歐海英，王云翔，楊茂勝

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

某艦航空保障虛擬仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)

歐海英，王云翔，楊茂勝

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

艦面航空保障的人才培養(yǎng)是某艦戰(zhàn)斗力形成的重要一環(huán)。研究如何開發(fā)虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用于某艦艦面航空保障人員教學(xué)訓(xùn)練。通過分析艦面航空保障工作危險性大、戰(zhàn)位協(xié)同性高、任務(wù)時限性強的工作特點，確立了仿真系統(tǒng)研發(fā)要點。研究確定了虛擬漫游、理論學(xué)習(xí)、艦載機作業(yè)操作演練三大系統(tǒng)功能。確定了C/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和七大系統(tǒng)組成。突破了系統(tǒng)開發(fā)涉及的視景組件封裝、口令訓(xùn)練模擬、人物手勢動作模擬、設(shè)備邏輯仿真、分布式信息同步與實時等關(guān)鍵技術(shù)。某艦航空保障虛擬仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的成功開發(fā)驗證了技術(shù)可行性、先進性和應(yīng)用效果。

航空保障；虛擬仿真訓(xùn)練；系統(tǒng)開發(fā)

0 引言

某艦是我海軍最新發(fā)展的戰(zhàn)略裝備，航空保障系統(tǒng)是實現(xiàn)某艦功能的核心系統(tǒng)。航空保障人員，對于艦載機在某艦上的正常運轉(zhuǎn)非常重要，其在某種程度上直接掌握著艦載機升空與降落、戰(zhàn)斗力形成以及安全保障的“生殺大權(quán)”。因此，航空保障的人才培養(yǎng)是某艦戰(zhàn)斗力形成的重要一環(huán)。

飛行期間航空保障工作具有工作危險性大、戰(zhàn)位協(xié)同性高、任務(wù)時限性強的特點，采用虛擬仿真技術(shù)開發(fā)某艦航空保障虛擬仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)，訓(xùn)練航空保障人員反復(fù)熟悉單戰(zhàn)位的工作內(nèi)容，反復(fù)進行多站位的協(xié)同配合，從而建立大腦的重復(fù)性記憶，形成精準的條件反射，達到提高上艦后工作安全性、戰(zhàn)位協(xié)同性和工作效率的目的。

虛擬仿真訓(xùn)練是近年來新興的普及性模擬訓(xùn)練手段，被各國廣泛應(yīng)用于各軍兵種裝備部隊的初始和持續(xù)訓(xùn)練中。我國也開展了大量虛擬仿真技術(shù)和應(yīng)用的研究[1-3］。在某艦航空保障虛擬仿真研究方面，系統(tǒng)工程部及704所等工業(yè)部門基于研發(fā)需求，開發(fā)了相應(yīng)的研發(fā)平臺和原型系統(tǒng)。目前未見國內(nèi)有針對某艦航空保障虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)的報道。

本文通過分析某艦航空保障的工作特點，提煉系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)抓住的研發(fā)要點。在此基礎(chǔ)上，研究具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)組成，研究系統(tǒng)開發(fā)涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

1 系統(tǒng)研發(fā)要點

開發(fā)裝設(shè)備的虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，首先應(yīng)抓住所應(yīng)用對象的工作特點，根據(jù)工作特點提煉研發(fā)要點。

1.1 工作特點

某艦航空保障系統(tǒng)涉及的站位多、保障、支援設(shè)備多，操作使用難度較大，為完成一項飛行任務(wù)需要多個戰(zhàn)位人員的緊密協(xié)同。同時，任務(wù)的危險性極大。甲板人員在飛行操作時非常危險，他們可能會被吸入噴射引擎，或遭受引擎排放的廢氣吹入大海。起飛指揮員助理須在全球最危險的工作場所盡快將飛機放飛，責(zé)任重大，任何出錯可能毀了造價昂貴的飛機，更重要的是飛行員的安全。最后，任務(wù)時限性強。在一定的時間內(nèi)可能要連續(xù)準備多架飛機的起飛和著艦保障，兩架艦載機的降落時間可能前后不到1 min。

