岳小東，盧青山，王武，查婷婷，薛鵬

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

隨著部隊現(xiàn)代化建設(shè)的推進，越來越多的新型裝備投入使用[1]。某新型彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)組成復(fù)雜，技術(shù)含量高，綜合性強，為盡快使部隊熟練掌握使用維護技能，形成戰(zhàn)斗力，必須進行大量針對性、系統(tǒng)性的訓(xùn)練。直接使用實裝開展日常性、系統(tǒng)性的訓(xùn)練，保障難度大，費用高，安全性差。隨著計算機技術(shù)和仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，模擬訓(xùn)練器強大功能和巨大效益，使其成為了新型復(fù)雜武器系統(tǒng)操作使用技能培訓(xùn)的重要途徑。模擬訓(xùn)練器能突破時空的限制，實現(xiàn)全晝夜全天候全地域訓(xùn)練；還可以模擬各種高危險、高難度，以及在現(xiàn)實中難以進行或難以重復(fù)的動作，有效提高訓(xùn)練的安全性；能縮短武器裝備的培訓(xùn)周期，減少裝備損耗，節(jié)約大量訓(xùn)練經(jīng)費。因此，專門為此新型彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)研制了一款仿真程度高、針對性強、費效比低、輕量化的模擬訓(xùn)練器。

1 總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成、功能和原理

某彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)模擬訓(xùn)練器由訓(xùn)練導(dǎo)調(diào)分系統(tǒng)、仿真控制分系統(tǒng)、訓(xùn)練監(jiān)控分系統(tǒng)和乘員訓(xùn)練分系統(tǒng)組成，其中乘員訓(xùn)練分系統(tǒng)由多套戰(zhàn)車訓(xùn)練單元和1套指揮訓(xùn)練單元組成。系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

訓(xùn)練導(dǎo)調(diào)分系統(tǒng)主要功能是設(shè)置訓(xùn)練科目，設(shè)置作戰(zhàn)環(huán)境、電子對抗環(huán)境和復(fù)雜天氣條件；進行訓(xùn)練過程導(dǎo)調(diào)控制，采集記錄訓(xùn)練過程數(shù)據(jù)，對訓(xùn)練成績進行評估、分析；進行訓(xùn)練數(shù)據(jù)管理。訓(xùn)練監(jiān)控分系統(tǒng)主要功能是實時監(jiān)控受訓(xùn)人員的訓(xùn)練過程，同時為非受訓(xùn)人員提供訓(xùn)練觀摩、學(xué)習(xí)功能；并能復(fù)演訓(xùn)練過程，用于對訓(xùn)練進行回顧和分析，便于受訓(xùn)人員發(fā)現(xiàn)和保持優(yōu)點并克服和改正缺點。仿真控制分系統(tǒng)是模擬訓(xùn)練器的仿真計算中心，為各戰(zhàn)車訓(xùn)練單元和指揮訓(xùn)練單元提供仿真計算服務(wù)。乘員訓(xùn)練分系統(tǒng)主要功能是為乘員提供一個與實裝相似的操作環(huán)境，實現(xiàn)裝備主要操控功能訓(xùn)練。

模擬訓(xùn)練器采用半實物仿真與虛擬現(xiàn)實相結(jié)合設(shè)計方式，以實裝主要操作對象和工作流程為依據(jù)，在操作界面、操作方法、操作功能和操作響應(yīng)等方面與實裝保持一致，給受訓(xùn)人員構(gòu)建一個逼真的訓(xùn)練操作環(huán)境。為保證訓(xùn)練操作感覺的真實性，各戰(zhàn)車訓(xùn)練單元和指揮訓(xùn)練單元中，人員操作的部件采用實物設(shè)備，如操控面板、操縱桿、鼠標(biāo)鍵盤、顯示設(shè)備；不需操作的功能設(shè)備則采用計算機仿真其功能，如雷達、火控、光電、北斗、導(dǎo)航、通信等設(shè)備。模擬訓(xùn)練器各模塊之間采用千兆以太網(wǎng)通信，實現(xiàn)高速信息交互。

