设计故障解决方案，并以此生成故障排除树，设备三维模型库、故障分类树与故障排除树共同构成船舶通导设备vr实训基础库；

二、根据设定的故障选择故障排除树，调取设备三维模型库，生成vr故障场景，显示故障排除树初始状态节点的可视化三维模型；

三、获取用户实操行为，与所处故障排除树当前状态节点的用户行为边进行比较，如匹配，则执行步骤四；如不匹配，则任务失败，进入步骤五；

四、判断故障排除树当前状态节点是否是末级状态节点，如是，则实训任务成功并结束；如否，则进入所匹配用户行为边的下一状态节点，并重复步骤三；

五、针对步骤三中失败的实训任务，利用多媒体教学库，向学生推送相关资料，并返回步骤三。

优选地，在步骤一中，在对船舶通导设备常见的故障以故障分类树方式进行分类整理的步骤中，对于复杂故障，要进一步细分为多个故障点，并通过故障点的组合，从而支持复杂故障或多重故障设置。

优选地，在步骤二中，具体包括如下步骤：根据设定的故障，在船舶通导设备vr实训基础库里选择对应故障排除树；调取设备三维模型库，生成vr故障场景，并显示故障排除树初始状态节点的可视化三维模型。

一种根据上述基于vr技术的船舶通导设备故障检修实训方法的系统包括：船舶通导设备vr实训基础库单元，对船舶通导设备常见的故障进行分类整理，形成故障分类树，并基于故障分类树对船舶通导设备及其零部件进行三维建模，形成包括正常状态和故障状态的设备三维模型库，根据故障分类树不同的末级状态节点，设计故障解决方案，并以此生成故障排除树，设备三维模型库、故障分类树与故障排除树共同构成船舶通导设备vr实训基础库；vr故障场景建立单元，根据设定的所述通导设备故障，从所述船舶通导设备vr实训基础库单元内调取所对应的故障排除树与设备三维模型，生成vr故障场景，并显示故障排除树初始状态节点的可视化三维模型；故障排除单元，基于所述vr故障场景建立单元建立的故障场景，获取用户的实操行为，与所述故障排除树进行比较，判定实训任务的成功或失败；多媒体教学库单元，包括船舶通导设备故障检修实训教学的相关资料；强化实训单元，针对所述故障排除单元的用户失败实训任务，利用所述多媒体教学库单元，向学生推送相关的多媒体实训资料，并返回所述故障排除单元进行强化训练。

优选地，所述船舶通导设备vr实训基础库单元包括：故障分析模块、设备三维模型构建模块和故障排除树构建模块；所述故障分析模块用于对船舶通导设备的常见故障以分类树方式进行分类整理，形成故障分类树；所述设备三维模型构建模块用于基于所述故障分类树对所述通导设备及其零部件进行三维建模，形成包括正常状态和故障状态的设备三维模型库；所述故障排除树构建模块用于基于所述故障分类树不同的末级状态节点，设计故障解决方案，并以此构建故障排除树。

优选地，所述vr故障场景建立单元包括：故障信息设定模块，用于输入设定的船舶通导设备故障信息；故障初始状态三维模型建立模块，用于根据所述的故障信息设定模块设定的设备故障，从所述船舶通导设备vr实训基础库单元内调取所对应的故障排除树与设备三维模型，生成vr故障场景，并显示故障排除树初始状态节点的可视化三维模型。

优选地，所述故障排除单元包括：用户实操行为获取模块：基于所述vr故障场景建立单元建立的故障场景，捕捉学生的故障排除动作形成相对应的故障排除信息；故障排除判断模块：用于调取所述故障排除树，将所述用户实操行为获取模块所获取的用户实操行为与所述故障排除树当前状态节点的用户行为边进行比较，判断所述故障排除信息是否正确，比较过程如下：如匹配，判断所述故障排除树当前状态节点是否是末级状态节点，如是，则实训任务成功并结束；如否，则进入所匹配用户行为边的下一状态节点；如不匹配，则任务失败。

本发明的有益效果在于：所述基于vr技术的船舶通导设备故障检修实训方法及系统对通导设备的故障分类整理构建故障分类树，基于故障分类树中不同的末级状态节点进行通导设备及其零部件的三维建模并利用虚拟现实技术构建不同的vr故障场景，突破了传统实训方式硬件、环境等限制，使学生身临其境的进行实操训练，获得更为直观的体验，提高教学实训效果。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于vr技术的船舶通导设备故障检修实训方法的流程框图；

