复杂虚拟训练仿真系统设计研究*1



复杂虚拟训练仿真系统设计研究*1

王赟

(北京机械设备研究所，北京100854)

摘要：为了满足信息化条件下复杂装备虚拟训练的需求，在阐述了装备虚拟训练仿真系统的分类的基础上，将训练与试验使能体系结构与高层体系结构进行对比分析，建立了基于二者相结合的系统运行支撑总体框架，描述了训练系统所包含的岗位教学演示、单兵与协同岗位训练、指挥视角监测等基本功能，设计了仿真系统的数据交互与工作流程，并结合虚拟训练仿真系统的实例，说明系统的实现形式。

关键词：复杂系统；虚拟训练；高层体系结构；训练与试验使能体系结构；系统框架；交互设计

0引言

传统的实装训练模式在信息化装备训练过程中存在2方面问题。一方面，装备数量有限而受训人员较多难以满足训练需要，并且装备在反复操作过程中，人为因素导致装备磨损，不利于其自身的维修与保养；另一方面，复杂大型装备不能直观展示内部组成、工程原理与维修流程，出现错误不存在挽回余地，严重影响了操作人员对技能的理解与掌握，制约了作战部队整体战斗力的快速形成。

虚拟训练与仿真技术克服了实装训练成本高、效率低、场地受限等缺点，具有安全、经济、可重复、可分析、无条件制约等优势[1]。通过建立虚拟训练仿真系统，有效地降低了训练成本，减少了武器装备自身的损耗，对训练数据的记录实现了事后的分析与仿真回放，再现了装备特定的状态和操作的细节，通过现代化的训练手段激发了受训人员的浓厚兴趣，训练频率的提升为岗位人员深入了解系统组成原理、快速掌握操作技能为完成作战任务夯实了基础。

1装备虚拟训练仿真系统分类

装备虚拟训练仿真是实际训练过程在虚拟环境下的推演，反映的是装备、操作人员和训练环境之间的互操作行为与状态，是计算机仿真环境中人在回路的模拟。人作为主体将支配和驱动虚拟环境中装备部件的操作与响应，装备与虚拟环境作为客体对人的行为具有一定的约束。

虚拟训练根据虚拟对象和训练目标的不同可分为载体操纵型、过程控制型和博弈决策型3种类型[2]。按照参与训练人员数的不同分为装备操作单兵训练和装备操作协同训练2类模式。装备操作单兵训练主要依托仿真系统提供的操作流程来引导受训人员，如航天器或者地面车辆的驾驶训练等；装备操作协同训练提供多名操作手同时参与到一个虚拟场景中人在回路的协同配合交互过程，如跟踪雷达、导弹、发射车、电源车、测发控设备等武器装备完整过程的训练。

装备虚拟训练仿真系统主要由训练理论与教学科目设计、训练内容管理、训练数据集成存储、训练仿真程序与运行支撑平台组成，其总体技术框架如图1所示。

图1　总体技术框架图Fig.1　Overall technical framework

通过图1的分析可以看出，装备虚拟训练仿真系统是结合装备特性与操作特点搭建而成的具有人机交互训练功能的培训平台。

2基于TENA-HLA的系统体系结构建立

为了促进仿真系统间的互操作，促进仿真组件化的重用，建立了建模仿真高层体系结构，为了满足作战试验与训练领域的快速高效地靶场的互操作与重用机制，建立了训练与试验使能体系结构。这2种体系结构已经成为现行虚拟仿真主流支撑平台。

2.1高层体系结构

HLA是一种分布交互式仿真体系结构，由规则、对象模型模版和接口规范3部分组成[3-5]。在HLA框架下，为达到某一特定仿真目的而设计的分布仿真系统称为联邦，它由若干相互作用的联邦成员构成，各联邦成员之间通过运行支撑框架(run time infrastructure, RTI)进行通讯与互操作[6-8]。RTI是HLA规范的核心，也是联邦执行的核心，其功能类似于分布式操作系统的总线，是联邦执行的中间件。采用以RTI为核心的星形拓扑结构为联邦成员提供运行的实时管理服务[9]。

