王 欣， 陸 超

(陸軍軍事交通學(xué)院汽車士官學(xué)校訓(xùn)練管理系，安徽 蚌埠 233011)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，已經(jīng)沒有嚴(yán)格界限的前后方之分，汽車兵既是保障員，又是戰(zhàn)斗員，既要完成運輸投送保障任務(wù)，又要能夠參與戰(zhàn)斗，實現(xiàn)“上車能駕駛，下車能戰(zhàn)斗”。針對時代要求，要將以往的單兵單車班組訓(xùn)練升級為帶有戰(zhàn)術(shù)背景的分隊級訓(xùn)練，在練技能的基礎(chǔ)上，重點錘煉指揮能力、處置突發(fā)情況的能力。

軍事仿真訓(xùn)練系統(tǒng)可實現(xiàn)大范圍、廣視角的戰(zhàn)場環(huán)境模擬、對作戰(zhàn)行動的全過程仿真，使得參戰(zhàn)的各軍兵種體驗到接近實戰(zhàn)的全景立體戰(zhàn)場環(huán)境[1]，并可提供更為個性化、更有針對性、更為開放的訓(xùn)練方案和訓(xùn)練內(nèi)容；可根據(jù)參與人員的知識、經(jīng)驗和體驗，有針對性選擇訓(xùn)練內(nèi)容、訓(xùn)練方式，實現(xiàn)個人軍事素質(zhì)的快速提高[2]。由于仿真技術(shù)具有針對性強、應(yīng)用面廣、價格低廉、可多次重復(fù)運行等優(yōu)點，在武器裝備作戰(zhàn)試驗中獲得了廣泛的應(yīng)用[3]。為了克服汽車部(分)隊實戰(zhàn)化訓(xùn)練中受到場地、人員、車輛、安全性等因素限制存在的現(xiàn)實問題，本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于局域網(wǎng)的汽車分隊聯(lián)網(wǎng)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，為汽車部(分)隊訓(xùn)練提供一種新型的訓(xùn)練手段。

1 仿真訓(xùn)練系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于局域網(wǎng)架構(gòu)的汽車分隊聯(lián)網(wǎng)教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)，是依托三維建模技術(shù)、視景仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)、半實物仿真技術(shù)、分布式仿真技術(shù)和數(shù)據(jù)分析評估技術(shù)，提供通用可擴展的平臺架構(gòu)，通過配置仿真模型、用戶操作界面和部署仿真場景，面向單車駕駛技能訓(xùn)練和分隊級訓(xùn)練的虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。本系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)傳輸層、邏輯層、支撐層和應(yīng)用層等四個層次構(gòu)成，如圖1所示，并在相應(yīng)層次規(guī)劃和預(yù)留擴展接口。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

從整體上考慮，系統(tǒng)應(yīng)用功能主要區(qū)分為單車駕駛技能訓(xùn)練和分隊級訓(xùn)練，預(yù)設(shè)置多個用戶端，后續(xù)可根據(jù)需要進行用戶端的更新拓展。從系統(tǒng)使用功能上來看，在單車駕駛技能訓(xùn)練方面，一是實現(xiàn)不同受訓(xùn)人員同時訓(xùn)練不同課目，二是可以實現(xiàn)所有受訓(xùn)人員在一個場景下的駕駛技能訓(xùn)練。在分隊級仿真訓(xùn)練方面，通過建立局域網(wǎng)，可以實現(xiàn)模擬由多輛車組成的一個車隊，模擬執(zhí)行特定條件下的運輸保障任務(wù)。一是模擬分隊級指揮的整個流程；二是通過虛擬仿真視景展現(xiàn)特定訓(xùn)練環(huán)境，突出訓(xùn)練要素模擬顯示；三是可以實現(xiàn)單車的駕駛操作和分隊級組織等訓(xùn)練功能；四是可以實現(xiàn)態(tài)勢顯示及過程回放。系統(tǒng)設(shè)計的整體訓(xùn)練流程如圖2所示。

