数字化装甲分队嵌入式训练系统设计

2015-12-23彭文成,高韶祎,徐豪华

兵器装备工程学报 2015年9期

【信息科学与控制工程】

数字化装甲分队嵌入式训练系统设计

彭文成,高韶祎,徐豪华

(装甲兵工程学院陆军装备作战仿真重点实验室，北京100072)

摘要：嵌入式训练系统能够满足部队不断增长的训练需求，大量的信息化装备成体系列装部队，为嵌入式训练提供了数字化的平台和基础；以陆军数字化装甲分队为对象，在分析嵌入式训练概念和特点的基础上，阐述了嵌入式训练系统的基本原理，研究了嵌入式训练系统的主要需求；进行了系统框架设计和功能的具体分析，并对实现嵌入式训练系统的关键技术进行了研究。

关键词：数字化装甲分队;嵌入式训练系统;系统设计

收稿日期：2015-03-25

作者简介：彭文成(1966—)，男，博士，教授，博士生导师，主要从事军事装备学和指挥自动化研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.023

中图分类号：E952

文章编号：1006-0707(2015)09-0090-04

本文引用格式：彭文成,高韶祎,徐豪华.数字化装甲分队嵌入式训练系统设计[J].四川兵工学报，2015(9):90-93.

Citation format:PENG Wen-cheng, GAO Shao-yi, XU Hao-hua.Design of Embedded Training System for Digital Branch[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(9):90-93.

Design of Embedded Training System for Digital Branch

PENG Wen-cheng, GAO Shao-yi, XU Hao-hua

(Key Laboratory of Army Equipment Operation Simulation,

Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072,China)

Abstract:Embedded training system can satisfy the growing training demand of the troops. Equipped with plenty of informationized equipment, the troops have the platform and foundation for embedded training. Based on the concept and characteristics of the embedded training ,this paper took digital armored branch as subject, and focused on the principles of embedded training system, and gave a research on the main requirements of the system, and analyzed its structure and function, and introduced key technologies of embedded training system.

Key words: digital armored branch; embedded training system; system design

随着装备更新速度的加快和训练需求的多样化，与实装相分离的模拟训练系统开始暴露出越来越多的弊端，人们开始关注嵌入实装的训练系统，并投入大量人力物力进行研究。嵌入式训练(Embedded Training ET)是指将训练系统嵌入到实际装备中，在真实的装备环境下实施的训练[1]。它能结合模拟训练和实装训练各自的优势，满足部队日益多样化的训练需求，开发嵌入式训练系统已经成为各军事强国训练转型的主要方向之一。

当前，陆军正朝着小型化、灵活化、模块化的趋势发展，作为陆军基本作战单元的数字化装甲分队，是进行地面突击任务的主要力量，在基于信息系统的作战体系中担任地面指挥平台，承担连接沟通其他各兵种的核心作用，数字化装甲分队对嵌入式训练系统的需求更为强烈。

1嵌入式训练的概念及特点

1.1嵌入式训练的概念

嵌入式训练就是嵌入到装备内部的训练。它是指在作战系统、子系统、或设备上嵌入或增加的能够使操作人员更加熟练的掌握各项技能而进行的训练[1]。它的实质是将训练集成到装备中，即通过对装备软硬件的改造，在装备中嵌入一种能力，使得训练人员能够通过虚拟与仿真技术，在实装中“看到”操作的效果，并通过与装备其他子系统的交互实现训练、任务转换、战场态势显示和评估等功能，从而使训练人员获得与实战相符的心理与生理适应性，提升训练质量。

1.2嵌入式训练的特点

嵌入式训练可以理解为模拟训练系统与实装的结合，它结合两者各自的特点，具有较强的真实性和时效性，能在很大程度上满足日益扩展的军事训练需求，具体来说，主要有以下优点：

1.2.1降低了训练门槛

现有模拟训练器材大都与实装相分离，单独放置在模拟教室或是训练场，移动比较困难，极大地限制了部队训练的时间和空间。嵌入式训练系统与实装一体，摆脱了模拟器的限制，使得部队可以在野外、在陌生地域随时随地进行训练，降低了训练门槛。

1.2.2减少了开发成本

随着装备门类的增多和自动化智能化程度的提高，模拟器的开发也更加复杂，每研制一种新装备，就开发一套模拟训练系统，耗资巨大，而且存在一定的浪费[2,3]。利用计算机的软件模拟和实装的硬件环境，安装嵌入式的训系统，可以大幅降低成本，提高了训练的效费比。

1.2.3拓展了训练的范围

由于训练地域和实装本身的限制，实际训练环境比较固定，与作战地域有一定差距，且不便于开展多地形的训练。利用仿真和虚拟技术搭建的嵌入式训练系统，可以根据想定设定各类作战环境参数，获得逼真的训练效果，可以仿真各类环境和敌情，提高模拟目标的逼真程度，从而减少训练空间的限制，获得更好的效果。