1.2 研發(fā)要點

根據(jù)對某艦航空保障工作特點的分析，系統(tǒng)研發(fā)時首要關(guān)鍵就是抓住航空保障的工作特點。針對某艦航空保障系統(tǒng)涉及的站位多，保障、支援設(shè)備多的特點，開發(fā)虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)時，需合理劃分子系統(tǒng)封裝粒度，合理使用計算機資源；針對飛行期間航空保障作業(yè)任務(wù)危險性大的特點，所開發(fā)的虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)可用于個人對其工作內(nèi)容的反復(fù)熟悉訓(xùn)練和各戰(zhàn)位人員的密切協(xié)同訓(xùn)練，通過對工作內(nèi)容的熟悉，提高上艦后工作的安全性；針對任務(wù)時限性強的特點，要求仿真系統(tǒng)及時反應(yīng)，沒有畫面停頓、交互滯后現(xiàn)象，并提供訓(xùn)練計時和分段計時功能，以便對訓(xùn)練過程和重點環(huán)節(jié)是否滿足所規(guī)定的時間要求進行評估和改進。

其次，信息表現(xiàn)形式要盡可能真實，包括場景、設(shè)施／設(shè)備、人與設(shè)備、人與人之間的交互等。

最后，所開發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)界面友好、交互自然，符合受訓(xùn)人員使用習(xí)慣。

綜上所述，研發(fā)航空保障虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)抓住的關(guān)鍵點：粒度適中、高度協(xié)同、及時反應(yīng)、仿真度高、交互自然。

2 系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)研發(fā)要點，設(shè)計相應(yīng)的系統(tǒng)功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成，最后研究系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)。

2.1 系統(tǒng)功能

依據(jù)某艦航空保障人員所需掌握的內(nèi)容，確立了三大系統(tǒng)功能。

（1）虛擬漫游功能。某艦艙室結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，提供虛擬漫游功能，用于艦員提前熟悉航空保障作業(yè)環(huán)境。

（2）理論教學(xué)功能。系統(tǒng)提供對航空保障裝備多媒體學(xué)習(xí)課件供學(xué)員學(xué)習(xí)，滿足受訓(xùn)者對裝設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、操作流程、維護保養(yǎng)等理論知識的學(xué)習(xí)；系統(tǒng)還可以提供部分主要裝備組成的拆裝演示。通過理論學(xué)習(xí)，有助于學(xué)員更好地掌握設(shè)備的操作使用和維護技能。

（3）艦載機作業(yè)操作演練功能。系統(tǒng)通過構(gòu)建某艦航空保障裝備模型及相應(yīng)操作面板，利用各操作面板及口令、手勢等媒介，航空保障部門各戰(zhàn)位人員多人協(xié)作配合，可模擬演練艦載機從出庫、轉(zhuǎn)運、放飛到回收、轉(zhuǎn)運、入庫保障的全過程，以使各戰(zhàn)位的指揮人員和技術(shù)保障人員熟練掌握整個保障流程。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

前面提到某艦航空保障系統(tǒng)涉及的站位多、保障、支援設(shè)備多的特點，因此，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計時需合理劃分子系統(tǒng)封裝粒度，合理使用計算機資源。子系統(tǒng)封裝有兩種方案。一種是按操作面板和設(shè)備進行封裝，第二種是按戰(zhàn)位進行封裝。按操作面板進行封裝，看似可重用性很強，只要面板不改或小改，即可重用。然而一艘某艦的航空保障系統(tǒng)有上百塊操作面板，這樣的劃分將使分系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互顯得特別復(fù)雜，系統(tǒng)很零碎，也不好維護管理。第二種按戰(zhàn)位進行封裝。每艘某艦航空保障系統(tǒng)包含的基本戰(zhàn)位都是一致的，如止動裝置、噴氣偏流板、阻攔裝置等的控制戰(zhàn)位。一艘某艦的航空保障系統(tǒng)包含戰(zhàn)位數(shù)十個，這樣按戰(zhàn)位封裝成組件，子系統(tǒng)的可重用性強，子系統(tǒng)之間交互也可控。

系統(tǒng)采用Client／Sever結(jié)構(gòu)，視景仿真顯示放在客戶端，邏輯仿真計算放在服務(wù)器端。服務(wù)器端Server與客戶端Client交互通過TCP和UDP進行，所有交互命令通過命令號ComID和命令值ComValue來傳輸。這種方式可充分利用各客戶端計算機資源，又通過服務(wù)器端統(tǒng)一解算保證各客戶端顯示的同步性。

