远火射击指挥车半实物仿真训练模拟器设计与实现

李思雨，黄少罗，孟 硕，曹立军，吴巍屹

(陆军工程大学石家庄校区，河北 石家庄 050003)

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远程火箭炮武器系统是我国陆军第一种成建制、成系统列装的大型复杂武器系统，由硬件系统、软件系统和指挥信息系统构成，各分系统互相配合构成一个整体作战单元，具有射程远、威力大、精度高、信息化程度高等突出特点[1]。实际操作训练中存在着人员动用多、费用消耗高、各岗位实际训练时间短以及基层部队联调联试操作与维修训练机会少、手段少、难度大、效率低等问题，借助训练模拟器可以代替实装、设备和环境完成远程火箭炮武器系统联调联试过程中的指挥训练、操作训练和维修训练，迅速提高基层官兵操作使用武器装备的水平和维修保障能力，为解决训练难题提供先进的技术途径和训练手段[2]。

1 训练模拟器总体方案设计

1.1 训练模拟器组成

射击指挥车训练模拟器由实装操作分系统、实装部组件分系统、虚拟装备分系统、联动分系统以及导演台构成，各分系统通过以太网交换机连接形成一个有机的整体[3]。模拟器构成如图1所示。

1.2 各分系统功能

1.2.1 导演台

导演台是射击指挥车训练模拟器的控制核心，模拟器内部的实装操作分系统、虚拟装备分系统、实装部组件分系统、联动分系统以及外部的导调控制中心通过网络交换机与主控单元互联，形成以主控单元为中心的网络系统。主控单元主要功能包括训练科目设置、训练状态监控、训练评估、联动控制与交互控制，并实现与导调控制中心信息互通。

1.2.2 实装操作分系统

实装操作分系统是装备操作使用训练的平台，为保证操作训练的真实性，其结构布局、工作过程、工作状态以及软件界面应与实装完全一致。实装操作分系统根据指挥系统特点，营射击指挥车操作使用训练由硬件操作和软件操作两部分组成。硬件操作部分以实际装备操作面板为主，完成装备的展开撤收、开关机、设备参数设置等操作；软件操作集成在指挥席和态势席信息处理终端上，完成武器系统的情报处理和作战指挥。

1.2.3 虚拟装备分系统

虚拟装备分系统以虚拟式装备结构为基础，配合虚拟测试仪器、真实测试仪器和专用信号发生器构成。利用虚拟维修训练分系统和人机交互手段，可完成基于虚拟装备的操作使用、虚拟测试、实际测试和虚拟维修训练。虚拟装备分系统具备与实装操作分系统交互功能，完成训练状态同步。

1.2.4 实装部组件分系统

相对于虚拟维修训练，实装部组件以实际装备单体设备为对象构建测试维修平台，实现基于实物的深度修理教学和训练。根据指挥控制系统装备特点，选取通信网络设备作为典型设备，进行实装部组件开发。主要功能包括结构组成教学、工作原理教学、操作使用教学和维修训练等教学。实装部组件系统既可以单独运行，也可以嵌入实装操作分系统运行。实装部组件主要针对装备中的通信系统构建。

1.2.5 联动分系统

联动分系统功能是完成营连射击指挥车训练模拟器与实装及其他模拟器的互联，完成信息传输控制和转换。联动分系统包括实装转换接口和模拟器转换接口两部分。

与实装互联，通过实装操作分系统、实装部组件分系统和联动分系统相配合完成。以与实装有线组网为例，综合交换机部组件通过群路与实装互联，通控机通过串口将装备信息发送到联动分系统，联动分系统的实装转换接口将装备信息转换为模拟器协议格式并发送到实装操作分系统完成互联。

与模拟器互联，通过实装操作分系统和联动分系统相配合完成[4]。远火武器系统射击指挥车实装采用串行通信的方式，在模拟器设计实现中，为了提高通信效率和便捷性，统一采用以太网通信方式。以营连无线组网为例，营指挥车实装操作分系统通过网络交换机将装备信息发送给联动分系统，联动分系统完成实战情况下无线信道的模拟并发送到连射击指挥车模拟器完成无线组网。

