基于局域网的汽车分队仿真训练系统设计实现

王 欣， 陆 超

(陆军军事交通学院汽车士官学校训练管理系，安徽 蚌埠 233011)

现代战争中，已经没有严格界限的前后方之分，汽车兵既是保障员，又是战斗员，既要完成运输投送保障任务，又要能够参与战斗，实现“上车能驾驶，下车能战斗”。针对时代要求，要将以往的单兵单车班组训练升级为带有战术背景的分队级训练，在练技能的基础上，重点锤炼指挥能力、处置突发情况的能力。

军事仿真训练系统可实现大范围、广视角的战场环境模拟、对作战行动的全过程仿真，使得参战的各军兵种体验到接近实战的全景立体战场环境[1]，并可提供更为个性化、更有针对性、更为开放的训练方案和训练内容；可根据参与人员的知识、经验和体验，有针对性选择训练内容、训练方式，实现个人军事素质的快速提高[2]。由于仿真技术具有针对性强、应用面广、价格低廉、可多次重复运行等优点，在武器装备作战试验中获得了广泛的应用[3]。为了克服汽车部(分)队实战化训练中受到场地、人员、车辆、安全性等因素限制存在的现实问题，本文设计并实现了一种基于局域网的汽车分队联网仿真训练系统，为汽车部(分)队训练提供一种新型的训练手段。

1 仿真训练系统总体设计

1.1 系统体系结构

基于局域网架构的汽车分队联网教学训练系统，是依托三维建模技术、视景仿真技术、虚拟现实技术、半实物仿真技术、分布式仿真技术和数据分析评估技术，提供通用可扩展的平台架构，通过配置仿真模型、用户操作界面和部署仿真场景，面向单车驾驶技能训练和分队级训练的虚拟仿真训练系统。本系统体系结构由数据传输层、逻辑层、支撑层和应用层等四个层次构成，如图1所示，并在相应层次规划和预留扩展接口。

图1 系统体系结构

1.2 系统功能设计

从整体上考虑，系统应用功能主要区分为单车驾驶技能训练和分队级训练，预设置多个用户端，后续可根据需要进行用户端的更新拓展。从系统使用功能上来看，在单车驾驶技能训练方面，一是实现不同受训人员同时训练不同课目，二是可以实现所有受训人员在一个场景下的驾驶技能训练。在分队级仿真训练方面，通过建立局域网，可以实现模拟由多辆车组成的一个车队，模拟执行特定条件下的运输保障任务。一是模拟分队级指挥的整个流程；二是通过虚拟仿真视景展现特定训练环境，突出训练要素模拟显示；三是可以实现单车的驾驶操作和分队级组织等训练功能；四是可以实现态势显示及过程回放。系统设计的整体训练流程如图2所示。

图2 整体训练流程

1.3 系统功能指标要求

与空军、海军和陆军团以下战场环境仿真设计相比，陆军分队战场环境仿真具有地形幅员小、分辨率要求高、地物特征复杂，多维模型数量多、细节表现逼真、数据量大等特点，是所有战场环境中最难构建的[4]。系统功能指标应满足如下要求：

(1)视景仿真刷新频率≥25帧/s，视景系统可靠性为连续运行时间不小于48 h。

(2)操作响应时间小于2 s，系统客户端支持Windows7 64位系统运行环境，服务器端支持Windows7(64位)运行环境构建独立的局域网环境，延迟不高于100 ms，统一各个用户端的仿真对象时钟，延迟不高于50 ms。

(3)场景中通视距离一般在200～300 m左右，要求用户端呈现第一人称视角和单兵单车的第三人称视角，服务端呈现整体视角、各类细节视角和第一、第三人称视角，不得在300 m距离上出现锯齿。

(4)考虑到车队的运行长径及训练时长，要求能够支持高程信息数据(为灰度图，精度为米级)，能够涵盖60 km2左右场景，支持卫星影像贴图、地表纹理贴图，包括山地、丘陵、平原、水网稻田等四类地形。