2.3 系統(tǒng)組成

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，需研究系統(tǒng)組成，即系統(tǒng)內(nèi)部的具體內(nèi)容。航空保障虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)包括七大子系統(tǒng)：教員控制臺、理論教學(xué)子系統(tǒng)以及五大訓(xùn)練子系統(tǒng)（如調(diào)運訓(xùn)練子系統(tǒng)、起降訓(xùn)練子系統(tǒng)等）。教員控制臺用于教員和技術(shù)保障人員控制整個虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的運行，包括系統(tǒng)總流程仿真和系統(tǒng)控制管理服務(wù)。系統(tǒng)總流程仿真包括五大訓(xùn)練子系統(tǒng)的設(shè)備操作邏輯和艦載機出庫、轉(zhuǎn)運、機務(wù)準備、放飛、回收、入庫等全仿真流程。五大訓(xùn)練子系統(tǒng)均與教員控制臺通過以太網(wǎng)連接，在各戰(zhàn)位密切協(xié)作配合下，完成保障流程的協(xié)同演練。通過教員控制臺的設(shè)置，全系統(tǒng)既可單人操作，也可多人協(xié)同操作。單人操作時只能練習(xí)本戰(zhàn)位設(shè)備的操作動作、檢查方法；多人協(xié)同操作完成一次保障流程的全程演練。理論教學(xué)子系統(tǒng)是相對獨立的子系統(tǒng)，主要包括理論學(xué)習(xí)、工作原理、設(shè)備拆裝、故障檢測四個組成部分。主要采用基于瘦客戶端/服務(wù)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于在本機運行和分布式服務(wù)器方式運行，適合教室和訓(xùn)練室的學(xué)習(xí)，也適合單機便攜隨身式學(xué)習(xí)。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

研發(fā)某艦航空保障虛擬仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括視景組件封裝技術(shù)、口令訓(xùn)練／聲音模擬技術(shù)、人物手勢動作模擬技術(shù)、設(shè)備邏輯仿真技術(shù)、分布式信息同步與實時技術(shù)等。

視景系統(tǒng)為受訓(xùn)人員提供虛擬的某艦環(huán)境、操作時艦面設(shè)備的變化和真實世界的天空和海洋景象。視景系統(tǒng)的圖形生成和顯示質(zhì)量直接影響訓(xùn)練的效果。系統(tǒng)采用Vega Prime（簡稱VP）平臺作為視景開發(fā)的技術(shù)平臺，并采用基于COM機制的組件，封裝VP軟件。這種方式突破VP平臺具體的編譯環(huán)境和編程語言，大大降低了編程難度。應(yīng)用程序、視景組件和視景仿真軟件SDK之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 COM組件、VP SDK與應(yīng)用程序之間的關(guān)系

在艦面航空保障過程中，口令是飛行員、塔臺指揮員、著艦指揮官等戰(zhàn)位間交互的重要方式之一，他們通過廣播、無線電通信、語音電話或語音命令等進行信息交流。在艦面航空保障訓(xùn)練中，規(guī)范化的口令訓(xùn)練是必不可少的一部分。另外，環(huán)境中的海浪聲，設(shè)備操作聲，發(fā)動機啟動、加力等聲音、飛機滑行、掛索等聲音的模擬也是增強受訓(xùn)者身臨其境感受的重要組成部分。采用數(shù)字音響合成技術(shù)，通過錄制不同角色的語音命令和各種環(huán)境音，經(jīng)過音效軟件的各種技術(shù)加工處理，轉(zhuǎn)換成高保真波形數(shù)據(jù)儲存，形成音源庫。用DirectSound編程技術(shù)，編制聲音組件，鑲嵌于主控程序之中加以控制。每次啟動程序之前，將存儲在硬盤上的音源文件讀入內(nèi)存，根據(jù)主控程序的命令和音量播放，既可以是循環(huán)的或不循環(huán)的單獨使用，也能有序的連接起來順序使用，保證了連接處的平滑無跳躍感覺。同時響應(yīng)速度極快，完全達到了與主控解算的同步，實現(xiàn)實時仿真。

在艦面航空保障指揮流程中，各戰(zhàn)位人員的交互很多通過人物的手勢進行。譬如甲板引導(dǎo)員引導(dǎo)飛機在甲板上按預(yù)定路線運動過程中，甲板引導(dǎo)員、飛行員、系留員等之間的信息交流是通過固定手勢完成的，包括指揮系留員解除系留、去除輪檔，引導(dǎo)飛行員駕駛飛機向前滑行、剎車、停止等。艦面航空保障人員必須熟悉如何打手勢，打手勢的時機，以及收到手勢指令后如何及時做出正確的反應(yīng)。映射到艦面航空保障虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)中，就體現(xiàn)為對人物手勢進行正確的模擬，同時在程序化的保障流程中按正確的步驟實施和反應(yīng)。人物手勢的模擬，采用creator軟件制作人物動作手勢動畫，并在程序化保障流程中通過VP組件進行動態(tài)加載的方法實現(xiàn)了某艦艦載機起降保障中各航空保障人員的手勢動作的逼真模擬，取得了滿意的模擬效果。手勢模擬效果如圖2所示。

