嵌入式发射控制训练系统开发设计

王泽璞，王建国，冯培伦，石又新，宁文学

（1.北方自动控制技术研究所，太原 030006；2.北京军代局驻二○七所军代室，太原 030006）

0 引言

军事训练是军队进行战备的主要内容，对国防建设有着重要的意义。当前，提高训练实战化水平是世界军事训练的发展趋势[1]。同时，我军先进的火箭炮发射流程相较于以往更为复杂，发射控制训练成为炮兵重要的训练项目之一。针对某型火箭炮武器系统，研发设计了一套新的嵌入式发射控制训练系统。

1 嵌入式发射控制训练的概念

嵌入式发射控制训练是指将发射控制训练系统嵌入到实际装备中，在真实的装备环境下实施发射流程操作的训练，可使受训者获得与实战相近的心理与生理适应性，提升训练水平。嵌入式发射控制训练能够在和平时期和作战间隙为部队提供不间断的发射控制训练条件，有效提高部队的备战能力和应对突发事件的反应能力[2-4]。

2 系统设计

嵌入式发射控制训练系统属于火箭炮火控系统的一个组成部分，通过定制的数据传输软件，结合终端界面软件完成发射控制训练功能。给出训练科目，模拟外围设备完成发射流程操作训练，并给出考评结果。训练系统的功能结构如图1所示，主要由应用层、功能层、数据层组成[5]。

应用层为教练员和参训人员直接操作的图形用户界面，分为训练界面和训练管理界面。训练界面用来选择训练题目，开始训练进程。训练管理界面用来查看训练记录以及管理训练数据。其中，教练员具有全部的权限。一般参训人员不允许对参训人员数据进行编辑等操作。

功能层为训练系统主要的功能模块的集合。每个功能模块完成某一特定的功能，协同工作完成训练和训练管理。包括训练控制模块、训练记录模块、模拟反馈模块、成绩评估模块、数据管理模块等。

数据层为训练系统所需要的数据库表的集合。包括基础数据库和训练记录数据库。基础数据库中包含参训人员信息、训练题目信息、设备状态模拟信息等。训练记录数据库用来记录参训人员在训练过程中的操作信息和最终的训练成绩。

图1 功能结构图

3 功能设计

3.1 设备状态模拟及信息反馈功能

嵌入式发射控制训练系统能够在部分实装不运行、不打开或不加电的情况下，仿真模拟这些实装的信号与反馈数据信息。

参训人员在训练模式界面下选择某一训练题目后，终端软件便会切换到训练题目所对应的作战界面。对于参训人员每一步的操作，都会根据制定的传输协议做编码处理，通过DDS服务传送给训练系统。模拟反馈模块会完成数据解码处理，并且调用过程记录模块来记录处理后的相关训练操作数据，同时模拟生成相关反馈数据，并且进行数据编码处理，最终通过DDS将相关的模拟反馈报文数据发送给终端软件界面。

以下是某个模拟反馈线程函数的关键代码示例。

3.2 训练功能

嵌入式发射控制训练系统和终端软件进行交互，完成训练任务，具体包括训练题目选择，训练过程记录并模拟反馈，训练成绩评估。

训练题目主要是发射流程的操作训练，分为单步操作训练和多步流程训练。对于没有前置条件的题目，当被选择后，终端软件会切换到发射流程初始步骤的作战界面。对于拥有前置条件的题目，当被选择后，终端软件会切换到相应的作战界面，同时，训练控制模块会将前置条件所对应的设备状态信息返回给终端软件，然后等待参训人员进行操作。

参训人员在作战界面完成训练题目时，训练系统会调用设备状态模拟的接口来记录操作数据，反馈设备状态信息。当完成答题后，会切换到训练界面。训练系统会调用成绩评估模块，得出此次训练的结果。

选择训练题目的界面如下页图2所示。

以下是部分训练功能的关键代码示例。

图2 选择训练题目界面

3.3 成绩评估功能

训练成绩评估是对士兵训练完成情况的评判。武器的发射是战争过程中关键性的一步，发射的准确性和速度都可能会对战争走势造成巨大的影响。发射控制训练主要就是训练士兵对火箭弹发射流程的熟悉程度和反应时间。图3为火箭弹发射流程中涉及的操作。训练成绩由3个因素，即初始化准备工作、发射前工况、发射工况的完成情况来决定。成绩评估模块会依据训练题目信息、之前记录的相关训练操作数据以及训练成绩评估模型，计算并记录训练成绩。