設(shè)計了學(xué)習(xí)和訓(xùn)練考核兩種訓(xùn)練模式，訓(xùn)練級別由淺入深，逐層深入。模擬訓(xùn)練器組訓(xùn)方式示意如圖2所示。

學(xué)習(xí)模式下，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)[2]，使受訓(xùn)人員完全沉浸于虛擬場景中，系統(tǒng)以演示、引導(dǎo)、交互的方式提示受訓(xùn)者所要完成的操作，受訓(xùn)人員可以在一個自主控制的環(huán)境里自由支配和探索，有利于激發(fā)人的形象思維和感性認(rèn)識。訓(xùn)練內(nèi)容主要包括實裝裝備構(gòu)造、工作原理、功能性能、操作步驟、流程講解和伴隨操作，是對受訓(xùn)人員的初級訓(xùn)練。

訓(xùn)練考核模式是在受訓(xùn)人員對裝備有一定認(rèn)識后，通過半實物訓(xùn)練環(huán)境進行提升訓(xùn)練。半實物訓(xùn)練環(huán)境按照實裝人機環(huán)境進行設(shè)計，給受訓(xùn)人員提供一個與實際作戰(zhàn)操作相同的操作環(huán)境，同時配以高逼真度的三維戰(zhàn)場景象及震撼的戰(zhàn)場音效效果，給受訓(xùn)人員一種實戰(zhàn)化訓(xùn)練體驗，使其達到心理與操作技能雙重訓(xùn)練。訓(xùn)練時訓(xùn)練導(dǎo)調(diào)分系統(tǒng)全程記錄訓(xùn)練過程數(shù)據(jù)，在訓(xùn)練結(jié)束后生成訓(xùn)練效果評價報告，用以指出受訓(xùn)人員存在的問題，給出改進建議。訓(xùn)練考核結(jié)束后，受訓(xùn)人員還可通過訓(xùn)練回放機制，查看自己整個訓(xùn)練過程，在教官的講解和指點下，受訓(xùn)人員總結(jié)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)不足，改正缺點，提升訓(xùn)練有效性。

在訓(xùn)練科目上，設(shè)置了單兵訓(xùn)練、單裝訓(xùn)練、協(xié)同訓(xùn)練、分隊綜合訓(xùn)練不同層次的訓(xùn)練項目，內(nèi)容涵蓋了“行軍”“戰(zhàn)斗準(zhǔn)備”“戰(zhàn)斗操作”和“戰(zhàn)斗轉(zhuǎn)行軍”等作戰(zhàn)全流程的訓(xùn)練。每種訓(xùn)練科目下，可以通過設(shè)置作戰(zhàn)地形地貌、天氣氣象、作戰(zhàn)想定、態(tài)勢、電子對抗環(huán)境等，形成不同難度級別的訓(xùn)練題，實現(xiàn)乘員的專業(yè)技能訓(xùn)練、協(xié)同訓(xùn)練和分隊?wèi)?zhàn)術(shù)戰(zhàn)法訓(xùn)練，使處于不同知識、技能水平的受訓(xùn)人員都有合適的訓(xùn)練切入點，以便受訓(xùn)人員快速熟悉裝備操作環(huán)境、掌握操作要領(lǐng)，提高訓(xùn)練的有效性和積極性。

