孟憲剛，李宏雷，左曉勇，羅永豐

（1.防空兵指揮學(xué)院，河南 鄭州 450052；2.解放軍75134部隊，廣西 崇左 532200）

現(xiàn)代高技術(shù)條件下，自行高炮武器系統(tǒng)造價昂貴、生產(chǎn)數(shù)量有限，部署時間長，在實裝上開展操作訓(xùn)練受到嚴格的制約。基于虛擬現(xiàn)實的操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)作為部隊訓(xùn)練的輔助設(shè)備，可對操作使用人員在操作程序、異?，F(xiàn)象處理能力等方面進行全方位的訓(xùn)練，可有效解決裝備操作訓(xùn)練中的“性能”、“安全”和“成本”問題。

高層體系結(jié)構(gòu) HLA是為規(guī)劃仿真開發(fā)、建模、設(shè)計整個過程中應(yīng)遵循的規(guī)則而提出的。在基于HLA的仿真系統(tǒng)中，聯(lián)邦成員之間的互操作和交互通過HLA 的運行支撐環(huán)境（RTI）來實現(xiàn)[1]。通過運行支撐環(huán)境RTI，提供通用的、相對獨立的支撐服務(wù)程序，將仿真應(yīng)用同底層的支撐環(huán)境分開，即將具體的仿真功能實現(xiàn)、仿真運行管理和底層通信傳輸三者分離，隱蔽了各自的實現(xiàn)細節(jié)，從而使各部分可以相對獨立的進行開發(fā)。HLA的設(shè)計思想對自行高炮操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)具有重要啟示作用。本文圍繞自行高炮操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)功能，對系統(tǒng)進行了方案設(shè)計，并實現(xiàn)了協(xié)同操作訓(xùn)練驗證。

1 系統(tǒng)功能

自行高炮操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)旨在構(gòu)建一個逼真、交互性強的訓(xùn)練仿真環(huán)境，操作手可根據(jù)操作任務(wù)協(xié)同地執(zhí)行操作行為，系統(tǒng)具體功能如下:

①替代實裝對操作手進行訓(xùn)練，操作流程、操作方法步驟符合操作任務(wù)要求；

②參訓(xùn)人員和裝備狀態(tài)、戰(zhàn)場訓(xùn)練場景清晰逼真，可視性好，具有身臨其境的感覺；

③系統(tǒng)是一個基于 HLA的分布式仿真系統(tǒng)，每一個操作手設(shè)計一個仿真節(jié)點，使用鼠標、鍵盤、操縱桿等交互工具進行交互；

④對操作行為能夠做出正確響應(yīng)，主要表現(xiàn)為所操作部件和所影響部件的狀態(tài)改變；

⑤允許多操作手協(xié)同執(zhí)行操作行為，保證操作行為的完整性和一致性；

⑥具有誤操作判別功能，但只允許誤操作進行一步，即做錯了必須糾正，否則不允許進行下一步操作；

⑦具有可視化操作規(guī)程教學(xué)、訓(xùn)練成績評估、資料查詢功能。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

自行高炮操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要包括以下幾個部分:總導(dǎo)演臺、指揮車子系統(tǒng)、炮車子系統(tǒng)、空情模擬子系統(tǒng)、作戰(zhàn)場景顯示子系統(tǒng)和考核評估子系統(tǒng)等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自行高炮操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）總導(dǎo)演臺

總導(dǎo)演臺對整個操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)實施控制和管理，是仿真系統(tǒng)的控制核心。

2）指揮車子系統(tǒng)

指揮車子系統(tǒng)是整個操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的控制中樞，它接受導(dǎo)演臺下達的作戰(zhàn)任務(wù)，搜索目標、決策指揮、對各炮車進行目標指示及分配，并向炮車下達各種戰(zhàn)斗命令。

3）炮車子系統(tǒng)

炮車子系統(tǒng)用于完成炮車訓(xùn)練，包括發(fā)送炮車陣地參數(shù)，接收目標指示信息，模擬炮車的實際戰(zhàn)斗操作、目標捕獲跟蹤、火力打擊等過程。

4）空情模擬子系統(tǒng)

空情模擬子系統(tǒng)提供目標模型，目標模型在總導(dǎo)演臺提供的目標航跡驅(qū)動下飛行，為模擬訓(xùn)練提供目標源。

5）作戰(zhàn)場景顯示子系統(tǒng)

作戰(zhàn)場景顯示子系統(tǒng)主要提供戰(zhàn)場環(huán)境，隨著戰(zhàn)場態(tài)勢變化實時顯示作戰(zhàn)進程，直觀反映作戰(zhàn)效果。

6）考核評估子系統(tǒng)

考核評估子系統(tǒng)在操作過程中對各操作手以及指揮員指揮決策進行監(jiān)控、記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，并根據(jù)評估模型對協(xié)同操作訓(xùn)練效果進行評估。