4 关键技术

4.1 部分激励式仿真

模拟仿真是基于模型的活动，是用人工构建的模型来代替真实系统进行实验和研究[6]。对训练系统进行模拟仿真，主要包括建立模型、仿真计算、结果分析3个步骤。

图3 操作流程

对于训练系统，主要采用归纳法进行建模。归纳法是对真实的发射控制系统的相关数据信息进行数据处理，摈弃冗余信息，得到发射控制系统的规律性、实质性的描述。除了归纳法以外，还运用了演绎法，即通过先验的技术信息，进行逻辑推导来建立模型。两种方法结合使用，使得建模结果更为科学合理。

建模完成后要进行可信度校验，主要包括仿真计算和结果分析。仿真计算是对仿真模型进行数值实验的过程。发射控制系统属于离散事件系统，采用概率模型进行实验。结果分析是运用仿真软件，通过图形、表格、动画等形式，将训练系统所模拟的发射控制系统的各种性质和状态生动形象地展示出来。降低了人为分析的难度，便于得到更为准确的结果。

训练系统采用部分激励式仿真。部分激励式仿真是一种结合了全模拟式仿真和全激励式仿真两种方式的优点的新型仿真方式。设备状态信息采用软件模拟。交互界面仍沿用实际装备中的界面，保证了训练具有较高的逼真度。训练系统通过定制的传输服务模块与终端界面进行连接，与实装之间没有联系，实现了仿真模拟信号与实际装备信号的隔离，具有较高的安全性。

4.2 面向对象技术

训练系统功能较多，结构复杂，具有一定的开发难度。为了提高开发效率，运用了面向对象技术。面向对象技术的基本思想是采用人类在认识客观世界时自然运用的分析方法。面向对象技术引入了模块化的理论。模块化是将一个复杂的系统自顶向下分成若干个相对独立的模块的过程[7]。

在系统设计阶段，要将训练系统整体不断分解成更小的模块，直至每个小的模块只完成一个特定的任务或功能，相互之间有联系但不重叠。然后要梳理清楚各个模块的特点以及模块之间的各种关系，构建训练系统的整体架构。

在软件编码阶段，要充分利用系统设计阶段的成果，以此来构造和设计训练系统所需的类，并组织类之间的继承关系和接口设计。然后构建合适的对象和清晰正确的流程来执行系统功能。

采用面向对象开发技术，训练系统具有良好的可维护性和扩展性。只需在基础数据库中填加题目信息，在模拟反馈模块中填加相应的处理流程，就可以为新型号的火箭弹填加训练功能，修改方便，不会影响系统的其他模块，也不会对已经存在的武器系统的训练功能造成任何影响。

4.3 模糊综合评价法

成绩评估采用模糊综合评价法[8]。模糊综合评价法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，即用模糊数学对受到多种因素制约的事物或对象做出一个总体的评价。

运用综合模糊评价法来评定训练成绩时，要先对决定训练成绩的3个因素分别进行评定。每个因素都由更为具体操作的执行顺序以及所花费的时间两个指标来决定。

模糊综合评价法需要建立因素集，评价集，权重集，隶属度集。

因素集是指影响评判对象的所有因素的集合。

评价集是指所有评判结果的集合。设为V=（v1，v2，…，vm）。

权重集是指各因素对评判对象的重要程度的集合。运用层次分析法来得出权重集。在建立了如图3所示的递阶层次结构的基础之上，层次分析法还需要以下步骤：

1）根据各操作的特性和操作复杂度，并结合炮班教练员和士兵的反馈意见，得到所有因素两两之间的重要程度之比。

2）根据因素之间的重要程度比例构造权重判断矩阵。

3）运用规范列平均法求得初始权重向量。

4）对初始权重向量进行一致性检验。如果通过检验，就得到了最终的权重集。

权重集表示为

隶属度集是对因素ui作出vj评判结果的可能性大小的集合。设为 Ri=（ri1，ri2，…，rim），表示第 i个因素的隶属度集。

模糊综合评价模型为

运用模糊综合评价法能较好地解决难以量化的问题，得到科学合理的训练成绩。

5 结论

嵌入式发射控制训练系统[9-10]逼真度较高、能够有效节省训练时间、时空限制小，为士兵的训练提供了便利的条件。借助信息技术和计算机技术，未来嵌入式发射控制训练系统将向着综合一体化和智能化的方向不断发展，进一步提升军队的训练水平。