基于分块取景的标准化舰艇作战训练模拟台设计

孙永侃，李雪飞

（海军大连舰艇学院作战软件与仿真研究所，辽宁 大连 116018）

基于分块取景的标准化舰艇作战训练模拟台设计

孙永侃，李雪飞

（海军大连舰艇学院作战软件与仿真研究所，辽宁 大连 116018）

针对标准化舰艇作战训练模拟显控台的研制，分析了目前模拟台发展的现状及问题，设计了基于分块取景的标准化模拟台的逻辑结构，阐述了取景控制原理、系统通用的硬件配置组成以及软件架构，提出了模拟台的使用流程。新的模拟台能够更好地满足多种类、多型号武器装备的模拟需求。

分块取景，标准化，舰艇作战训练，模拟台

0 引言

随着仿真技术的发展，舰艇作战模拟系统借助其经济性、安全性、高效性、逼真性等诸多优势，在海军训练装备建设中的地位日益凸显，成为舰艇训练的主要方式之一。相关部门对舰艇作战模拟系统的设计开发投入了很大努力，并取得了显著成果。

由于应用背景不同，目前主要存在软模拟、硬模拟以及软硬结合模拟3种方式来满足和实现不同的应用条件。其中，软模拟通过采用通用计算机运行战术软件的方式来实施战法研究、教学、科研等任务。而用于部队官兵模拟训练来实现对实际装备的熟练掌握，则通常采用硬模拟，即与实装1∶1的模拟。但是由于舰艇作战武器系统的种类与型号众多、引进与国产装备并存、短时期内新旧装备并用等客观发展现状，使得相应装备的操作部件也多种多样。因此，以往采用硬模拟研制的模拟显控台多是针对单一种类、单一型号的装备设计其仿真台，造成系统相互之间移植性差，操控按键及面板等各式各样从而降低了再次开发、资源重复使用的效率。所以提供一种能够实现多种类、多型号作战装备模拟训练的环境，并且能够根据训练需要选择或更改显控装备的类型，即建立一种标准化的模拟显控台，对于海军训练装备的强劲发展意义深远。

为了既能实现多种类、多型号装备系统的模拟，同时又能满足为受训人员提供逼真的手动操作环境，本文参考显控台标准化的建设思路，采用软、硬模拟相结合的方式设计了一种标准化的模拟显控台。

1 系统设计

1.1 设计要求

舰艇武器设备实装在信息输入接收原理、处理过程和输出信息的过程基本相似，只是在电子元器件、结构、信息显示方法及输入输出通道等方面存在差异［1］。而模拟系统则是采用计算机技术实时地仿真舰艇武器装备的操作使用界面和动作过程，因此，在把握模拟实装、简化结构的程度上，提出了如下设计要求：

（1）尽量在人机界面、操控反映、功能实现等与实装显控台保持一致，力求形似和神似。

（2）采用统一的标准的结构，改型只是细微的局部，如操纵杆/跟踪球。

1.2 功能结构设计

方法上，应当尽可能把现有的显控台分类，从原理、体系上探究其通用、特异的组成部分，在此基础上参考实装标准显控台的建设思路建立标准化舰艇训练模拟台的构建体系。

目前研制的显控台从功能与组成上基本上可划分为以下几个部分［2-5］：

（1）显示部分。采用若干显示器显示图形界面、表页内容等；

（2）技术操作部分。主要是受训人员执行各种操作的战术命令菜单、操控面板、触摸按键等。不同武器设备显控台上的按键及其具体功能可能存在不同，但从宏观上均是操作部件；

（3）关键操作部分。对装备的特殊控制，主要包括操纵杆或跟踪球（摸球）；

（4）其他辅助部分，如主机、电源控制、鼠标、键盘等。

相应的，建立标准化模拟显控台可以将系统的功能结构分为4个区，即：图表区、操控区、关键部件区和辅助部件区。

图表区，即以图形界面或表页的形式显示武器及设备工作状态、重点目标参数等各种信息，可进一步详细划分为图区和表区，在仿真台上可以同时存在图与表，也可以单一存在。如雷达回波扫描界面、炮瞄仿真界面、三维视景及视频、观测器界面等可以在图区显示，而武器设备搜索、跟踪目标的参数、射击诸元信息以及其他工作状态等可在表区显示。

