某弹炮结合武器系统模拟训练器设计与实现

岳小东，卢青山，王武，查婷婷，薛鹏

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

随着部队现代化建设的推进，越来越多的新型装备投入使用[1]。某新型弹炮结合武器系统组成复杂，技术含量高，综合性强，为尽快使部队熟练掌握使用维护技能，形成战斗力，必须进行大量针对性、系统性的训练。直接使用实装开展日常性、系统性的训练，保障难度大，费用高，安全性差。随着计算机技术和仿真技术的飞速发展，模拟训练器强大功能和巨大效益，使其成为了新型复杂武器系统操作使用技能培训的重要途径。模拟训练器能突破时空的限制，实现全昼夜全天候全地域训练；还可以模拟各种高危险、高难度，以及在现实中难以进行或难以重复的动作，有效提高训练的安全性；能缩短武器装备的培训周期，减少装备损耗，节约大量训练经费。因此，专门为此新型弹炮结合武器系统研制了一款仿真程度高、针对性强、费效比低、轻量化的模拟训练器。

1 总体设计

1.1 系统组成、功能和原理

某弹炮结合武器系统模拟训练器由训练导调分系统、仿真控制分系统、训练监控分系统和乘员训练分系统组成，其中乘员训练分系统由多套战车训练单元和1套指挥训练单元组成。系统组成图如图1所示。

训练导调分系统主要功能是设置训练科目，设置作战环境、电子对抗环境和复杂天气条件；进行训练过程导调控制，采集记录训练过程数据，对训练成绩进行评估、分析；进行训练数据管理。训练监控分系统主要功能是实时监控受训人员的训练过程，同时为非受训人员提供训练观摩、学习功能；并能复演训练过程，用于对训练进行回顾和分析，便于受训人员发现和保持优点并克服和改正缺点。仿真控制分系统是模拟训练器的仿真计算中心，为各战车训练单元和指挥训练单元提供仿真计算服务。乘员训练分系统主要功能是为乘员提供一个与实装相似的操作环境，实现装备主要操控功能训练。

模拟训练器采用半实物仿真与虚拟现实相结合设计方式，以实装主要操作对象和工作流程为依据，在操作界面、操作方法、操作功能和操作响应等方面与实装保持一致，给受训人员构建一个逼真的训练操作环境。为保证训练操作感觉的真实性，各战车训练单元和指挥训练单元中，人员操作的部件采用实物设备，如操控面板、操纵杆、鼠标键盘、显示设备；不需操作的功能设备则采用计算机仿真其功能，如雷达、火控、光电、北斗、导航、通信等设备。模拟训练器各模块之间采用千兆以太网通信，实现高速信息交互。

设计了学习和训练考核两种训练模式，训练级别由浅入深，逐层深入。模拟训练器组训方式示意如图2所示。

学习模式下，通过虚拟现实技术[2]，使受训人员完全沉浸于虚拟场景中，系统以演示、引导、交互的方式提示受训者所要完成的操作，受训人员可以在一个自主控制的环境里自由支配和探索，有利于激发人的形象思维和感性认识。训练内容主要包括实装装备构造、工作原理、功能性能、操作步骤、流程讲解和伴随操作，是对受训人员的初级训练。

训练考核模式是在受训人员对装备有一定认识后，通过半实物训练环境进行提升训练。半实物训练环境按照实装人机环境进行设计，给受训人员提供一个与实际作战操作相同的操作环境，同时配以高逼真度的三维战场景象及震撼的战场音效效果，给受训人员一种实战化训练体验，使其达到心理与操作技能双重训练。训练时训练导调分系统全程记录训练过程数据，在训练结束后生成训练效果评价报告，用以指出受训人员存在的问题，给出改进建议。训练考核结束后，受训人员还可通过训练回放机制，查看自己整个训练过程，在教官的讲解和指点下，受训人员总结经验，发现不足，改正缺点，提升训练有效性。

在训练科目上，设置了单兵训练、单装训练、协同训练、分队综合训练不同层次的训练项目，内容涵盖了“行军”“战斗准备”“战斗操作”和“战斗转行军”等作战全流程的训练。每种训练科目下，可以通过设置作战地形地貌、天气气象、作战想定、态势、电子对抗环境等，形成不同难度级别的训练题，实现乘员的专业技能训练、协同训练和分队战术战法训练，使处于不同知识、技能水平的受训人员都有合适的训练切入点，以便受训人员快速熟悉装备操作环境、掌握操作要领，提高训练的有效性和积极性。