(5)道路总里程应不少于100 km，道路布局纵横交错，局部形成迂回；以非铺装路面(砂石路)为主，包括岸滩路、冰雪路、弹坑路、涉水路、泥泞路、震毁路、遮断路、壕沟、坡道弯路等特殊路段，且各类特殊路段不少于3 km，后期可根据需要更新。

从用户角度使用方面考虑，从组训人员方面看，可以进行导调控制，包括课目设置、车辆型号选择、武器弹药器材配置、仿真进程控制、模型要素添加、战场生存性评判分析和复盘回放研讨。从受训人员方面看，根据分队长、班长和普通士兵的角色进行区分，分队长可以进行分析判断、指挥方案拟制、过程控制、车辆编组；班长可以对所属人员进行管理，对分队长报告情况，对普通士兵传达命令，普通士兵主要进行驾驶操作和下车射击等作战行为。参训人员业务流程如图3所示。

图3 参训人员业务流程

2 系统模块设计

系统整体模块组成如图4所示。在局域网的基础上，主要区分为数据库、网络控制、交互仿真、评判分析、态势显示和导调控制模块。

图4 系统模块组成

2.1 数据库模块

数据库模块是整个系统所需要的数据来源，主要包括：三维模型数据、配置文件信息、行为脚本及设备属性信息。

三维模型数据指的是构建虚拟场景所需要的各类模型，如场地模型、道路模型、标示模型、装备模型以及训练设施模型等。

配置文件信息指的是加载模型时所需要的配置文件，包括场景个体设置方案、想定库、行为脚本驱动方式等。行为脚本主要包括事件驱动方式、模型运行脚本、个体AI脚本等，设备信息主要包括联网用户端个体标识及仿真状态等。配置文件信息是整个系统场景的基础，需要在前期通过建模软件来进行建模。

2.2 网络控制模块

对内部局域网进行控制，由于仿真系统要求客户端的反应时间较短，又是在局域网环境，面向的是固定的用户群，安全保密性高，要求软件架构独立稳定，因此拟采用C/S模式开发，充分利用客户端资源。

2.3 交互仿真模块

2.3.1 组成

交互仿真模块由软件应用程序、与硬件输入设备互联模块和硬件输入设备组成。虚拟场景中的活动物标，如车辆、直升机、人物等，应能够按照需要可沿指定轨迹进行实时运动，并能够根据外部的指令执行简单的动作，如车辆中弹起火冒烟、人员被武器击中等，要求能够在三维视景中展现弹道轨迹，并能在检测到有目标被命中时，输出被命中目标的ID号。在二三维态势图上显示的同时，提示具体信息，包括攻击方在多远距离，用什么弹药、击中什么部位、毁伤程度(分值)等。所有虚拟目标要求几何尺寸准确、地理位置精确，能够动态地进行加载、删除和替换等操作。交互仿真系统的设计实现框架见图5。

图5 人机交互设计实现

2.3.2 功能

实现用户与场景的交互操作与体验，满足“人在回路”、“设备在回路”的要求，考虑到系统开销，对于部分消耗系统资源较大的仿真实体采取资源分包、异步动态加载和渲染遮罩等技术。用户端模型的驱动交互操作需支持键盘、鼠标、游戏手柄驾驶模拟器等设备。交互仿真设计主要包括三方面：

(1)物理系统。主要包括四个方面内容：①引入刚体力学模型，添加碰撞体和碰撞检测功能，有形变效果在厘米级，有重力作用，有物理关节，能反馈力作用和扭矩作用。②具备流体力学模型，能够和仿真对象进行类似真实的交互反馈，包括压强、密度等，有漂浮、沉没等效果。③通过粒子系统呈现不同天气(雾霾、雨、雪、风、霜等)和燃烧、爆炸等视觉效果，仿真粒子具备物理属性，能够进行碰撞检测，并呈现相应的效果。④根据真实装备性能、建筑物配置重量、防御力、重心等，拥有碰撞层、火力层、视觉层等物理属性。