1.2.4便于实时评估

嵌入式训练系统更多的依赖计算机的仿真和模拟，因此对训练人员操作和效果的记录、对各项训练数据的实时共享与处理更加便捷，可以对训练效果进行实时评估反馈，从而准确的掌握训练的真实情况，为下一步训练决策提供有效的数据支持。

2数字化装甲分队嵌入式训练系统的基本原理

数字化装甲分队嵌入式训练系统就是通过对装甲车辆的软硬件设备进行改造和升级，将原来独立的模拟训练系统嵌入到实装中，实现两者功能的结合。其原理如图1所示。

硬件部分一方面是对车载计算机、电源等部件进行升级，提高计算机的处理能力，另一方面是为数据采集提供接口，其采集来源是信息系统中的通用传输服务部分。

数据库部分主要是按照车载计算机的平台与标准，对数据库进行改造和升级，并以此为基础搭建各类训练和评估数据库，为系统功能的实现提供基础支撑。

主控软件改造主要是以实装的原有软件平台为基础，加入模拟训练模块，主要包括训练模式选择，数据采集管理软件、数据处理共享软件、虚拟环境仿真软件和战场态势生成软件等，为受训人员搭建逼真的战场环境；通过评估软件，实现对训练效果的实施评估反馈；通过对受训人员操作的记录与存储，实现对训练过程的回放；战场态势、训练效果的评估和过程回放都通过人机交互界面实时显示出来。

图1　嵌入式训练系统原理

3系统需求分析

近年来，通过大规模的整体换装和综合集成改造，数字化装甲分队的信息化程度已经有了大幅提高，嵌入式训练系统以此为基础进行改造。

3.1功能性需求

嵌入式训练系统，就是通过改造车载计算机的软硬件设备，加入模拟训练模块，将车外模拟训练系统搬到车载计算机中，实现成员在实装中、在实际的操作席位上的训练，并进行实时的态势显示和效果评估。其主要功能有：

1) 训练任务计划编辑

将大纲中的各个训练科目以想定的形式存储在电脑中，供训练者选择。按照不同的想定，选择对应的训练任务，包括作战环境选择、作战任务选择、虚拟兵力生成、时间列表设置等。

2) 战场态势模拟与显示

训练系统能够根据想定的训练场景和任务计划，实时仿真生成真实作战环境下的地形、气候、地面/空中威胁、友邻等数据信息，并能够实时进行显示。

3) 实时评估反馈

能够对训练人员的操作和决策信息进行实时评估，对其效果进行显示，支持操作回放，能以鸟瞰视角观察训练全阶段的战场态势。

4) 自由对抗训练

可将已有较为成熟的坦克分队对抗游戏加载到训练系统中，作为其中的一个子模块，训练人员在完成基础的科目后，可以进行自由对抗训练，增加训练的趣味性。

3.2性能需求

1) 系统兼容性

嵌入式训练系统以车载计算机的操作系统为基础，采用Oracle8.1.7数据库管理系统。

2) 可靠性

系统可靠性应不低于改装前系统可靠程度，训练系统46h任务可靠度不低于95%。

3) 可维护性

便于日常管理和维护，即使系统出现错误也能人工或自动的方法得到解决。

4) 环境适应性

符合GJB367A中有关装甲车载设备严酷等级规定的要求，在各种复杂条件下满足使用要求。

5) 易操作性

环境界面友好，便于操作使用。

4系统框架设计

根据实装平台的基本构架和嵌入式训练系统的主要需求，数字化装甲分队嵌入式训练系统的功能结构由应用层、功能层、运行支撑环境层和数据层组成，具体结构如图2所示。

应用层为教练员和受训人员直接操作的系统，包括管理维护系统、基础训练系统、组网训练系统、综合演练系统和自由对抗系统5个部分，依托运行支撑环境层，集成功能层的各类软件，满足不同的训练需求。其中管理维护系统主要为教练员和管理人员分发想定内容、导调训练进程、讲评训练效果、维护系统运营提供支持；受训人员根据训练进度安排和自身实际，可以选择基础训练、组网训练、综合演练或自由对抗等模式进行训练。

功能层主要是支持系统具体功能的应用软件的集合，是应用层的组成部分[4]。包括运行监护、随机导调、进程控制、模式选择、想定分发、态势显示、操作数据采集、数据处理共享、实施评估、效果反馈、态势回放和管理维护等应用软件。

仿真运行支撑环境提供了一系列由“接口规范”定义的服务[5]，系统运行时，通过标准接口和通信机制实现交互，达到各模型之间信息的交互，并保证时钟的统一。仿真运行支撑环境分为3层，第1层操作系统和网络环境层，根据不同车型，分为Windows 和VxWorks 操作系统，第2层的数据引擎主要保证各软件间的信息交换，第3层为应用软件实现运行提供各类公共服务。