3 系統(tǒng)HLA設(shè)計

3.1 系統(tǒng)背景想定

根據(jù)總導(dǎo)演臺的目標航跡，空情模擬子系統(tǒng)發(fā)出目標指示信息，指揮車目標指示雷達適時開機，雷達發(fā)現(xiàn)目標，并向數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實時傳輸目標數(shù)據(jù)，經(jīng)目標分配后向各炮車通播目標指示數(shù)據(jù)。各炮車根據(jù)目標數(shù)據(jù)決定單炮搜索雷達開機時機，發(fā)現(xiàn)目標后反饋“已發(fā)現(xiàn)目標”信息和車輛位置信息至指揮車。指揮員根據(jù)上級命令可進行人工干預(yù)，改變目標分配結(jié)果，同時，炮車和指揮車可中斷數(shù)據(jù)傳輸，進行通話。各炮車發(fā)現(xiàn)目標后，在單炮搜索雷達目標導(dǎo)引信息下，利用火控系統(tǒng)光電設(shè)備進行捕獲和跟蹤目標。當跟蹤上目標后，炮車立即向指揮車傳送“已跟蹤目標信息”。此時，炮手可根據(jù)環(huán)境條件選擇跟蹤方式，并對目標測距，當解算出射擊諸元后，炮手可伺機實施射擊。

3.2 系統(tǒng)框架設(shè)計

3.2.1 系統(tǒng)聯(lián)邦成員設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的具體功能，結(jié)合操作手設(shè)置情況，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用兩級聯(lián)邦結(jié)構(gòu):車群聯(lián)邦和單車聯(lián)邦。車群聯(lián)邦由總導(dǎo)演臺、若干個炮車橋接成員、指揮車橋接成員、指控系統(tǒng)橋接成員、空情模擬子系統(tǒng)、協(xié)同操作訓(xùn)練評估成員等構(gòu)成。單車聯(lián)邦是針對炮車子系統(tǒng)和指揮車子系統(tǒng)建立的仿真聯(lián)邦（炮車聯(lián)邦和指揮車聯(lián)邦），包括導(dǎo)演臺節(jié)點、所屬各操作手節(jié)點、以及用于接入車群聯(lián)邦的橋接成員節(jié)點。各聯(lián)邦成員組成如表1所示。

表1 聯(lián)邦成員組成

3.2.2 系統(tǒng)框架設(shè)計

系統(tǒng)采用兩級聯(lián)邦結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 自行高炮操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)多聯(lián)邦結(jié)構(gòu)

指揮車聯(lián)邦包括導(dǎo)演臺節(jié)點、機理解算節(jié)點、戰(zhàn)斗操作與指揮員指揮評估節(jié)點、指揮員節(jié)點以及駕駛員等其他成員節(jié)點。導(dǎo)演臺主要實現(xiàn)RTI的監(jiān)控與管理等功能；機理解算節(jié)點是裝備動力、機械、電氣等方面特性的描述，是模擬器設(shè)計的核心，在仿真裝備機理的基礎(chǔ)上，為裝備實體模型和戰(zhàn)場環(huán)境模型提供可靠的數(shù)據(jù)支撐；指揮員節(jié)點是作戰(zhàn)系統(tǒng)的指揮中樞，通過模擬作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)對各作戰(zhàn)單元實施指揮，處理目標情報信息，進行目標分配以及下達各種作戰(zhàn)指令等；其他成員節(jié)點在指揮員的指揮下負責各自功能操作，如車輛駕駛、目標探測、通信等任務(wù)。在指揮車子系統(tǒng)中，各節(jié)點通過RTI進行互聯(lián)互操作，構(gòu)成指揮車聯(lián)邦。

炮車聯(lián)邦與指揮車聯(lián)邦結(jié)構(gòu)類似，包括導(dǎo)演臺節(jié)點、機理解算節(jié)點、車長節(jié)點、駕駛員節(jié)點和炮手節(jié)點，各節(jié)點間通過RTI互聯(lián)互操作，組成炮車聯(lián)邦。車長節(jié)點是作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的重要組成部分，在指揮員指揮下協(xié)調(diào)本作戰(zhàn)單元各號手共同完成作戰(zhàn)任務(wù)，主要負責接收上級的各項指令和目標信息，進行目標導(dǎo)引，組織協(xié)調(diào)各號手完成作戰(zhàn)任務(wù)；炮手節(jié)點主要完成對目標的搜索、捕獲跟蹤以及對目標的射擊等操作。

3.3 聯(lián)邦級信息交互處理

模擬操作過程中，系統(tǒng)不但傳送語音信息，還有數(shù)據(jù)信息，比如指揮員發(fā)送給各炮車的目標分配信息、炮車發(fā)送給指揮車的車輛位置信息等[2]。指揮車聯(lián)邦和炮車聯(lián)邦通過各自的橋接成員加入車群聯(lián)邦。指揮車與炮車之間的信息交互通過指揮車橋接成員和對應(yīng)炮車的橋接成員進行。信息交互過程如圖3所示。

