基于IETM的武器装备远程维修训练系统研究与实现
引 言
随着我军装备现代化建设步伐的加快，维修保障的难度加大，对维修人员提出了更新、更高的要求。为了从根本上提高训练质量和效益，美军从20世纪90年代开始，依据“军事训练转型”和“训练技术创新”的指导原则，利用计算机、多媒体和网络等先进技术手段，逐步形成了以“四基”为支撑的数字化训练模式，即：基于电子教室的训练(EBT)、基于计算机的训练(CBT)、基于网络的训练(WBT)和基于交互式课件的训练(IBT)。交互式电子技术手册(IETM-Interactive Electronic Technical Manual)则是其中重要的支撑技术之一。IETM既可作为培训技术资料出版所必需的最为全面、可靠的技术信息源，又可通过共享数据集成和各种培训技术资料的综合利用，扩展出原有技术手册所不能提供的训练功能和维修支持能力。使用者可在装备训练或实际操作、维修过程中，通过与IETM进行实时交互，直接获取全面、生动、准确、智能化的技术指导信息，较好地完成各种训练或实际操作、维修任务。美军通过构建以IETM技术为核心的“信息共享训练环境”，推行装备数字化训练模式，大大增强了训练效果，缩短了培训周期，降低了培训经费投入。本文在分析和借鉴美军开展武器装备技术培训的成功经验基础上，针对我军装备保障信息化建设的要求，探讨了在开发新装备IETM的同时，运用先进的计算机、虚拟现实、专家系统及网络技术，对IETM进行功能扩展，建立基于IETM的武器装备远程维修训练系统的技术方案。
1 系统分析与设计
1.1系统设计的总体目标
基于IETM的武器装备远程维修训练系统的构建将以实现维修现场的智能化培训、维修决策支持和装备远程协同保障为总目标，以实用性、安全性、经济性为建设原则。它主要采用IETM技术集成多种装备维修保障所需的信息源，结合训练与维修专家系统，为维修人员随时随地提供适需的维修技术培训，并为其完成具体的维修任务提供交互的信息支持。此外，维修人员也可与异地专家就某些训练与维修难题开展异(同)步交流，实现全体保障单位人力、智力和信息资源的有效整合。从而构建一个突出个性和开放性的高效、经济的训练模式，以满足部队对高技术武器装备保障人才的急需。
1.2系统的主要功能
整个系统由信息资料管理、智能维修训练、维修指导和远程支援等几个子系统组成，分别完成相应的功能，如图1所示。
(1)信息资料管理。目前这些武器装备的维修训练所需要信息较为分散，且容易流失，不便于使用。为此，系统利用IETM数据库管理装备技术资料和培训课程、训练模拟软件；利用训练与维修综合诊断数据库管理受训者培训过程记录、受训者模型、装备维修数据记录、故障诊断模型以及备件种类、库存信息等；另外还建立专家知识库、问题与讨论信息库以及用户基本信息库，实现对这些信息的综合管理和维护。
(2)智能维修训练。可分为培训课程学习和虚拟维修训练两大部分。为维修人员提供标准化、规范化的装备维修训练课程，在其学习过程中，能够评价学习效果，指出学习中的问题，并根据其接受能力的不同，智能地调节学习进度，改进训练策略。同时，系统提供典型故障的虚拟维修训练环境，模拟装备的工作过程、面板按钮、内部连接、元器件及检测仪器等，使受训者如临维修现场。
(3)维修指导。系统利用专家系统技术，综合领域专家经验和有关技术资料、信息，为用户推荐可行的故障诊断、修理方案。系统将记录每一步操作过程后的装备状态监测参数，智能化地提供操作指导、所用材料信息以及相关的扩展知识。受训者可要求系统解释诊断推理过程，从中学到诊断与维修经验，也可根据自身的知识水平和维修任务的紧急程度自主选择是否需要呈现扩展知识。扩展知识采用问题的方式引出，可用文字或图表的形式来展示，内容一般不长，主要涉及装备维修、故障诊断理论和系统的原理、结构等知识。用以配合智能维修训练子系统，帮助受训者在有工作背景的条件下更好地学习。
(4)远程支援。当受训者在维修训练中遇到难题，或是在实际维修工作中遇到无法修复的故障，可通过系统以电子邮件的方式，将各种问题和有关的装备技术参数传输给远方的训练、维修专家，请求技术支援；也可以在线讨论的形式与异地的同行、专家进行实时交流；必要时还可利用远程视频支援系统传送维修现场的故障装备图像，专家能够随时观察受训者的操作过程，并及时给出建议，协助受训者完成维修任务。
1.3系统网络体系结构设计
系统将结合XML、ASP、ADO.NET和JavaScript等技术，采用客户/服务两层架构，如图2所示。
服务端设网络化训练与维修工作站，由Web服务器、应用程序服务器和数据库服务器构成。IETM数据库等各类数据库驻留于数据库服务器，分别存储和管理训练、维修中涉及的不同类型数据。信息资料管理软件、维修训练管理软件、训练与维修辅助专家系统软件以及远程支援功能软件驻留于应用程序服务器，共同完成系统的主要功能。客户端对应一便携式训练与维修辅助装置，实际上是一个可嵌入武器装备的微型计算机，可以联网模式或单机模式工作。它带有数据总线和测试接口，可实时接收装备的内检测结果、技术参数和工作状态等数据。采用Web浏览器为用户引入系统工作界面，浏览器上可运行以Java Applet形式存在的客户端应用程序，并带有便携式数据库，临时存储装备状态监测信息和从网络服务器下载的训练与维修辅助资料信息，方便系统在维修现场以单机模式运作。