圖2 整體訓(xùn)練流程

1.3 系統(tǒng)功能指標(biāo)要求

與空軍、海軍和陸軍團以下戰(zhàn)場環(huán)境仿真設(shè)計相比，陸軍分隊?wèi)?zhàn)場環(huán)境仿真具有地形幅員小、分辨率要求高、地物特征復(fù)雜，多維模型數(shù)量多、細(xì)節(jié)表現(xiàn)逼真、數(shù)據(jù)量大等特點，是所有戰(zhàn)場環(huán)境中最難構(gòu)建的[4]。系統(tǒng)功能指標(biāo)應(yīng)滿足如下要求：

(1)視景仿真刷新頻率≥25幀/s，視景系統(tǒng)可靠性為連續(xù)運行時間不小于48 h。

(2)操作響應(yīng)時間小于2 s，系統(tǒng)客戶端支持Windows7 64位系統(tǒng)運行環(huán)境，服務(wù)器端支持Windows7(64位)運行環(huán)境構(gòu)建獨立的局域網(wǎng)環(huán)境，延遲不高于100 ms，統(tǒng)一各個用戶端的仿真對象時鐘，延遲不高于50 ms。

(3)場景中通視距離一般在200～300 m左右，要求用戶端呈現(xiàn)第一人稱視角和單兵單車的第三人稱視角，服務(wù)端呈現(xiàn)整體視角、各類細(xì)節(jié)視角和第一、第三人稱視角，不得在300 m距離上出現(xiàn)鋸齒。

(4)考慮到車隊的運行長徑及訓(xùn)練時長，要求能夠支持高程信息數(shù)據(jù)(為灰度圖，精度為米級)，能夠涵蓋60 km2左右場景，支持衛(wèi)星影像貼圖、地表紋理貼圖，包括山地、丘陵、平原、水網(wǎng)稻田等四類地形。

(5)道路總里程應(yīng)不少于100 km，道路布局縱橫交錯，局部形成迂回；以非鋪裝路面(砂石路)為主，包括岸灘路、冰雪路、彈坑路、涉水路、泥濘路、震毀路、遮斷路、壕溝、坡道彎路等特殊路段，且各類特殊路段不少于3 km，后期可根據(jù)需要更新。

從用戶角度使用方面考慮，從組訓(xùn)人員方面看，可以進行導(dǎo)調(diào)控制，包括課目設(shè)置、車輛型號選擇、武器彈藥器材配置、仿真進程控制、模型要素添加、戰(zhàn)場生存性評判分析和復(fù)盤回放研討。從受訓(xùn)人員方面看，根據(jù)分隊長、班長和普通士兵的角色進行區(qū)分，分隊長可以進行分析判斷、指揮方案擬制、過程控制、車輛編組；班長可以對所屬人員進行管理，對分隊長報告情況，對普通士兵傳達命令，普通士兵主要進行駕駛操作和下車射擊等作戰(zhàn)行為。參訓(xùn)人員業(yè)務(wù)流程如圖3所示。

圖3 參訓(xùn)人員業(yè)務(wù)流程

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

系統(tǒng)整體模塊組成如圖4所示。在局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上，主要區(qū)分為數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)控制、交互仿真、評判分析、態(tài)勢顯示和導(dǎo)調(diào)控制模塊。

圖4 系統(tǒng)模塊組成

2.1 數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫模塊是整個系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)來源，主要包括：三維模型數(shù)據(jù)、配置文件信息、行為腳本及設(shè)備屬性信息。

三維模型數(shù)據(jù)指的是構(gòu)建虛擬場景所需要的各類模型，如場地模型、道路模型、標(biāo)示模型、裝備模型以及訓(xùn)練設(shè)施模型等。

配置文件信息指的是加載模型時所需要的配置文件，包括場景個體設(shè)置方案、想定庫、行為腳本驅(qū)動方式等。行為腳本主要包括事件驅(qū)動方式、模型運行腳本、個體AI腳本等，設(shè)備信息主要包括聯(lián)網(wǎng)用戶端個體標(biāo)識及仿真狀態(tài)等。配置文件信息是整個系統(tǒng)場景的基礎(chǔ)，需要在前期通過建模軟件來進行建模。