圖3 聯(lián)邦級信息交互示意圖

橋接成員主要由代理部件和轉(zhuǎn)換部件兩部分組成。每個橋接成員一般包括兩個代理部件，每個代理作為成員加入某一聯(lián)邦中。代理從它所加入的聯(lián)邦中獲取聯(lián)邦控制信息和對象/交互信息并轉(zhuǎn)發(fā)給轉(zhuǎn)換部件，由轉(zhuǎn)換部件進行適當?shù)男畔⑥D(zhuǎn)換再傳輸給其他相關(guān)代理；同時，代理需要從轉(zhuǎn)換部件接收其他聯(lián)邦的信息并通過調(diào)用RTI服務(wù)把信息發(fā)送給所加入的聯(lián)邦。

4 系統(tǒng)協(xié)同操作模擬實現(xiàn)

基于武器系統(tǒng)作戰(zhàn)背景，作戰(zhàn)過程模型描述了自行高炮武器系統(tǒng)的操作過程，同時描述了裝備之間的邏輯操作關(guān)系。各操作手仿真節(jié)點根據(jù)作戰(zhàn)過程模型描述的裝備操作和操作邏輯關(guān)系，在Virtools環(huán)境下進行模塊編排，驅(qū)動虛擬實體裝備模型，模擬實現(xiàn)裝備操作過程。

按照作戰(zhàn)過程模型對虛擬裝備進行模塊編排以后，在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)上進行協(xié)同操作訓(xùn)練。協(xié)同操作訓(xùn)練主要驗證相關(guān)操作及其響應(yīng)的正確性和模擬訓(xùn)練過程是否與實際作戰(zhàn)過程一致等。在訓(xùn)練之前，相關(guān)操作手需要根據(jù)操作規(guī)范理解自己的操作任務(wù)、熟悉相關(guān)設(shè)備操作以及與其他節(jié)點的協(xié)同關(guān)系；在訓(xùn)練展開以后，操作手按照各自任務(wù)在指揮員的指揮下密切配合，共同完成協(xié)同任務(wù)。協(xié)同操作訓(xùn)練主要過程如下:

1）創(chuàng)建聯(lián)邦執(zhí)行。啟動導(dǎo)演臺創(chuàng)建聯(lián)邦，聯(lián)邦執(zhí)行進程開始運行。

2）聯(lián)邦成員加入。各仿真節(jié)點依次加入各自的聯(lián)邦，并實現(xiàn)聯(lián)邦同步，完成系統(tǒng)的互聯(lián)。

3）總導(dǎo)演臺發(fā)布航跡信息。

4）目標探測子系統(tǒng)開始探測目標，發(fā)現(xiàn)目標后，通過RTI把目標信息發(fā)送給指揮員；指揮員對目標信息進行分析判斷，通過指揮控制系統(tǒng)向炮車下達戰(zhàn)斗準備命令，各炮車在車長指揮下進行各項戰(zhàn)斗準備操作；目標進入作戰(zhàn)區(qū)域后，指揮員向各炮車進行目標分配，并不斷通報目標坐標信息，各炮車根據(jù)指揮員通報的目標信息搜索目標，發(fā)現(xiàn)目標后進行捕獲、跟蹤，經(jīng)過火控系統(tǒng)解算射擊諸元后伺機對目標進行火力打擊，并向指揮員反饋作戰(zhàn)結(jié)果。

5）指揮員根據(jù)空情進行新一輪目標分配，空情解除后，下達撤收命令。

5 結(jié)束語

本文針對操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的特殊性，論述了基于 HLA的模擬訓(xùn)練仿真的設(shè)計思想和開發(fā)過程，并就 HLA在該系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了一定的探討。實踐證明，HLA在增進仿真模型互操作性、可重用性以及提高仿真逼真度和沉浸性方面有著獨特的優(yōu)勢，在協(xié)同操作模擬實現(xiàn)過程中，虛擬裝備操作及其相關(guān)邏輯響應(yīng)關(guān)系正確，整個作戰(zhàn)過程比較順暢，比較真實地反映了自行高炮武器系統(tǒng)作戰(zhàn)過程和作戰(zhàn)要素的邏輯關(guān)系，驗證了作戰(zhàn)過程模型。

[1]周彥,戴劍偉. HLA仿真程序設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[2]張曦. 基于HLA的汽車操縱穩(wěn)定性虛擬試驗技術(shù)的研究[D].北京機械工業(yè)學(xué)院碩士學(xué)位論文,2007.

[3]史永輝. 分布交互仿真通用支撐平臺的研究及應(yīng)用[D].西北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2002.

[4]致志剛,郭齊勝,劉軍,等. 基于 UML的作戰(zhàn)信息交換建模[J].裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報，2006,20(4):1-5.

[5]王歡,毛征,席大林. 某自行高炮模擬訓(xùn)練系統(tǒng)實時仿真技術(shù)的研究與實現(xiàn)[C].2005系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文集（第七卷）:631-634.

[6]熊光楞,郭斌,陳曉波，等. 協(xié)同仿真與虛擬樣機技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.