武器装备模拟器通用化应用及方法*

常海昕，刘永亮，朱元武，魏洁英，王满喜

（1.北方自动控制技术研究所，太原 030006；2.解放军66033 部队，湖北 孝感 432900）

0 引言

战术模拟训练系统［1-3］，是新形势下提出的面向军事战术训练的一种解决方案，是武器装备实兵对抗训练的重要补充。其中，装备模拟器作为战术模拟训练系统中的基本组成单元，通过提供与实装一致的舱体布局、人机交互部件、训练流程，来满足主战武器装备的战术技术性能指标。我军主战装备型号繁杂，且一直伴随着型号改进设计与研制，这要求设计人员在装备模拟器的研制过程中，融入通用化设计思想来顺应部队武器装备的更新趋势，降低各个型号模拟器的设计与改造难度，使得一型模拟器能够满足多型号武器装备的训练和仿真需求，并适应部队装备信息化升级发展的需求。

1 模拟器通用化工作的内涵

武器装备模拟器的通用化工作，根据模拟器初期制定的研制方案可划分为继承型通用化和开发型通用化［4］。继承型通用化，指的是在对某型武器装备的改进型号进行模拟器设计工作时，可以在该武器装备当前型号模拟器系统中，继承或借用部分软件单元或硬件单元。开发型通用化则是在武器装备模拟器的研制初期，就已经对未来模拟器的升级、改造需求有所预测和判断。从而有所选择和针对性地对一些通用化部件单元进行设计。并在其后的升级改造过程中，推广并使用这些通用单元。

按照“软件优先、模型转换、兼顾硬件、局部替换”的思路，当前武器装备模拟器的通用化工作内涵［5］可以延伸到3 个方面：

1）在模拟器研制初期，基于可继承与可互换的原理，选定能够满足互换性要求的通用软件或硬件单元。通过复用，将可通用单元的应用范围进行最大限度的扩展。

2）从武器装备模拟器的发展规律和使用需求出发，对某一类型模拟器，根据其性能参数及结构规格，进行规划与排序，从而对同类型模拟器的有序研制产生指导作用。这一类型模拟器可以按照系列型谱的模式进行型号的设计工作。

3）对武器装备模拟器的软件单元及硬件部件进行功能分解和结构的分析，设计划分出众多的具有复用能力的标准单元模块。当对新型号的武器装备进行模拟器的设计工作时，在这些通用模块中选择满足功能需求的单元，并针对未能满足的功能需求进行补充设计。当模拟器进行维护升级时，利用标准的接口，可对这些通用的模块进行兼容、更换或者组合。

2 模拟器通用化工作的方法及应用

2.1 开展装备模拟器通用化工作思想的宣传普及

武器装备模拟器通用化改进工作，与部队装备的更新换代紧密相连。因此，对通用化思想的学习以及通用化技能知识的培训是模拟器设计人员一项必要而且基础的任务。武器装备模拟器设计与制造科研单位应当广泛深入地宣传、普及通用化的设计思想与理念，使广大从事装备制造的工作人员对通用化改进工作的重要性拥有全面、清楚的认识，即：通用化改进工作的开展，能够节约开发成本，减少模拟器研制工作的工作量并缩短研制周期，提高模拟器的可维护性与综合保障能力。从而自觉主动地在平日的设计过程中，贯彻通用化的设计思想，使用通用化的设计方法。

2.2 制定并贯彻装备模拟器通用化工作标准规范

按照“软件优先、模型转换、兼顾硬件、局部替换”的原则，同时按照通用化改进工作可继承、可更换的总体要求和客户需要编制武器装备模拟器通用化设计规范，对模拟器各个研制阶段提出通用化要求与指标，使通用工作有章可循，行之有效。

要坚持对模拟器的通用化设计规范进行全阶段、全过程贯彻。在立项论证阶段，运用通用化的思想进行总体设计，提出研制或者设计要求，制定原则；在设计研制阶段，必须对通用化要求的实现进行监督，否则不予定型、生产；在交付使用后，从部队装备的更新换代情况出发，进行通用化改进设计。