2系统主要信息流程
基于IETM的武器装备远程维修训练系统除了集成大量的多媒体信息以外，还提供对各种信息的处理手段，能够智能化地满足不同用户在不同条件下的信息需求。其信息处理方式主要有一般信息处理模式和自适应信息处理模式。
2.1一般信息处理模式
系统最基本的功能是为武器装备维修技术人员提供装备训练与维修信息的查询、浏览、数据检索、上传和下载等服务，辅助其完成维修训练与实际维修工作。在这种情况下，将采用一般信息处理模式。用户通过网页形式的系统工作界面提出服务请求，该请求将以XML文件的形式通过Web浏览器传递给系统的Web服务器。Web服务器处理用户请求，激活应用程序服务器中相应的应用程序。该程序执行服务请求，通过SQL和ADO.NET访问数据库服务器，得到用户需要的信息，而后把这些信息组合起来，动态生成一个XML文件，通过Web服务器发送回用户端Web浏览器，同时返回一份XSL排版样式文件。Web浏览器负责解释XML文件并将其转换为HTML形式呈现给用户。
2.2自适应信息处理模式
为了能够针对受训者不同的知识层次、工作经验和认知程度，智能地调节训练课程进度，采取不同的训练策略，为受训者提供个性化、智能化的维修训练服务，系统必须采用自适应信息处理模式，较好地解决技术信息的适应性问题。图3说明了系统为满足用户的课程学习请求所采用的自适应信息处理模式。用户登录系统后选择开始培训课程学习，该请求经Web服务器启动应用程序服务器上的维修训练引擎予以执行。该引擎负责首先调用训练与维修辅助专家系统，分析采取何种训练策略，为用户呈现本次学习内容。专家系统通过访问用户培训过程记录，收集其上次学习时间、学习内容、测试评估数据，并从受训者模型库中获取其以往工作经历、受训情况、综合技能等级等信息，再结合知识库中的培训经验和规则，分析推理得出适合的训练策略，将此策略回传给维修训练引擎。该引擎再调用培训内容生成模块，由生成模块根据分析得出的训练策略通过访问IETM数据库，获得用户需要学习的课程内容，回传给维修训练引擎。最后，该引擎通过Web服务器将本次学习内容传递给用户，同时调用培训过程记录模块将用户本次学习过程记录到数据库，为其下次学习做准备。
自适应故障诊断与维修辅助功能的实现同样也是采取自适应信息处理模式，与自适应课程培训不同的是，此时要求系统能够和武器装备实时通信，获取装备当前的状态监测参数，然后综合用户的经验、技能水平及其他与维修任务相关的辅助信息，经推理计算得出可行的故障诊断和修理方案。该方案将包含装备故障诊断与修理的一系列子任务，每个子任务对应唯一的标识符。用户选择某项子任务的操作，该子任务对应的标识符即被传递给自适应故障诊断引擎，经启动维修指导信息生成模块访问IETM数据库后，将获取的相应操作指导和扩展知识信息提供给用户。用户所有子任务完成后的确认信息、观察结果以及任务操作成功或失败与否的信息也将回传到故障诊断引擎，以便及时分析调整诊断、修理方案，或进行下一个任务的操作，开始新的工作周期。系统由此一步步引领用户完成所有修理操作，因而对其交互性方面的要求更高。
3系统实现的关键技术
3.1信息检索集成技术
本系统是对一般IETM的功能进行扩展而得到的一种新的综合性信息系统，其功能实现的关键之一在于为不同的应用程序和用户之间提供一致的数据，避免产生信息二义性。因而需采用基于本体的Web信息检索与集成技术，其实现步骤如下：
(1)本体库的建立。从维修领域的概念分类入手，根据概念描述的对象特征，把概念分为静态和动态两种。其中，静态概念如装备结构、零部件属性等，动态概念如维修、故障诊断过程中的动作、状态等。并刻画概念的属性和概念关系，形成本体。
(2)信息处理。参照已建立的本体，将收集的信息和数据按照规定的格式收集整理存储到数据库中。
(3)查询处理。从用户检索界面获取查询请求，查询转换器按照本体把查询请求转换成规定格式，在本体的协助下从数据库中匹配出符合条件的数据集合。
(4)检索结果处理。检索的结果经过定制处理后，返回给用户。由于基于本体的可共享知识表示手段是技术手册创作的坚实基础，在上述过程中，本体库的开发最为至关重要，由它来统一底层信息源的语义。本体作为数据库的分类索引，限制了数据查找的范围，极大地提高了查找的效率。
3.2专家知识系统
训练与维修专家系统的具体功能包括训练、维修策略生成、知识规则的获取与管理、推理过程记录与解释、数据库接口等功能，其设计方案如图4所示。其中任务管理模块负责根据不同的任务需求调度不同的任务模块，并实现各模块间数据和信息的传递；动态数据库存放推理过程的中间结果和推理路径；诊断过程解释模块基于动态数据库中保存的诊断过程信息，向用户提供推理过程的解释；知识库管理模块具有对知识库的规则进行添加、编辑、删除、修改、浏览等功能；数据库接口用于调用或修改数据库的相关信息；各种装备故障征兆、检测结果等通过初始数据输入模块输入，启动专家系统的咨询过程。推理机的推理采用包含逆向精确推理和逆向不精确推理的双推理机制，前者可用于维修人员学习诊断推理过程，后者辅助用户完成具体的维修任务。