1.2 乘员训练单元功能设计

乘员训练单元是实施训练的物理平台，依照实装操作室布局，采用封闭式车舱结构设计，训练车舱的空间尺寸、布局等与实车保持基本一致[3]。训练车舱内主要由显控终端、操控面板、操纵杆、瘦客户端、高清视频编码装置、视景系统、音响系统等组成。训练车舱舱体由碳纤维复合材料一次加工成形，具备强度高、质量小的特点。训练车舱上采用4块液晶屏代替了实车左右车门和前挡风玻璃，用于给乘员提供虚拟战场场景。显控终端接收瘦客户端推动的远程桌面，实现综合战场态势信息、装备状态信息、作战信息、目标视频图像等仿真信息的显示。操控面板、操纵杆等采用实装部分，用于完成相关操作控制。

在视景设计时，采用一机多通道视景技术[4]，由1台计算机生成整个虚拟作战环境，由5个不同通道将不同视角场景送显给舱内显控终端以及左右车门、前挡风的屏幕上，通过屏幕拼接和边缘融合处理，以及数据同步方式，生成一个多角度、浑然一体的虚拟场景。同时在场景中添加相应的音效仿真，模拟了发动机噪声、设备噪音、射击声效以及战场环境背景音效。音频模拟信号为立体声，声音可根据距离变化自然过渡，与视景图像协调同步，为乘员营造一个在视觉、听觉、触觉上三维一体的真实训练空间，带给其身临其境的感受。

1.3 仿真控制分系统功能设计

仿真控制分系统是模拟训练器仿真计算中心，采用服务器架构，虚拟出若干个仿真单元，各仿真单元通过数学模型和仿真软件，模拟装备雷达、光电、火控、北斗、导航等设备功能，生成仿真数据，实现装备的行军控制、目标搜索、导引、跟踪、火控解算、射击及作战流程控制等功能。以远程桌面方式，向各训练单元上的瘦客户端推送仿真界面及操控数据。

1.4 训练监控回放功能设计

考虑到各乘员训练主要是通过操作舱内的控制面板和显控界面来完成的，可以通过采集各乘员训练单元显示终端的视频画面和面板操控动作，来实现对乘员训练过程的监视。各乘员显示画面均为4∶3，为保证监控画面的显示比例不失调，因此在监控显示终端选择一款16∶9宽屏,屏幕的左侧3/4用于合成显示多个乘员显控终端的视频画面,右侧1/4以文字列表方式显示各面板操控动作。视频画面通过屏幕分割的方式，设置了4种显示模式，不同模式下一屏上可监视1个、4个、6个或9个乘员的训练过程。模拟训练器可同时对十多个乘员训练过程进行实时监控。监控显示模式如图3所示。

训练过程中，训练监控分系统自动将各乘员视频数据压缩并以文件形式存储在本地磁盘上，文件名称由系统自动生成，规则为“XX年XX月XX日XX时XX分XX秒-训练科目代码-训练人员姓名.sp”，面板操作信息以二进制文件存储，每条信息标有时间戳，文件名称由系统自动生成，规则为“XX年XX月XX日XX时XX分XX秒-训练科目代码-训练人员姓名.mb”。回放时，输入检索条件，选择要回访的文件，即可完成相应训练过程的回放。

1.5 训练评估功能设计

训练评估是评价和检验训练效果的重要手段。正确的训练评估对调动广大受训人员的训练热情、衡量受训人员的技术与战术水平、进行有层次的模拟训练有极大的推进作用，能够更为有效地强化广大受训人员使用模拟训练系统进行训练的效果。在训练评估指标体系的设计上，针对弹炮结合武器系统训练要点，结合实际的训练考核要求，遵循科学性、准确性、可行性和客观性原则[5]，建立了按人员专业类别进行评价的三级评价指标体系，构成弹炮结合武器系统模拟训练考核评估指标体系，如图4所示。

评估方法采用分级式的模糊综合评判法[6]，首先得到底层的评判矩阵，经加权处理后作为上一级的评价指标构造新一层次的评判矩阵，最终确定最高层次的综合评判矩阵。指标的权重主要采用专家咨询的经验加权法获得。选取20个评委，每个评委通过定性分析，给出定量回答，然后采用算术平均值处理方法，获得权重值[7]。