操控区，即将实装中为受训人员提供的技术操作界面，如显控台上的各种按键以及控制面板、触摸按键等统一归为操控区，是受训人员对仿真台的操作训练区域。

关键部件区，主要是根据特殊装备而定，操作手（受训人员）对其执行手动操作，主要包括操纵杆或跟踪球。

辅助部件区，包括主机、电源控制、鼠标、键盘及内部通讯装置等。其中电源控制实现对模拟台的电源管理、复位；键盘和鼠标用于计算机操作系统及仿真系统的管理；内通装置实现训练模拟显控台局域网络之间的内部通信。

显控台的功能从宏观上看，主要就是“显示”与“控制”。目前，显控台的“显示”功能基本上均是使用显示屏，硬件基本相同，而“控制”功能的实现（即技术操作部分与关键操作部分）则采用了多种多样的面板、按键等来满足不同的武器系统要求。因此，为了达到标准化模拟显控台的设计目标，采用软模拟的方式（即通过触摸显示屏以虚拟仪表的方式）仿真实现“控制”部分（主要是操控区），并在以上4部分区域的基础上添加“取景区”来实现对不同种类、型号武器装备操控区的取景控制。

图1 标准化舰艇训练模拟显控台的逻辑结构示意图

取景区的作用主要是：

（1）显示系统的全局状态，以便在全局状态上进行取景。主要包括3种显示情况：①显示单显控台状态；②显示一组武器系统的多个显控台状态；③显示特定训练情形下组合的多个显控台状态。

（2）控制操控区操作内容的选取，即操控区的操作内容是可以人为改变的，而改变的方法是通过对取景区取景器的控制和设置。取景的内容即操控区的操控内容，主要包括：①武器装备显控台战术使用菜单的触摸按键、热键等；②功能操作面板（按钮、按键、工作状态指示灯等）。

受训人员通过设置取景器，改变取景区中取景器的位置、大小等因素，可在全局状态上实时取景。取景内容除了放大后直观、清晰地显示在操控区上面外，还可由受训人员直接在操控区上面进行操控，操作反映将直接反馈到系统的全局状态上面。

1.3 取景控制原理

1.3.1 系统全局状态

根据训练需要，在取景区显示一台或多台仿真台的工作状态，可以通过仿真台的三维模型来显示。系统的工作状态主要包括：

（1）仿真台图表区显示屏显示内容；

（2）仿真台操控区操控内容；

（3）仿真台系统操作提示灯、指示灯的状态及其他操作后系统的状态反应等。

由此可以看出，取景区显示的系统全局工作状态实际上就是一台或一组训练仿真台在宏观上工作状态的全景图，包括仿真台的显示屏、触摸屏、技术操作面板、关键部件以及指示灯、机柜、外壳等在内，其中操作与显示的内容（显示屏、触摸屏、技术操作面板与指示灯）是状态显示的重点。

1.3.2 取景方式的选择

取景区通过对取景框（取景器）的控制来实现图表区显示内容与操控区操作内容的选择取景。所谓“景”主要是武器及设备显控台的全局工作状态，而取景则是在系统全局状态上选取显控范围和内容。

通过取景器（框）在系统全局工作状态上取景可以有多种方式，如可以手动在全局状态显示界面上任意位置建立任意大小矩形、圆形或任意形状的选区，作为取景器取景内容；也可以建立一个可调节的取景框在显示界面上拖动直至合适位置等。归纳起来，可以看出取景区的取景存在两种方式：

（1）连续取景

所谓连续是指取景器在系统全局状态显示界面上移动的轨迹是连续的，因此，在图表区、操控区显示与操作的内容也是连续的，即取景器可以到达状态显示界面的任意位置。实现了取景方式自由度的最大化。

（2）分块取景

即按照功能差异，人为地将仿真台的显控屏幕与面板进行分组，每一组由独立的一块区域提前定义好。那么需要进行控制取景时，取景器就在这些提前设置好的块状区域内取景，同时可以控制取景器的大小以覆盖其所在区域的部分或整个区域内容。采用分块取景的方式，取景器的移动轨迹一般是离散的，甚至是固定的。