数据层主要功能是完成数据的采集存储和处理，包括基础数据库、想定数据库、评估数据库和自由对抗数据库等。此外，系统应按照有关装甲车载设备严酷等级的规定，满足可靠性、安全性等要求，安全保密与系统管理贯穿整个过程。

图2　嵌入式训练系统的功能结构

5系统关键技术研究

嵌入式训练技术是以电子和信息技术为基础，涉及计算机、图形显示、训练、装备运用等多种技术的综合技术。本文所研究的坦克嵌入式训练系统主要包括以下关键技术。

5.1主控软件改造的技术路线

嵌入式训练是在实际装备内部的嵌入，改造后的装备既要保持原有的作战效能不受影响，又能够进行逼真的模拟训练。因此在作战模式和训练模式切换的过程中，必须保证系统与外部的交互和控制不受影响，确保系统的安全性[6,7]。对主控软件的改造是实现嵌入式训练系统的核心环节。

对原有软件系统的改造，主要是在新版主控系统中加入仿真模型板块。系统在作战模式下软件的运行控制与原有系统相同，控制信号输入到对应的执行机构，完成相应的控制。在训练模式下，根据受训人员选择的不同训练模块，操作面板输入的控制信号输出到仿真模块，模拟出产生的效果，并生成实时态势进行显示。在软件改造过程中，在每个控制器上增加额外的通信模块，完成操作信号在执行机构与训练仿真模块之间的屏蔽，从而在作战模式下，能够按照实际战场态势进行显示和评估，实现在训练和操作模式下的安全切换。

5.2车载计算机的升级

嵌入式计算机是硬件改造的核心。坦克车载计算机受车内空间限制，体积较小，计算机的内存、处理速度、存储空间、图形显示等性能与车外独立的计算机还有较大差距，需要大幅度升级改造[8-10]。因此，在遵守车载设计要求的基础上，应该升级内存、处理器等计算机的核心部件，满足高速运算和存储要求；加装足够的外设接口，能实时生成复杂的虚拟态势目标，并支持多接口的数据传输；为满足逼真的视景仿真需求，还应该配备专门的图形处理器，支持图形加速和DirectX渲染引擎，在显示虚拟场景时，评估刷新率要达到至少25帧/s。

5.3数据的采集与处理

嵌入式训练系统的功能，主要是通过由训练系统产生的虚拟效果与实际装备运行模式的结合来实现，其关键技术就是在训练系统与实际装备之间搭建起一个稳定的信息交互通道，实现信息的收集、处理和传输等[11-13]。具体功能包括短报文信息采集、文电信息采集、实时报文信息采集、数据采集管理、数据传输等。

数据采集管理主要是对数据采集功能进行配置，对采集的状态进行监控，提供采集的访问接口，对所采集的作业信息进行控制和记录，并将传输到数据管理端，写入采集数据库。嵌入式训练系统所处装备环境的特殊性，对信息采集提出了更高的要求，既要满足各个功能对数据实时共享的要求，又要防止数据在复杂电磁环境下的失真和紊乱，因此，数据的实时采集与处理，是实现嵌入式指挥训练的一个难点。

5.4实时评估显示

依托数字化装备中信息系统提供的软硬件环境和支撑数据，完成对受训人员操作指挥能力的评估是嵌入式指挥训练中最重要的环节，其结果的准确与否将直接影响教练员对真实训练情况的掌握，从而对后续训练的决策产生影响。难点在于运用复杂系统和辩证法的思想，建立起适应指挥训练特点的指标体系，进行科学有效地评估，并不断应用新技术实现评估和反馈功能的智能化。

评估效果和战场态势的实时显示负责根据想定生成战场环境，生成虚拟作战目标，实时汇集参训武器平台的训练数据，通过二维和三维的形式实时显示敌方目标、友邻目标、作战过程和打击效果，使受训人员获得类似实际战场的心理感受；能够实时显示评估效果并进行保存，为指挥训练事后讲评回放提供依据。

6结束语

依托数字化装备的信息系统，将模拟训练系统嵌入到主战装备中，实现两者功能的优化组合，已经成为今后重点发展的训练模式之一。本研究以陆军数字化装甲分队为对象，在分析嵌入式训练概念和特点的基础上，重点阐述了嵌入式训练系统的基本原理，研究了嵌入式训练系统的主要需求，进行了系统框架设计和功能的具体分析，并对实现嵌入式训练系统的关键技术进行了研究。

本研究仅对数字化装甲分队嵌入式训练系统的改造做了原理性的探索，达到实际应用目标还有许多技术和机制方面的工作，主要包括装甲车辆内部设施的改造、计算机等硬件设施的升级、软件系统的改装等，还需要大量深入细致的研究。

参考文献：

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[6]张波.坦克嵌入式训练系统信息采集与处理技术[J].装甲兵工程学院学报,2008,22(6)：7-10.

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