2.2 網(wǎng)絡(luò)控制模塊

對內(nèi)部局域網(wǎng)進行控制，由于仿真系統(tǒng)要求客戶端的反應(yīng)時間較短，又是在局域網(wǎng)環(huán)境，面向的是固定的用戶群，安全保密性高，要求軟件架構(gòu)獨立穩(wěn)定，因此擬采用C/S模式開發(fā)，充分利用客戶端資源。

2.3 交互仿真模塊

2.3.1 組成

交互仿真模塊由軟件應(yīng)用程序、與硬件輸入設(shè)備互聯(lián)模塊和硬件輸入設(shè)備組成。虛擬場景中的活動物標(biāo)，如車輛、直升機、人物等，應(yīng)能夠按照需要可沿指定軌跡進行實時運動，并能夠根據(jù)外部的指令執(zhí)行簡單的動作，如車輛中彈起火冒煙、人員被武器擊中等，要求能夠在三維視景中展現(xiàn)彈道軌跡，并能在檢測到有目標(biāo)被命中時，輸出被命中目標(biāo)的ID號。在二三維態(tài)勢圖上顯示的同時，提示具體信息，包括攻擊方在多遠(yuǎn)距離，用什么彈藥、擊中什么部位、毀傷程度(分值)等。所有虛擬目標(biāo)要求幾何尺寸準(zhǔn)確、地理位置精確，能夠動態(tài)地進行加載、刪除和替換等操作。交互仿真系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)框架見圖5。

圖5 人機交互設(shè)計實現(xiàn)

2.3.2 功能

實現(xiàn)用戶與場景的交互操作與體驗，滿足“人在回路”、“設(shè)備在回路”的要求，考慮到系統(tǒng)開銷，對于部分消耗系統(tǒng)資源較大的仿真實體采取資源分包、異步動態(tài)加載和渲染遮罩等技術(shù)。用戶端模型的驅(qū)動交互操作需支持鍵盤、鼠標(biāo)、游戲手柄駕駛模擬器等設(shè)備。交互仿真設(shè)計主要包括三方面：

(1)物理系統(tǒng)。主要包括四個方面內(nèi)容：①引入剛體力學(xué)模型，添加碰撞體和碰撞檢測功能，有形變效果在厘米級，有重力作用，有物理關(guān)節(jié)，能反饋力作用和扭矩作用。②具備流體力學(xué)模型，能夠和仿真對象進行類似真實的交互反饋，包括壓強、密度等，有漂浮、沉沒等效果。③通過粒子系統(tǒng)呈現(xiàn)不同天氣(霧霾、雨、雪、風(fēng)、霜等)和燃燒、爆炸等視覺效果，仿真粒子具備物理屬性，能夠進行碰撞檢測，并呈現(xiàn)相應(yīng)的效果。④根據(jù)真實裝備性能、建筑物配置重量、防御力、重心等，擁有碰撞層、火力層、視覺層等物理屬性。

(2)動力系統(tǒng)。按照真實車輛、裝備等的構(gòu)造理論、動力學(xué)模型建模，參數(shù)設(shè)置與效果和不同車型的說明書一致，結(jié)合動力學(xué)原理展現(xiàn)效果，如改變輪胎的前向和側(cè)向摩擦力展示不同道路情況的駕駛效果，能夠與駕駛模擬器等設(shè)備相聯(lián)通，實現(xiàn)力反饋作用和機電信號轉(zhuǎn)換。

(3)毀傷模型。應(yīng)用虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)能夠避免車輛裝備損耗，也不受氣候、地域和環(huán)境等條件限制，也可結(jié)合車輛裝備進行有針對性的反復(fù)訓(xùn)練[5]。通過建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，展現(xiàn)不同部位毀傷效果、殺傷半徑，有形變效果等物理屬性，如車輛駕駛室被滾石擊中，發(fā)生形變；對模型按不同部位進行實時分割，實現(xiàn)真實爆炸毀傷效果；裝備損壞模型，可根據(jù)需求，提供同一武器裝備的多個損傷模型，通過判定和數(shù)據(jù)庫調(diào)用，用于顯示武器裝備不同的操作部位，同時每個損傷模型可根據(jù)需求提供多個多細(xì)節(jié)層次模型(LOD模型)。