图2是与本发明相关的船舶雷达设备故障分类树的示意图；

图3是与本发明相关的雷达发射机故障的故障排除树示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

除非上下文另有特定清楚的描述，本发明中的元件和组件，数量既可以单个的形式存在，也可以多个的形式存在，本发明并不对此进行限定。本发明中的步骤虽然用标号进行了排列，但并不用于限定步骤的先后次序，除非明确说明了步骤的次序或者某步骤的执行需要其他步骤作为基础，否则步骤的相对次序是可以调整的。可以理解，本文中所使用的术语“和/或”涉及且涵盖相关联的所列项目中的一者或一者以上的任何和所有可能的组合。

请参阅图1，本发明实施例提供的基于vr技术的船舶通导设备故障检修实训方法包括如下步骤：

s1、对船舶通导设备常见的故障进行分类整理，形成故障分类树，并基于故障分类树对船舶通导设备及其零部件进行三维建模，形成包括正常状态和故障状态的设备三维模型库，根据故障分类树不同的末级状态节点，设计故障解决方案，并以此生成故障排除树，设备三维模型库、故障分类树与故障排除树共同构成了船舶通导设备vr实训基础库。

具体的，在步骤s1中，根据设备的实际情况，将所要教学和培训的相关故障以分类树的方式进行分类建模，并给出对应的解决方案。并且，在对通导设备的故障信息以分类树方式进行分类整理的步骤中，对于复杂故障，要进一步细分为多个故障点，并通过故障点的并联或串联等组合方式，实现故障的组合，从而支持复杂故障或多重故障设置。

而且，所述故障分类树包括多个末级状态节点，每一所述末级状态节点对应的是所述故障分类树的最后一片叶子状态节点。具体的，所述故障分类树用于分析整理所述通导设备的故障类别，所述末级状态节点对应了所述通导设备具体的不同故障。例如，如图2所示，是与本发明相关的船舶雷达设备故障分类树的示意图。

构建通导设备及其零部件的所述三维模型，即，通过三维建模技术，将所述通导设备及其零部件按照教学要求进行三维建模，并实现零部件的排列组合与基本的配置，支持设备的三维可视化，并实现设备参数的动态显示，例如雷达的屏幕，应能显示目标回波图像信息，显示扫描线、距标圈、船首线等基本信息，并能调取菜单，具有初步的交互三维可视化能力；

其中，针对所述故障分类树中每一个末级状态节点构建所述通导设备及其零部件的包括正常状态和故障状态的三维模型，并最终形成设备三维模型库。

而且，针对所述故障分类树中每个末级状态节点设计故障解决方案，以此构建相对应的故障排除树。

所述故障排除树的包括多个状态节点和连接相邻两个所述状态节点的用户行为操作边。所述状态节点包括故障排除过程中设备状态节点的基本三维模型及其可视化状态，用于显示故障排除过程中，设备的当前状态；

所述用户行为操作边是对所述通导设备进行的操作，如断电、启动、重启、电流表测量、电压表测量、更换配件、旁路等，通过该操作，使得所述通导设备从一个所述状态节点进入另一个所述状态节点。例如，如图3所示，是与本发明相关的雷达发射机故障的故障排除树示意图。

应当理解，所述通导设备包括但不限于雷达设备，还可以是gps、测深仪、计程仪、vdr、组合电台或卫星船站等设备，也可以是其它电气设备。

s2、根据设定的故障选择故障排除树，调取设备三维模型库，生成vr故障场景，显示故障排除树初始状态节点的可视化三维模型。

具体的，所述步骤s2包括如下步骤：

输入所述通导设备的故障信息；

基于输入的所述故障信息从所述设备三维模型库内提取相对应的设备故障三维模型；

将提取所述设备故障三维模型导入vr设备内，生成vr故障场景，并显示故障排除树初始状态节点的可视化三维模型。

而且，在进行教学和实训过程中，“所述通导设备的故障信息”可以根据所需教学和实训的课程来设置相应的故障信息。

其中，所述故障信息的提取需要根据输入的所述故障信息，从所述设备三维模型库内提取相对应的所述设备的故障三维模型，使得教学和实训可以根据需要进行设备故障的设定，进而提高教学和培训的通用性。