2 模拟器硬件系统设计与实现

操作训练是一个典型的离散事件系统的仿真，整个过程是在操作产生的事件和营连射击指挥车内单体设备产生的事件的驱动下展开的。仿真运行的逻辑中，主要包括与具体的射击指挥车一致的开关机步骤、指挥软件操作和对操作过程的监督、记录三大部分。因此，主要对实装操作分系统、实装部组件、虚拟装备分系统进行分析研究[5-6]。图2所示某型远火武器系统的营连射击指挥车模拟器。

2.1 实装操作分系统

根据指挥系统装备构成特点，实装操作分系统以实际装备为原型，以装备工作机理为依托，营射击指挥车实装操作分系统硬件由各种单体设备模拟器构成，按照实现功能分类，可分为指挥终端及软件、图形终端及软件、加固型网络交换机、加固型路由器、K/RS232接口转换器、通信控制机、收信机、北斗卫星定位仪、交流配电箱、系统电源和电源告警器等构成。系统采用集中控制与分布控制相结合的方式进行工作。导演台接收导调控制中心指令，对各分系统进行科目设置；终端设备(单体设备模拟器、实装部组件、维修终端、信息传输控制器)根据科目信息，完成各组成部分之间的信息交换。控制流程如图3所示。

单体设备模拟器工作过程为：主控模块接收导演台科目设置信息(正常操作训练、维修训练)，根据训练科目控制前面板状态和数据处理模块工作模式，进行操作状态监控，并将操作状态信息发送至导演台；数据处理转换模块在主控模块的控制下，完成正常数据装换、端口故障状态模拟以及故障数据生成等功能；无线数传模块实现各单体设备模拟器与导演台通信组网通信，各单体设备模拟器按照工作ID进行区分。各单体设备组成整个实装分系统，前、后机柜与实装完全一致，设备后面板物理接口与实装相同，预留测试点[7]。单体设备模拟器控制流程如图4所示。

2.2 实装部组件分系统

在保证部组件组成、功能与实装一致的前提下，实现基于实物的原理教学、借助半实物仿真技术，进行操作使用和测试维修训练。实装部组件硬件主要包括控制部分、实装部分、实装连接测试与指示部分三部分。控制部分主要完成显示和人机交互等功能，通过部组件控制终端对设备完成所有操作和测试。控制终端主机中插有通信控制电路板，完成与设备数据接口的通信、与测试仪器的通信，以及同实装连接测试与指示板上的开关、指示灯的交互。实装连接测试与指示部分将单体设备的内部组件连接起来保证设备的正常工作。实装部组件即可以独立工作，也可以接入实装操作分系统，产生真实对外接口信号，实现与实装互联。实装部组件硬件组成如图5所示。

实装部组件的硬件通过以下实现：除将测试点引出、关键信号通路设置电控开关外，改进的电路板在结构、布局与实装板卡完全一致；同时设计部组件控制终端与实装电路板进行交互，通过多媒体手段辅助完成结构组成学习、功能原理学习、操作使用训练和测试维修训练[8]。

2.3 虚拟装备分系统

虚拟装备分系统的功能包括操作训练和维修训练，其中操作训练是发现故障进而展开维修训练的基础，维修训练既可以以虚拟模式独立展开，也可以与实装操作子系统联合展开。虚拟装备分系统具备与实装操作分系统交互功能，完成训练状态同步。依据虚拟仿真维修训练的要求，在虚拟仿真维修训练时，需要用实际的万用表、示波器、频谱分析仪等测试仪器对虚拟的装备进行实际测试。训练时，高性能计算机分别与网络交换机互联，并通过网络交换机与实装操作分系统、控制台进行交互。主要组成设备如表1所示。

表1 设备组成

3 模拟器软件系统设计与实现

3.1 开发平台及工具

3.1.1 实装操作分系统

开发平台及工具：

1)操作系统： Windows 2000；

2)内存：2 GB；

3)显卡：主流NVDIA显卡，显存1 GB以上；

4)编程环境：Visual C++ 6.0；

5)数据库：Oracle 8i；

6)支撑软件：一体化指挥平台、地理信息系统(GIS).