最终的评估结果由计算机自动生成，评估结果包括三部分内容：成绩、操控评分清单及评语。成绩分为优秀(91～100)、良好(81～90)、合格(60～80)和不及格(60以下)4档，操控评分清单为整个训练过程操控清单及扣分项，评语是对整个训练过进行点评，指出不足，给出改进建议。

2 关键技术

2.1 边缘云技术

本模拟训练器中，乘员训练单元多，仿真功能复杂，若在每个乘员训练单元上采用一台或多台单机进行系统功能仿真模拟，势必会导致系统体系庞大，运维困难，可靠性低，费效比差。本系统采用基于边缘云[8]技术架构，应用云计算技术将模拟训练器上一台服务器的CPU、内存、网络、磁盘等物理设备抽象成可以动态管理的“资源池”[9]，动态隔离为战车训练单元1、单元2、…、单元N、指挥单元等十多个独立的、虚拟的仿真业务计算机，并提供完整可定制的操作系统和虚拟的高速网络数据交换能力，为仿真业务软件运行提供基础运行操作系统环境和虚拟硬件资源支持，客户端软件通过与边缘云操作系统的协同，采用虚拟桌面基础架构实现客户端人机交互功能。

每个虚拟机与物理服务器类似，主要的区别在于虚拟机并不是由电子元件组成，而是由一组文件构成的。每台虚拟机都是一个完整的系统，具有处理器、内存、网络设备、存储设备和BIOS，因此操作系统和应用程序在虚拟机中的运行方式与它们在物理服务器上的运行方式没有任何区别，用户无需对这些操作系统和应用程序进行任何修改。物理服务器的资源可在多台正在运行的虚拟机之间共享，实现弹性计算能力，从而最大限度利用服务器资源[10]。虚拟机封装在文件之中，因此可以通过简单的文件复制便可实现虚拟机的部署、备份以及还原。

边缘云系统功能架构如图5所示。

2.2 多路高清视频编码传输技术

各乘员训练单元客户端输出信号为HDMI，分辨率为1 280×1 024，要实现监控回放功能，主要是解决对各乘员训练单元客户端输出视频的无损采集、编解码和传输。因此，在各乘员训练单元中加装一块高清视频编码板。高清视频编码板接收HDMI信号后，环出一路HDMI信号输出至显示终端，同时采用H.265硬编码方式进行视频压缩编码,再通过千兆以太网进行流视频的传输。视频采集处理装置接收到数据后，通过软解码方式对视频进行解码处理，将经过解码后的视频送到对应的显示模块，显示模块对接收到的视频进行播放[11]。视频压缩编码采用海思Hi3520D处理器。Hi3520D处理器在编码通道模块中完成对视频图像到码流的转换，完成码率控制器和编码器的协同控制[12]；具备CBR和VBR两种码率控制方式[13]，从而实现了视频数据的稳定可靠、高质量、低码率、低延迟的传输。多路高清视频监控原理如图6所示。

2.3 信息采集传输技术

模拟训练器功能复杂，数据主题种类繁多，数据交互量大。制定高效、安全、可靠的信息交互处理机制，是实现模拟训练功能的保障。

设计了双层网络机制，将视频数据通过一层千兆以太网进行传输，仿真数据通过另一层千兆以太网进行传输，划分不同IP网段，实现物理层隔离。同时，采用基于端口VLAN方式[14]，在不同的乘员训练单元上划分不同的VLAN，实行数据的逻辑隔离，提升了数据传输的安全性，降低网络传输负荷。在传输层使用UDP传输协议，对关键数据报文设置了回报机制，确保了数据传输的高效性的同时，提高了可靠性。

3 结束语

某新型弹炮结合武器系统模拟训练器采用半实物仿真与虚拟现实相结合设计方式，在追求与实装一致性的同时，尽可能采取简化设计，构建装备的操作训练平台。该模拟训练器设计了学习、训练考核多种训练模式，能对多个乘员训练过程进行监控与系统评估，具备仿真效果逼真，针对性强、性价比高、安全性好、轻量化的特点。通过部队适用性试验证明，本模拟训练器可显著节省新装备操作手的培训时间，提高训练效率，是部队进行科技练兵和新装备快速生成战斗力的重要手段。