其中，所述vr设备可以是vr眼镜、vr头盔等设备，本发明对此不做限定。

s3、获取用户实操行为，与所处故障排除树当前状态节点的用户行为边进行比较，如匹配，则执行步骤s4；如不匹配，则任务失败，进入步骤s5。

具体的，在步骤s3中，包括如下步骤：

基于所述vr故障场景建立单元建立的故障场景，获取学生的故障排除的实操行为；

调取预存储的所述故障排除树，并将所述实操行为与当前状态节点的用户行为边进行比较：

如果所述实操行为与当前状态节点的用户行为边相匹配，则执行步骤s4；

如果所述实操行为与当前状态节点的用户行为边不匹配，则任务失败，执行步骤s5。

s4、判断故障排除树当前状态节点是否是末级状态节点，如是，则实训任务成功并结束；如否，则进入所匹配用户行为边的下一状态节点，并重复步骤s3。

s5、针对步骤s3中失败的实训任务，利用多媒体教学库，向学生推送相关资料，并返回步骤s3。

具体的，在步骤s5中，当步骤s3判断故障排除失败时，系统会根据步骤s3中失败的实训任务，向学生推送设定的培训资料。所述培训资料可以是与学生未排除故障相关的文字资料、音频资料或视频资料，例如如ppt、文档、图片、操作步骤动画等。

需要说明的是，所述资料的目的是让学生对失败的实训任务的正确故障检修操作流程进行全方位的了解和学习，以达到强化培训和学习的目的。

一种根据图1所示基于vr技术的通导设备故障检修实训方法的系统包括：船舶通导设备vr实训基础库单元、vr故障场景建立单元、故障排除单元、多媒体教学库单元和强化实训单元。

所述船舶通导设备vr实训基础库单元用于对船舶通导设备常见的故障进行分类整理，形成故障分类树，并基于故障分类树对船舶通导设备及其零部件进行三维建模，形成包括正常状态和故障状态的设备三维模型库，根据故障分类树不同的末级状态节点，设计故障解决方案，并以此生成故障排除树，设备三维模型库、故障分类树与故障排除树共同构成了船舶通导设备vr实训基础库。

具体的，所述船舶通导设备vr实训基础库单元包括故障分析模块、设备三维模型构建模块和故障排除树构建模块。所述故障分析模块用于对船舶通导设备的常见故障以分类树方式进行分类整理，形成故障分类树；所述设备三维模型构建模块用于基于所述故障分类树对所述通导设备及其零部件进行三维建模，形成包括正常状态和故障状态的设备三维模型库；所述故障排除树构建模块用于基于所述故障分类树不同的末级状态节点，设计故障解决方案，并以此构建故障排除树。

所述vr故障场景建立单元根据设定的所述通导设备故障，从所述船舶通导设备vr实训基础库单元内调取所对应的故障排除树与设备三维模型，生成vr故障场景，并显示故障排除树初始状态节点的可视化三维模型。

具体的，所述vr故障场景建立单元包括：故障信息设定模块和故障初始状态三维模型建立模块。所述故障信息设定模块用于输入设定的船舶通导设备故障信息；所述故障初始状态三维模型建立模块用于根据所述的故障信息设定模块设定的设备故障，从所述船舶通导设备vr实训基础库单元内调取所对应的故障排除树与设备三维模型，生成vr故障场景，并显示显示故障排除树初始状态节点的可视化三维模型。

所述故障排除单元基于所述vr故障场景建立单元建立的故障场景，获取用户的实操行为，与所述故障排除树进行比较，判定实训任务的成功或失败。

具体的，所述故障排除单元包括用户实操行为获取模块和故障排除判断模块。所述用户实操行为获取模块基于所述vr故障场景建立单元建立的故障场景，捕捉学生的故障排除动作形成相对应的故障排除信息；所述故障排除判断模块用于调取所述故障排除树，将所述用户实操行为获取模块所获取的用户实操行为与所述故障排除树当前状态节点的用户行为边进行比较，判断所述故障排除信息是否正确，比较过程如下：如匹配，判断所述故障排除树当前状态节点是否是末级状态节点，如是，则实训任务成功并结束；如否，则进入所匹配用户行为边的下一状态节点；如不匹配，则任务失败。

所述多媒体教学库单元包括船舶通导设备故障检修实训教学的相关资料。其中，所述相关资料包括但不限于ppt、文档、图片、操作步骤动画等影音文字图片资料。

所述强化实训单元针对所述故障排除单元的用户失败实训任务，利用所述多媒体教学库单元，向学生推送相关的多媒体实训资料，并返回所述故障排除单元进行强化训练，其目的让学生对失败的实训任务的正确故障检修操作流程进行全方位的了解和学习，已达到培训和学习的目的。

相较于现有技术，本发明提供的基于vr技术的船舶通导设备故障检修实训方法及系统对通导设备的故障分类整理构建故障分类树，基于故障分类树不同的末级状态节点进行通导设备及其零部件的三维建模并利用虚拟现实技术构建不同的vr故障场景，突破了传统实训方式硬件、环境等限制，使学生身临其境的进行实操训练，获得更为直观的体验，提高教学实训效果。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。