实装操作软件的界面风格、功能和操作使用流程与装备指挥软件一致。由于模拟器配套设备仅仅在外观和功能上与实装一致，内部信息处理、传输控制以及接口形式与装备本身有很大区别，因此，指挥模拟软件不能简单采用装备实际软件，要根据需求进行重新开发，能够实现大部分功能模拟，尤其针对武器系统平台模拟运行中涉及的信息采集、信息处理、信息传输、指挥控制等具体模块重点模拟，保证操作训练全过程模拟的真实性[9]。

3.1.2 实装部组件分系统

开发平台及工具：

1)操作系统：Windows XP；

2)内存：3 GB；

3)显卡：主流NVDIA显卡，显存1 GB以上；

4)虚拟装备三维建模软件：3D Max，Maya，MultiGen Creator；

5)虚拟仿真软件：VirTools 4.0，NGrain，EON；

6)软件建模：Rational ROSE，EA，RSA；

7)编程环境：LabView 6.0；

8)数据库：Oracle 8i.

实装部组件软件主要是控制终端与实装部组件交互的软件，通过软件控制实现实装部组件的各项功能。具体包括设备结构与组成演示软件、工作原理学习软件、操作使用训练软件、故障检测与排除软件。软件模块组成如图6所示。

3.1.3 虚拟装备分系统

从软件层，可以将虚拟装备分系统划分为用户层、应用层、分布互联层和资源层4层结构。用户层主要完成系统与外界的交互，包括：受训人员对虚拟装备的操作和对窗口可视化环境的调整设置两部分内容，并且分别由“人机交互组件”和“图形界面管理组件”完成。应用层是整个框架中的核心部分，可以使系统由一个空框架实例化为一个“特定任务”的模拟训练系统。分布互联层目的在于建立分布式的模拟训练系统结构，实现虚拟维修分系统仿真节点之间的互联互通。资源层提供虚拟维修所需的可视化资源以及维修诊断知识。

3.2 关键技术

分析训练模拟器的技术路线，其技术难点主要包括：基于信息流的装备机理模型研究，训练状态同步感知研究，基于协议支持的实装信号生成研究等内容。

1)为了对训练过程进行控制、记录和评估，各单位模拟器基于分布式仿真平台进行信息交互，各单位模拟器的状态变化与武器系统中的各装备中的信息流保持一致[10]。系统的信息流集中体现了系统运行的基本模式，信息以多种通信方式及信号形式在装备中传输，因此研究信息从信息源至信息末端的各个节点的信息流模型是重点。梳理各单体之间的互联耦合关系，通过对实装操作分系统各操作面板及虚拟装备分系统中各虚拟单体设备的操控，真实仿真出每个单体设备的工作状态用于操作、测试和故障诊断，并建立各单体设备状态模型。

2)训练状态同步感知。评估是模拟训练的重要环节，操作方法和操作过程是评估的依据。为建立合理、科学的评估体系，训练全过程的状态获取是首要前提，也就是在训练同时，评估系统要同步感知训练状态。针对模拟器特点，训练状态同步感知分为两个方面，一是硬件操作过程监控，根据前述的模拟器技术路线，各单体设备模拟器均配有独立控制单元，各控制单元具备该单体模拟器的面板操作状态监控功能，并将状态同步上报导调控制单元[11]；二是软件操作状态感知，软件操作不仅仅是键盘和鼠标的动作，而且还要和软件界面相关，同样的操作动作在不同的软件界面下有不同的内容和含义。软件操作感知是训练评估中的难点。

3)基于协议支持的实装信号生成。测试采用基于“激励-响应”模式完成，可以进行故障模拟[12]。对于固定的输入，正常时产生固定的输出。利用这一原理，在信号产生过程中进行简化处理：即设备正常时，按照固定模式产生与实装设备相符的信号或信息；故障状态时，将此端口信号中断，没有输出。对于不同信号形式的模拟，构建信号发生设备，内部嵌入多种专用信号发生模块，能够产生与实装相匹配的信号形式。

4 结束语

远程火箭炮武器系统是以营为基本装备单元，借助半实物仿真和虚拟现实技术，笔者从硬件和软件两个方面详细阐明了远火武器系统射击指挥车训练模拟器的实现，远火武器系统的联调联试是在实际运行状态下对系统的总体功能、系统间匹配关系进行综合测试、调整与优化的过程。借助该模拟器可以克服传统训练的不足，为我军进行复杂武器装备系统训练提供一种新的技术途径和支撑。