2.4 評判分析模塊

采取主客觀相結(jié)合的方式構(gòu)建評判分析模塊，針對操作類的評判，如裝備完好性、設(shè)備有效性、駕駛準(zhǔn)確性等內(nèi)容采取系統(tǒng)評判的方式進行；對于需要人為作出判斷、處置或者組織的內(nèi)容，采取主觀評判的方式完成，結(jié)合實際教學(xué)訓(xùn)練需求構(gòu)建主客觀評判權(quán)值，進行分值分配，將主客觀評判相結(jié)合構(gòu)建該模塊。通過建立具體課目人員、裝備戰(zhàn)場生存性模型、措施有效性模型，生成軟件自動評判結(jié)果，以文檔形式輸出，由組訓(xùn)者通過主觀評判給出結(jié)論。

2.5 態(tài)勢顯示模塊

2.5.1 組成

二維態(tài)勢顯示場景、三維態(tài)勢顯示場景。

2.5.2 功能

對具體課目(行動)態(tài)勢進行二、三維呈現(xiàn)，根據(jù)仿真實體的運行進行狀態(tài)的實時更新，可以實現(xiàn)從整體到局部、第一人稱到第三人稱等視角的切換。二、三維態(tài)勢圖可同屏顯示，可以自由切換，分辨率為1 980*1 280，與導(dǎo)調(diào)控制模塊互聯(lián)，與導(dǎo)調(diào)控制操作對應(yīng)。二維、三維態(tài)勢顯示部分，用戶可采用鼠標(biāo)拖拽的方式完成標(biāo)圖，標(biāo)號與三維場景中模型同步運行，坐標(biāo)位置實時更新。

2.6 導(dǎo)調(diào)控制模塊

2.6.1 功能

具備授權(quán)管理、情況(想定)發(fā)布、場景生成和運行控制功能(包括開始、中止和結(jié)束)?？刂品抡鎸ο蟮挠脩舻卿?、仿真?zhèn)€體生成、授權(quán)、運行等管理行為，實現(xiàn)服務(wù)端和用戶端場景的同步顯示，延遲不高于150 ms，用戶端通過指令數(shù)據(jù)交互調(diào)用仿真實體，數(shù)據(jù)延遲不高于150 ms?？沙尸F(xiàn)從整體到單車的第一人稱自由視角、飛行視角和局部視角。

2.6.2 技術(shù)需求

利用局域網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)通過想定集成、驅(qū)動各類模型，通過仿真時鐘、事件管理和環(huán)境管理實現(xiàn)仿真導(dǎo)調(diào)控制的目標(biāo)?？筛鶕?jù)導(dǎo)調(diào)文書擬制想定背景，生成訓(xùn)練運行想定；在具體課目(行動)演練過程中，通過控制指令、文書等方式進行適時干預(yù)，可進行授權(quán)管理，可控制仿真?zhèn)€體的生成和消亡，借助評判分析模塊，裁決具體課目(行動)的有效性和合理性，提高演訓(xùn)質(zhì)量。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

圖6是以汽車分隊機動中防襲擾課目為例的場景應(yīng)用介紹，分為組訓(xùn)者和受訓(xùn)者(分隊長、班長、普通士兵)使用效果圖。從實踐應(yīng)用來看，系統(tǒng)能夠較為真實模擬特定背景下汽車分隊執(zhí)行運輸保障任務(wù)的訓(xùn)練場景，突出了從單兵單車到分隊的戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練，起到了較為明顯的訓(xùn)練效果。

圖6 場景實現(xiàn)效果

4 結(jié)束語

虛擬仿真訓(xùn)練是新時期我軍部隊實戰(zhàn)化訓(xùn)練的重要組成部分，已經(jīng)在我軍諸多軍兵種的專業(yè)訓(xùn)練中得到了廣泛應(yīng)用。本系統(tǒng)的應(yīng)用能夠有效克服人員、場地、裝備、安全等因素的限制，填補訓(xùn)練手段的空白，能夠起到事半功倍的效果，下一步要在減少系統(tǒng)開銷、實現(xiàn)異地遠(yuǎn)程互聯(lián)上進行深入研究開發(fā)。