設(shè)備邏輯仿真技術(shù)主要完成設(shè)備的輸入輸出仿真和設(shè)備之間的交聯(lián)仿真（包括故障邏輯現(xiàn)象的仿真），如各種操控面板的使用邏輯和它們之間信號的傳遞關(guān)系等。仿真邏輯的編寫涉及到很強的專業(yè)使用維護知識。一般的邏輯解算的分析與設(shè)計過程如下：由專業(yè)人員描述一個系統(tǒng)的物理操作過程，并寫成物理過程描述腳本。系統(tǒng)的模塊設(shè)計人員經(jīng)過閱讀專業(yè)物理過程，提煉出涉及到的設(shè)備輸入輸出之間的數(shù)據(jù)、時間、邏輯關(guān)系，描述成一個概念類。輸入包括直接的使用操作輸入、交連數(shù)據(jù)輸入和故障信息輸入。輸出則包括設(shè)備正常的數(shù)據(jù)顯示和故障數(shù)據(jù)顯示。在設(shè)備輸入輸出清楚的前提下，設(shè)計出設(shè)備概要類，然后細化為設(shè)備類的詳細設(shè)計文檔。最后，由程序員實現(xiàn)設(shè)備類的代碼。設(shè)備邏輯仿真的設(shè)計過程如圖3所示。

某艦航空保障系統(tǒng)的任務(wù)時限性強，在一定時間內(nèi)要保障多架艦載機的連續(xù)起飛和著艦。因此，該系統(tǒng)要求有較高的實時性，各戰(zhàn)位之間的操作交互必須及時、準確。這是一個典型的分布交互式實時仿真系統(tǒng)，其中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是該系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，是各組成部分聯(lián)系的橋梁和紐帶。同時由于該系統(tǒng)涉及的戰(zhàn)位多，設(shè)備多，因此將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)交互，要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、同步性和實時性問題。

在現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下總線數(shù)據(jù)傳輸方式在系統(tǒng)中分兩種形式。

（1）人機交互輸出中主控元件（如開關(guān)、按鈕等）通過Windows窗口的消息傳輸，經(jīng)過TCP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒庋b類中，存儲設(shè)備狀態(tài)，減少網(wǎng)絡(luò)帶寬占用率，并保證主控元件數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（2）其他設(shè)備的輸出結(jié)構(gòu)以UDP方式作為輸入數(shù)據(jù)，輸入到封裝類中進行計算。系統(tǒng)中被控設(shè)備計算結(jié)果（如顯示設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)）和主控元件狀態(tài)通過定義良好的結(jié)構(gòu)，以結(jié)構(gòu)方式反饋到主邏輯、主框架。主框架通過UDP網(wǎng)絡(luò)進行發(fā)送，輸入虛擬設(shè)備操作面板后進行解析。保證了狀態(tài)的同步和設(shè)備系統(tǒng)的封裝性。但要注意輸出的狀態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)定義盡可能優(yōu)化，建議使用short型數(shù)據(jù)（int、double盡可能不用），避免網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量過大。

圖2 手勢模擬效果

圖3 設(shè)備邏輯仿真的設(shè)計過程

3 結(jié)論

通過分析某艦航空保障工作的特點，確立了艦面航空保障虛擬仿真系統(tǒng)的研發(fā)要點，研究了系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)、組成及實現(xiàn)技術(shù)。某艦航空保障虛擬仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)可用于某艦航保人員的理論教學(xué)培訓(xùn)、初始訓(xùn)練，以及部隊的日常訓(xùn)練學(xué)習(xí)和技能保持練習(xí)，對某艦戰(zhàn)斗力生成有促進作用。

［1］歐海英,于輝.基于HLA和組件技術(shù)的仿真訓(xùn)練系統(tǒng)擴展[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009，（11）.

［2］李向陽，張志利，黃先祥，等.大型武器裝備故障診斷訓(xùn)練系統(tǒng)仿真開發(fā)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2009，（21）.

［3］韓志軍，孫少斌，陳璐，等.某新型坦克綜合設(shè)計訓(xùn)練仿真系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2008，（11）.

〔編輯 凌瑞〕

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10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.53