1.2 乘員訓(xùn)練單元功能設(shè)計

乘員訓(xùn)練單元是實施訓(xùn)練的物理平臺，依照實裝操作室布局，采用封閉式車艙結(jié)構(gòu)設(shè)計，訓(xùn)練車艙的空間尺寸、布局等與實車保持基本一致[3]。訓(xùn)練車艙內(nèi)主要由顯控終端、操控面板、操縱桿、瘦客戶端、高清視頻編碼裝置、視景系統(tǒng)、音響系統(tǒng)等組成。訓(xùn)練車艙艙體由碳纖維復(fù)合材料一次加工成形，具備強度高、質(zhì)量小的特點。訓(xùn)練車艙上采用4塊液晶屏代替了實車左右車門和前擋風(fēng)玻璃，用于給乘員提供虛擬戰(zhàn)場場景。顯控終端接收瘦客戶端推動的遠(yuǎn)程桌面，實現(xiàn)綜合戰(zhàn)場態(tài)勢信息、裝備狀態(tài)信息、作戰(zhàn)信息、目標(biāo)視頻圖像等仿真信息的顯示。操控面板、操縱桿等采用實裝部分，用于完成相關(guān)操作控制。

在視景設(shè)計時，采用一機多通道視景技術(shù)[4]，由1臺計算機生成整個虛擬作戰(zhàn)環(huán)境，由5個不同通道將不同視角場景送顯給艙內(nèi)顯控終端以及左右車門、前擋風(fēng)的屏幕上，通過屏幕拼接和邊緣融合處理，以及數(shù)據(jù)同步方式，生成一個多角度、渾然一體的虛擬場景。同時在場景中添加相應(yīng)的音效仿真，模擬了發(fā)動機噪聲、設(shè)備噪音、射擊聲效以及戰(zhàn)場環(huán)境背景音效。音頻模擬信號為立體聲，聲音可根據(jù)距離變化自然過渡，與視景圖像協(xié)調(diào)同步，為乘員營造一個在視覺、聽覺、觸覺上三維一體的真實訓(xùn)練空間，帶給其身臨其境的感受。

1.3 仿真控制分系統(tǒng)功能設(shè)計

仿真控制分系統(tǒng)是模擬訓(xùn)練器仿真計算中心，采用服務(wù)器架構(gòu)，虛擬出若干個仿真單元，各仿真單元通過數(shù)學(xué)模型和仿真軟件，模擬裝備雷達、光電、火控、北斗、導(dǎo)航等設(shè)備功能，生成仿真數(shù)據(jù)，實現(xiàn)裝備的行軍控制、目標(biāo)搜索、導(dǎo)引、跟蹤、火控解算、射擊及作戰(zhàn)流程控制等功能。以遠(yuǎn)程桌面方式，向各訓(xùn)練單元上的瘦客戶端推送仿真界面及操控數(shù)據(jù)。

1.4 訓(xùn)練監(jiān)控回放功能設(shè)計

考慮到各乘員訓(xùn)練主要是通過操作艙內(nèi)的控制面板和顯控界面來完成的，可以通過采集各乘員訓(xùn)練單元顯示終端的視頻畫面和面板操控動作，來實現(xiàn)對乘員訓(xùn)練過程的監(jiān)視。各乘員顯示畫面均為4∶3，為保證監(jiān)控畫面的顯示比例不失調(diào)，因此在監(jiān)控顯示終端選擇一款16∶9寬屏,屏幕的左側(cè)3/4用于合成顯示多個乘員顯控終端的視頻畫面,右側(cè)1/4以文字列表方式顯示各面板操控動作。視頻畫面通過屏幕分割的方式，設(shè)置了4種顯示模式，不同模式下一屏上可監(jiān)視1個、4個、6個或9個乘員的訓(xùn)練過程。模擬訓(xùn)練器可同時對十多個乘員訓(xùn)練過程進行實時監(jiān)控。監(jiān)控顯示模式如圖3所示。