基于HLA的仿真主要解决仿真逼真性和仿真全面性2方面问题[10]。结合操作手、虚拟样机与仿真管控之间的内在联系，在联邦成员过程仿真模型设计的基础上得到系统联邦成员的结构如图2所示。

装备虚拟训练系统联邦成员结构式在单兵操作装备虚拟训练子系统的基础上增加了联邦成员间交互模型，对各个联邦成员间的交互作出及时的处理，并同步更新各个联邦成员的虚拟环境，仿真数据库则增加了分布交互数据的存储，为联邦成员间的交互提供数据支持。

2.2训练与试验使能体系结构

TENA的设计促进了试验与训练的互操作、重用和可组合性, 可以根据具体的任务需要将分布在各靶场、设施中的试验、训练、仿真、高性能计算能力集成起来, 构成一个试验和训练的逻辑靶场整体[11]。

逻辑靶场的开发是以C4ISR体系结构框架为参照，从功能、运作、 技术3个角度分析装备虚拟训练背景下的逻辑靶场需求，明确各组成部分之间的信息交互关系，逻辑靶场系统体系结构总体框图如图3所示。

图3中，TENA兼容的靶场资源应用程序是由开发人员建立，附属添加到逻辑靶场中，通过中间件的交互设计，执行和实现各种仿真功能的。与HLA类似，靶场资源应用的功能主要包含数据采集、数据处理、训练环境、信息显示、运行控制、信息传输等6个基本要素[12]，即TENA总体框架的主要内容所在；TENA工具是指通用的、可重用的应用或者组件，是复杂系统高效仿真的重要特点；TENA中间件是高性能、实时、低延迟的通信基础设施，中间件与逻辑靶场对象模型(LROM)的对象定义一起链接到每一个TENA应用中，完成对对象管理、靶场管理、资源回调、发布订购声明等的支持[13]；TENA仓库是一个数据的仓库，更是逻辑的仓库，它包含实现逻辑靶场应用级可组合所必须的信息，包括LROM、与对象定义和实现有关的元数据、状态分布对象(SDO)方法的标准实现、对象代码、TENA 中间件的软件库、TENA 实用程序和工具的可执行版本、TENA 文档、逻辑靶场运行的历史数据信息等；TENA网关则是兼容与不兼容系统的过渡桥梁，借助于TENA网关形成时空统一的整体。

图2　联邦成员结构图Fig.2　Structure of federation members

图3　逻辑靶场系统体系结构总体框图Fig.3　Overall architecture of logic range system

2.3基于TENA的平台HLA的接口组件

TENA与HLA侧重点有所不同，但是主要目的都是完成仿真系统的互操作性与重用性，两者之间存在相互集成关系[14]。TENA 针对试验与训练领域的特定需求对HLA 进行了扩展，提供了试验和训练所需的更多特定的能力。HLA 比TENA 更灵活，适用范围更广，而TENA更专用，在HLA的基础上扩展，对试验和训练提供了更多的支持[15]。对于大量已有的HLA 兼容的仿真试验或训练资源的重用与互操作，TENA 则通过TENA-HLA 网关来特别加以解决，完成系统之间的兼容。

针对复杂装备虚拟训练仿真系统既贴近靶场应用集成性训练，又需要借助仿真系统框架建模，则将TENA-HLA相结合，将逻辑靶场理念融入仿真框架与建模设计之中，实现兼容与非兼容系统之间的联合操作。

3基于TENA-HLA装备虚拟训练仿真系统设计

3.1系统功能描述

复杂装备虚拟训练仿真系统主要完成与实现对相应岗位受训人员的操作培训，针对按照设备、系统的级别不同，从不同角度与侧面对受训人员进行培训，使受训操作者理解系统的工作原理、熟悉系统的操作流程，掌握系统的维修使用调试等相关内容。虚拟训练仿真系统基本功能包括如下几个部分：