2.3 建立模拟器通用化数据库

装备模拟器科研部门，应当组织人力物力，对已经设计定型的各型号模拟器部件、功能信息，进行统计和分析研究，建立武器装备模拟器产品数据库［6］。通过对装甲、炮兵、防空等同类型武器装备模拟器的性能参数进行统计、研究和对比，将其制定模拟器系列型号族谱，得到一系列的通用模块，输入到模拟器通用化数据库中，使设计人员充分利用现有的通用化资源和信息，提高通用化改进工作的效率，较快地产生通用化工作成果。

2.4 在设计与研制过程中应用通用化思想

1）增强硬件结构单体的可替换性和通用性。在保证模拟器硬件单体外观、手感、操作性与实装基本一致的情况下，应尽量采用批量生产的通用件，增强部件的可替换性。对照设备功能，开展对操纵机构、观瞄设备等单体通用性分析（如表1 所示）。

表1 某装甲模拟器硬件功能模块划分

当部件受损，可随时更换，这保证了模拟训练系统的稳定运行。同时，硬件结构通用件更换需要有共同的接口，这在设计初期就应该考虑在内。对接口进行标准化的设计，是零部件通用化的基础。硬件单体的通用化，使得各类模拟器能够快速升级，适应部队武器装备升级发展的需求。

2）构建通用的模拟器舱体平台。应积极探索发展模拟器舱体平台的通用性。分别开展对装甲突击类、防空反导类、指控侦查类、火力压制类等武器装备模拟器的舱体通用性研究。以装甲类模拟器为例来说明，现阶段的模拟器大都为三舱结构（如图1所示），分别为驾驶舱、炮长舱、车长舱。这样的三舱结构，运输时可分离，工作时构建为一个整体，但其通用度并不高，不利于模拟器的快速安装部署和舱体的重复利用。可以对现有的多型模拟器进行研究，探索其模拟器舱体的共同点，设计通用的舱体平台。当切换模拟器类型时，只需对舱体上软硬件进行模块化的安装，使得一型舱体可以搭载多型模拟器部件，实现同系列不同装备的战术性能模拟，而无需重新设计制造一套舱体结构。

图1 传统三舱结构

3）提升模拟器软件的复用程度。软件的通用化工作相比硬件具有部署方便、成本低的优势。模拟器软件的部署主要是模拟各型武器装备的终端、电台、仪表等面板，信号采集、数据处理等控制软件，机动仿真、弹道仿真等任务仿真软件。不同武器装备，不同型号之间，实装面板不同，故应对现有的模拟器产品进行功能上的模块分解。比如车通、电台、驾驶员仪表、信号采集、机动仿真等功能模块软件，大部分型号的武器装备模拟器都可以通过模拟器切换控制软件加以复用。而对同类型模拟器，例如：坦克装甲模拟器、步战车装甲模拟器、炮兵模拟器、防空模拟器，同一类型下又有数量众多的软件可以复用。相同的功能组合成标准模块，不同之处再设计专用模块。这样对于减少设计人员的工作量也有帮助。

4）形成型谱，构建通用化产品库。对软件模块、结构单体，甚至舱体结构进行统计分析，按照性能特性，进行系列型谱［7］的规定。利用计算机技术建立通用化产品库，将系列型谱输入到通用化产品库中，并规范数据的导入与导出。在对新型号模拟器进行设计时，利用这些已成熟的通用件技术，使其对新产品的设计产生指导作用，这样能够提高模拟器的可靠性，并降低设计成本。

5）利用先进技术，为模拟器通用化设计提供新思路。目前国内的武器装备模拟器还局限于半实物仿真的设计形式，通过提供与实装一致的硬件操作部件进行战术技能训练。该传统训练方式，造价较高，沉浸感低且因体型笨重，硬件操控部件需要定期维护，通用性较差。本文将模拟器舱体和单体操作部件作为仿真对象，利用虚拟现实技术［8-10］，针对实装舱体，构建虚拟三维场景，以头戴式虚拟现实设备（如图2 所示）实现视景漫游。将可操作开关、按键、手柄等部件抽象成逻辑资源，利用虚拟现实人机交互设备，如数据手套，捕捉、采集手部动作，反馈回头戴显示设备，保持操作方式，流程与实装一致。通过将实物虚化，用软件实现逻辑功能，达到一装多用的目的，这将大大提高模拟器的通用化程度。