(2)动力系统。按照真实车辆、装备等的构造理论、动力学模型建模，参数设置与效果和不同车型的说明书一致，结合动力学原理展现效果，如改变轮胎的前向和侧向摩擦力展示不同道路情况的驾驶效果，能够与驾驶模拟器等设备相联通，实现力反馈作用和机电信号转换。

(3)毁伤模型。应用虚拟仿真训练系统能够避免车辆装备损耗，也不受气候、地域和环境等条件限制，也可结合车辆装备进行有针对性的反复训练[5]。通过建立相应的数学模型，展现不同部位毁伤效果、杀伤半径，有形变效果等物理属性，如车辆驾驶室被滚石击中，发生形变；对模型按不同部位进行实时分割，实现真实爆炸毁伤效果；装备损坏模型，可根据需求，提供同一武器装备的多个损伤模型，通过判定和数据库调用，用于显示武器装备不同的操作部位，同时每个损伤模型可根据需求提供多个多细节层次模型(LOD模型)。

2.4 评判分析模块

采取主客观相结合的方式构建评判分析模块，针对操作类的评判，如装备完好性、设备有效性、驾驶准确性等内容采取系统评判的方式进行；对于需要人为作出判断、处置或者组织的内容，采取主观评判的方式完成，结合实际教学训练需求构建主客观评判权值，进行分值分配，将主客观评判相结合构建该模块。通过建立具体课目人员、装备战场生存性模型、措施有效性模型，生成软件自动评判结果，以文档形式输出，由组训者通过主观评判给出结论。

2.5 态势显示模块

2.5.1 组成

二维态势显示场景、三维态势显示场景。

2.5.2 功能

对具体课目(行动)态势进行二、三维呈现，根据仿真实体的运行进行状态的实时更新，可以实现从整体到局部、第一人称到第三人称等视角的切换。二、三维态势图可同屏显示，可以自由切换，分辨率为1 980*1 280，与导调控制模块互联，与导调控制操作对应。二维、三维态势显示部分，用户可采用鼠标拖拽的方式完成标图，标号与三维场景中模型同步运行，坐标位置实时更新。

2.6 导调控制模块

2.6.1 功能

具备授权管理、情况(想定)发布、场景生成和运行控制功能(包括开始、中止和结束)。控制仿真对象的用户登录、仿真个体生成、授权、运行等管理行为，实现服务端和用户端场景的同步显示，延迟不高于150 ms，用户端通过指令数据交互调用仿真实体，数据延迟不高于150 ms。可呈现从整体到单车的第一人称自由视角、飞行视角和局部视角。

2.6.2 技术需求

利用局域网能够实现通过想定集成、驱动各类模型，通过仿真时钟、事件管理和环境管理实现仿真导调控制的目标。可根据导调文书拟制想定背景，生成训练运行想定；在具体课目(行动)演练过程中，通过控制指令、文书等方式进行适时干预，可进行授权管理，可控制仿真个体的生成和消亡，借助评判分析模块，裁决具体课目(行动)的有效性和合理性，提高演训质量。

3 系统实现

图6是以汽车分队机动中防袭扰课目为例的场景应用介绍，分为组训者和受训者(分队长、班长、普通士兵)使用效果图。从实践应用来看，系统能够较为真实模拟特定背景下汽车分队执行运输保障任务的训练场景，突出了从单兵单车到分队的战术训练，起到了较为明显的训练效果。

图6 场景实现效果

4 结束语

虚拟仿真训练是新时期我军部队实战化训练的重要组成部分，已经在我军诸多军兵种的专业训练中得到了广泛应用。本系统的应用能够有效克服人员、场地、装备、安全等因素的限制，填补训练手段的空白，能够起到事半功倍的效果，下一步要在减少系统开销、实现异地远程互联上进行深入研究开发。