采用连续取景方式在理论上无疑是最理想的选择，因为相对分块取景而言，通过拖动取景器即可实现全局状态的任意位置取景，不需要定义系统的取景区域，也不需要对操控按键、面板、显示屏等进行分组。但是从技术实现角度来看，实现的难度比分块取景要大。另外分块取景的移动轨迹是固定的，并且取景器的取景范围一般都是图表区、操控区的重点显控范围，只需提前定义好这些重点区域。因此，从操作的角度来看，采用分块取景方式更为便捷。

1.4 硬件配置组成

标准化舰艇训练模拟台的硬件除了采用高性能的工业控制计算机、标准化的机架结构和机柜以外，还包括下几个部分组成：

（1）显控部件：主要包括通用液晶显示器和触摸显示屏，其中液晶显示器主要显示图表区、取景区，触摸显示屏则作为操控区显示取景内容；

（2）关键操作部件：包括操纵杆或跟踪球；

（3）其他辅助部件：包括标准键盘、鼠标、内通电话、蜂鸣器（警铃）、电源开关及复位键等。

模拟台的人机界面主要分为图（或表）显示、取景显示、操控显示与输入、跟踪球（或操纵杆）输入、键盘（鼠标）输入5类，按照这5种类型的信息特征就可构造出标准化模拟台的人机界面。每个模拟台都可由这这5种类型的通用部件构成。

图2 标准化舰艇训练模拟显控台硬件组成

1.5 软件基本构架

标准化舰艇训练模拟显控台软件主要由支撑软件、模拟台战术仿真软件和取景功能应用软件3部分组成。

1.5.1 支撑软件

操作系统选用Linux系统。战术仿真、取景控制应用程序的编写和开发采用Visual C++，数据库软件、三维建模等根据技术条件可分别采用Oracle、Maya专业软件等。

1.5.2 模拟台战术仿真软件

整个训练模拟系统的战术软件主要由导演控制和装备仿真两部分组成［2］。通过导演控制，在仿真开始前确定每次系统执行的具体的想定和决心，设置临时情况并对想定进行补充，指派模拟台角色，设定对抗双方初始毁伤等。装备仿真部分实现舰艇作战系统的主要模拟操作，模拟武器、设备系统。

根据需要战术仿真软件可集成在每一模拟显控台内，也可按模拟台所显控的类型集成到整个软件构架中。这样可实现模拟台功能的最大化。例如：如果仅采用一台模拟台实现对所有武器与设备系统的训练，则需将与之相应的所有战术仿真软件集成到一起，然后通过控制取景来选取要操控的对象和内容。同理，也可由若干台模拟台组成单一的武器系统。

1.5.3 取景功能应用软件

取景功能应用软件主要包括辅助设计软件和取景软件。辅助设计软件即辅助设计人员设计模拟台的显示模型，包括模拟台机柜框架三维模型库和操作控件库。模拟台机柜框架三维模型库提供模拟显控台机柜三维模型，机框嵌入的硬件部分（如显示屏、功能面板）等可由设计人员按照实际装备进行设计。操作控件库主要是用来设计显控台的功能面板，其中集成各种类型武器装备系统中的按键、开关、针表器、数表器等部件，将目前现有装备中的上述部件尽可能全地进行分类，然后按照类型的不同，定义好不同类型操作控件的动作、状态及其特定功能，最后利用操作控件库组成与实装一致的虚拟功能面板。通过辅助设计软件设计出武器装备系统模拟台的模型，模型中模拟的显示与操作部件在位置、外观与功能上尽量与实际装备保持一致。

设计完成后的训练系统（包含若干模拟台）的运行状态在取景软件上显示。取景软件主要由系统全局状态显示和取景器构成。系统全局状态显示的是选定模拟台的运行状态，具体见1.3.1。取景器主要有两方面功能，一方面是取景，取景器设置取景框的大小、位置等参数，高亮显示在系统全局状态显示界面上面。另一方面是控制取景框所选取的内容放大显示在操控区的触摸显示屏上面，由受训人员对操控区内容进行操作并反馈到系统全局状态显示上。