图2 使用虚拟现实设备实现舱体操作环境的替换

3 模拟器通用化工作的作用与意义

进行通用化改进工作的出发点就是为了最大限度地减少模拟器研制过程中的重复劳动，利用已有的通用化软硬件单元和特定功能模块，在节省人力、物力的同时进行模拟器的设计研制工作，达到降低研制成本、简化对模拟器的保障和维护、缩短设计研制周期、增强产品竞争力、提高模拟训练系统效能的目的。

3.1 降低生产成本

通用化工作可以在一定程度上缓解在武器装备模拟器的研制过程中产生的，所需投入较高和经济承受能力有限这一问题。武器装备模拟器的研制，从最开始的装备调研，到最后的安装部署，中间涉及原材料的采购，软硬件的设计，资金耗费巨大，且回笼周期较长。对模拟器的研制进行通用化改进工作，先研制通用化程度较高的基本型模拟器，在其基础上进行新研，可以在一定程度上节约采购成本，减少重复的劳动造成的人力的浪费。

3.2 缩短研制周期、降低研制风险

研制新的模拟器时，以现有的模拟器型号为基础进行改进研制，能够利用已经得到验证的技术和成果，这样一来，势必会减少设计与试验所花费的时间，从而达到缩短研制周期的目的。此外，在成功的产品上有计划地实施新的技术方案，对产品进行升级开发可以规避研制风险，在旧有的经验基础上不断进行改进研制，可以增强性能，延长产品使用年限。

3.3 简化保障与维护工作

对模拟器进行通用化设计，结构单体普遍具有可替换、通用化的特点。这减少了零组件的数量与种类，从而简化了维护保障的工序，降低了从业人员的技能要求，提高了产品的可靠性。这对于成体系、成系统部署的模拟训练系统来说，大大削弱了后期维护的难度。

3.4 形成良好的发展战略

装备模拟器的制造面向部队型号众多的主战装备。一旦军方对某一型号装备模拟器订购量不大，不能批量生产，势必会无法承担设计成本。对模拟器进行通用化改进研制，增加不同型号产品之间的复用比例，这样既可以缩减降低研制成本，也解决了军方某些型号武器装备模拟器需求量不大的难题，打破传统的规模经济生产模式［11］。同时不会错过需求多样化但订购量不大的军方用户，能够快速占领市场，稳定产品结构，在模拟器制造领域拥有一定的竞争力。

3.5 提高模拟训练系统效能

装备模拟器作为基本单元组成模拟训练系统，其系统效能受模拟器可靠性、维修性、保障性的影响。当对模拟器进行通用化改进工作时，选定不同型号模拟器之间具有通用与互换功能的部件或功能单元。这些基本单元可以是各种原材料，包括设备、元器件、单体及其种类、结构、规格，甚至可以是具有独立功能的模块，既可以是硬件，也可以是软件。本文设定模拟器通用化程度系数［12］

式中，∑j代表装备模拟器中通用单元总件数，∑代表装备模拟器所有单元总件数，模拟器通用化程度随着通用部件或单元的数目增多而增大。通用化程度越大，则模拟器故障间隔时间增加，保障时间缩短，可维修性增强。这样一来，模拟训练系统的系统效能随模拟器通用化程度的提高而线性增强，如图3 所示。

图3 系统效能随通用化程度变化关系

4 结论

随着现代武器装备不断推陈出新，为顺应陆军部队规模结构和力量编成改革需要，开展模拟器通用化的改进研制势在必行。这对模拟器软硬件通用化工作提出了新的要求。武器装备模拟器的通用化程度高低对整个模拟训练系统的综合评估有着现实意义。本文主要针对陆军装甲武器装备模拟器通用化改进工作的经验与方法进行总结，对其他武器装备模拟器的设计与保障工作提供的借鉴尚有局限，还需在今后的实际工作中不断深入研究。