(1) 岗位教学演示

通过动画或者视频演示系统级、分系统级、设备级与组合级装备的物理结构、工作原理、操作流程等。

(2) 单兵操作训练

根据不同的岗位操作职责，结合操作岗位所在的分系统开展人在回路的单闭环训练，训练只允许一个岗位操作人员参与，余下内容通过仿真环境生成，实现岗位操作的强化训练。

(3) 协同操作训练

将不同岗位操作人员进行集成的多闭环训练，按照某个特定的情况，完成岗位人员相互配合的操作，达到协同训练的目的。

(4) 指挥视角监测

从教练员的角度对受训人员进行操作监测，进而指导受训人员，最终提高受训人员的操作水平。

3.2系统框架设计

通过对复杂装备虚拟训练仿真系统功能进行分解，结合装备内在的逻辑结构，融合TENA靶场训练理念，采用基于HLA的高层体系结构设计如图4所示仿真系统联邦框架。

图4　仿真系统联邦框架Fig.4　Federation framework for simulation system

训练系统采用虚拟现实的形式模拟真实战场环境条件下的作战过程，各分系统操作岗位人员根据设备工作原理与条件根据实时虚拟图像展示完成设备的单兵操作与系统的协同操作。通过TENA-HLA网关相连的各系统设备主要功能为：

仿真管理联邦成员：提供RTI运行环境和监控RTI服务器、RTI 运行状态等。

岗位操作联邦成员：实施各个岗位的操作训练，通过实物操作面板和软件界面模拟参数设置、技术状态调试、故障排除等操作过程。

视景显示联邦成员：以二维或三维可视化的方式显示战场态势，演示系统工作流程，工作状态以及训练效果等。

数据库：存储模拟训练过程中涉及的各类数据，如训练科目表、训练参数表、故障参数表、训练操作记录表、训练状态表、训练结果表等。

3.3系统流程与交互设计

系统对于操作人员的训练主要包括教学演示、单兵训练、协同训练3部分，系统流程如图5所示。利用TENA-HLA支撑平台设计的仿真系统的核心是通过软总线实现信息在联邦成员之间的流通，也就是HLA对象模型中发布订购数据的设计。HLA对象模型是仿真对象模型 (SOM)和联邦对象模型 (FOM)的集合。SOM是描述单个仿真成员的自身功能，以及如何与其他仿真成员进行互操作的规范说明。FOM是对联邦成员间信息交互的规范化描述。在建立基于TENA-HLA的联邦成员组成的基础上，根据各成员的属性和交互关系设计和开发联邦和仿真对象模型(FOM/SOM)，并完成FOM 中对象类、交互类及属性的映射，最后利用RTI 软件工具实现仿真系统中各联邦成员的信息交互。

4仿真系统实现

以某型号虚拟装备仿真系统为例，采用上述仿真系统设计方法，结合先进的虚拟现实技术和分布式交互式仿真技术构建了基于TENA-HLA的具有沉浸感的支持多人协同训练的靶场虚拟训练系统。受训者通过鼠标，键盘和操纵杆等人机交互设备在虚拟训练系统中进行作战操作等科目训练，掌握了系统的基本原理，熟练操作程序，积累了操作经验，大大增加了训练频度，提高的武器系统驾驭能力。

图5　仿真系统流程Fig.5　Simulation system process

(1) 演示模块

演示模块主要通过菜单选点，为受训人员展示被训练科目的动画，使其对培训内容有一个直观、深刻地了解，便于操作内容的掌握。

(2) 单兵模块

某型号装备主要由供配电机柜、转塔控制机柜、武器系统控制操作台以及发射转塔四大部分组成。以供配电机柜为例，单兵模块主要训练了供配电机柜加电、供电全过程以及不同开关的时序逻辑关系。仿真系统利用Virtools图形引擎进行制作，给予受训人员友好的操作感、真实的画面感与沉浸感。HLA中采用基于事件的时间推进机制，将人为对仿真平台中按钮的按动响应为仿真系统的实际状态。图6为装备虚拟训练仿真系统中供配电机柜的人机交互界面，为了更加直观展示出操作流程而注明了操作步骤。操作手借助于鼠标按照使用说明书要求， 依