图3 标准化舰艇训练模拟显控台软件架构

2 系统特点及使用流程

2.1 系统特点

（1）该系统最显著的特点是利用分块取景技术，采用虚拟仪表、按键、面板的软模拟方式解决模拟多种类型号武器设备系统显控台操作部件的差异问题；

（2）功能全面。通常受训人员完成一次系统性的训练，需要多战位配合协作，因此，舰艇模拟训练系统是由多台模拟台的。采用分块取景的标准化模拟台，可使每台模拟台的功能实现最大化，满足全系统任何台位的模拟需求。既能按照实际战位进行配置，又能仅通过一台模拟台实现全系统的模拟与训练；

（3）可扩展性强。随着海战装备的不断革新，新装备从外观、操作上将会产生一定的变化，采用分块取景的标准化模拟台，只需对相应新装备的战术仿真程序与模型进行添加，因而具有较强的可扩展性；

（4）模拟环境逼真。标准化模拟台模型设计采用与实装一致的操控面板、操作流程与系统反映，模拟作战效果、海战场环境视景等，增强了操作的情景带入性。

2.2 使用流程

标准化模拟显控台在使用上具体可以分为3个阶段：

（1）设计阶段。根据装备发展现状，系统可将不同种类及型号的装备显控台模型与战术仿真软件进行集成，并建立通用模板。训练前，设计人员根据特定的训练内容与对象，对台位、功能、操控面板等进行针对性的设计，实现模拟训练系统与实际训练系统的一致；

（2）设置阶段。根据每一次具体训练内容的需要，选取若干战位参与模拟训练，可由训练组织者或设计人员实施初始训练设置；

（3）训练操作。训练过程中，受训人员可对取景区分块取景的位置进行实时更改，从而使操控区显示不同的操作内容进而实施操作。如采用大尺寸触摸显示屏，并能够将系统全局状态显示中操控区中所有的操控内容放大显示出来，则无需实时取景。受训人员的操作动作发出后，系统全局状态显示界面中指示灯的亮灭、按键的颜色等产生相应变化，直至整个训练过程结束。

图4 标准化舰艇训练模拟显控台使用流程

3 结束语

为满足多类型武器装备系统的通用化模拟需求，本文提出基于分块取景的标准化模拟显控台的结构框架，按照逻辑关系将标准化模拟台划分为取景区、图表区、操控区、关键部件区和辅助部件区5个区域，对模拟台的取景控制原理和通用化的硬件配置组成进行了重点阐述，设计了模拟台的软件组成框架及系统使用流程，可为模拟训练装备建设提供参考。

［1］滕克难.舰空导弹通用化显控台设计与工程实现［J］.弹箭与制导学报，2007，27（4）：236-239.

［2］孙永侃.基于HLA的作战系统训练模拟系统设计与实现［J］.海军大连舰艇学院学报，2006，29（增）：17-20.

［3］孙永侃，王孝通，邹文萌，等.导弹驱逐舰模拟训练系统［J］.系统仿真学报，2002，14（4）：525-526.

［4］孙永侃，熊正祥.新型驱护舰作战系统仿真设计与实现［J］.系统仿真学报，2012，24（4）：902-906.

［5］孙永侃，徐永杰，徐建志.基于仿真的水面舰艇作战能力评价研究［J］.火力与指挥控制，2007，32（3）：45-48.

Discerption Viewfinding Based Standard Warship Operational Training Console Simulator Designing

SUN Yong-kan，LI Xue-fei
（Battle Software and Simulation Institute of Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China）

Focusing on developing the standard warship operational training console simulator,the current development statuses and problems of console simulator are introduced,and the logical architecture based on Discerption Viewfinding Techniques is proposed as the solution,the principle of viewfinding,the universal hardware and the software structure of simulator are discoursed and,the using flow of simulator is described.It can meet the requirements and needs of multi-kinds and multitypes of equip console simulation.

discerption viewfinding，standard，warship operational training，console simulator

TP391.9

A

1002-0640（2015）03-0150-05

2014-01-08

2014-03-26

孙永侃（1965- ），男，浙江义乌人，研究员，博士生导师。研究方向：作战系统仿真。