图6　供配电机柜虚拟系统训练图Fig.6　Training diagram for virtual distribution system

次扳动主开关→拨动观察三相电压→扳动机柜加电开关→扳动各分系统加电开关→扳动观察直流电压输出组合电压指示值→通过指示灯确定分系统加电状态，完成供配电机柜加电操作，完成该项目的操作培训。

(3) 协同模块

系统的协同操作训练模块主要是完成一个整体任务的不同分系统协同配合过程训练。以完成某次防御作战为例，仿真系统模拟生成来袭目标信息，在各分系统工作正常情况下，在武器系统发现目标之后，操作手1在转塔控制机柜处本地解锁转塔，之后操作手2在武控台为转塔施加使能，并选取自动加电、 自动发射模式， 完成自主防御对来袭目标的攻击，具体流程如图7所示。仿真系统采用基于事件的时间推进机制，每一个操作步骤在后台都有记录，便于后续的训练评估考核。

图7　自主防御对来袭目标的操作训练Fig.7　Operation training for selfdefense

训练完毕后对受训人员操作情况进行考核。以单兵配电机柜加电项目为例，记录S1～S5每个步骤时戳，相邻步骤间隔需小于10 s，超时一次扣10分，步骤错误一次扣20分，求助一次扣5分，满分100分。从数据库中截取101号手5次操作训练数据记录如表1所示。

表1　操作训练数据

通过101号手操作训练数据记录，可以看出，选手在经过一段时间训练之后，虽时间推移，操作技能呈上升趋势，如图8所示，说明虚拟装备训练实现了对岗位人员培训以尽快掌握技能的目的。

图8　操作数据分析Fig.8　Operation Data Analysis

5结束语

装备虚拟训练是军队装备水平日益提高的产物。本文阐述了复杂装备虚拟训练需求，结合虚拟训练仿真系统分类的基础上，将训练与试验使能体系结构与高层体系结构加以对比，并最终建立了TENA-HLA系统运行支撑的总体框架。在对虚拟训练系统功能进一步分解和探索的前提下，对系统交互与运行流程进行设计。最后以某型号虚拟装备仿真系统为例，探讨了仿真系统中单兵、协同岗位操作的实现形式，说明系统能给予受训人员良好的技能训练与能力提高。本文提出的系统设计方法可为类似训练仿真系统的构建提供一定程度上的借鉴。

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Complex Virtual Training Simulation System Design

WANG Yun

(Beijing Institute of Mechanical Equipment, Beijing 100854, China)

Abstract:In order to meet the demands of virtual training for complex equipment under the information conditions, in the expatiation of different kinds of virtual training for complex equipment, high level architecture and test and training enabling architecture are compared, the overall framework of high level architecture and test and training enabling architecture for run time infrastructure is presented. Four kinds of system functions are introduced, including teaching demo, operation training for individual soldier, operation training for collaborative soldiers, detecting by commands etc., data interaction and simulation flow are designed. Based on one virtual training simulation system, the realization for simulation system is given.

Key words:complex system; virtual training; high level architecture (HLA); trainingand test enabling architecture (TENA); system framework; interaction design

中图分类号：TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-06-0215-08

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.06.038

通信地址：100854北京市142信箱208分箱E-mail：wangyunbihu@163.com

作者简介：王赟(1988-)，男，辽宁大连人。工程师，硕士，研究方向为复杂系统仿真与军事运筹。

*收稿日期：2014-09-23；修回日期：2014-12-21