訓(xùn)練過程中，訓(xùn)練監(jiān)控分系統(tǒng)自動將各乘員視頻數(shù)據(jù)壓縮并以文件形式存儲在本地磁盤上，文件名稱由系統(tǒng)自動生成，規(guī)則為“XX年XX月XX日XX時XX分XX秒-訓(xùn)練科目代碼-訓(xùn)練人員姓名.sp”，面板操作信息以二進制文件存儲，每條信息標(biāo)有時間戳，文件名稱由系統(tǒng)自動生成，規(guī)則為“XX年XX月XX日XX時XX分XX秒-訓(xùn)練科目代碼-訓(xùn)練人員姓名.mb”?；胤艜r，輸入檢索條件，選擇要回訪的文件，即可完成相應(yīng)訓(xùn)練過程的回放。

1.5 訓(xùn)練評估功能設(shè)計

訓(xùn)練評估是評價和檢驗訓(xùn)練效果的重要手段。正確的訓(xùn)練評估對調(diào)動廣大受訓(xùn)人員的訓(xùn)練熱情、衡量受訓(xùn)人員的技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)水平、進行有層次的模擬訓(xùn)練有極大的推進作用，能夠更為有效地強化廣大受訓(xùn)人員使用模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進行訓(xùn)練的效果。在訓(xùn)練評估指標(biāo)體系的設(shè)計上，針對彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)訓(xùn)練要點，結(jié)合實際的訓(xùn)練考核要求，遵循科學(xué)性、準(zhǔn)確性、可行性和客觀性原則[5]，建立了按人員專業(yè)類別進行評價的三級評價指標(biāo)體系，構(gòu)成彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)模擬訓(xùn)練考核評估指標(biāo)體系，如圖4所示。

評估方法采用分級式的模糊綜合評判法[6]，首先得到底層的評判矩陣，經(jīng)加權(quán)處理后作為上一級的評價指標(biāo)構(gòu)造新一層次的評判矩陣，最終確定最高層次的綜合評判矩陣。指標(biāo)的權(quán)重主要采用專家咨詢的經(jīng)驗加權(quán)法獲得。選取20個評委，每個評委通過定性分析，給出定量回答，然后采用算術(shù)平均值處理方法，獲得權(quán)重值[7]。

最終的評估結(jié)果由計算機自動生成，評估結(jié)果包括三部分內(nèi)容：成績、操控評分清單及評語。成績分為優(yōu)秀(91～100)、良好(81～90)、合格(60～80)和不及格(60以下)4檔，操控評分清單為整個訓(xùn)練過程操控清單及扣分項，評語是對整個訓(xùn)練過進行點評，指出不足，給出改進建議。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 邊緣云技術(shù)

本模擬訓(xùn)練器中，乘員訓(xùn)練單元多，仿真功能復(fù)雜，若在每個乘員訓(xùn)練單元上采用一臺或多臺單機進行系統(tǒng)功能仿真模擬，勢必會導(dǎo)致系統(tǒng)體系龐大，運維困難，可靠性低，費效比差。本系統(tǒng)采用基于邊緣云[8]技術(shù)架構(gòu)，應(yīng)用云計算技術(shù)將模擬訓(xùn)練器上一臺服務(wù)器的CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、磁盤等物理設(shè)備抽象成可以動態(tài)管理的“資源池”[9]，動態(tài)隔離為戰(zhàn)車訓(xùn)練單元1、單元2、…、單元N、指揮單元等十多個獨立的、虛擬的仿真業(yè)務(wù)計算機，并提供完整可定制的操作系統(tǒng)和虛擬的高速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換能力，為仿真業(yè)務(wù)軟件運行提供基礎(chǔ)運行操作系統(tǒng)環(huán)境和虛擬硬件資源支持，客戶端軟件通過與邊緣云操作系統(tǒng)的協(xié)同，采用虛擬桌面基礎(chǔ)架構(gòu)實現(xiàn)客戶端人機交互功能。

每個虛擬機與物理服務(wù)器類似，主要的區(qū)別在于虛擬機并不是由電子元件組成，而是由一組文件構(gòu)成的。每臺虛擬機都是一個完整的系統(tǒng)，具有處理器、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備和BIOS，因此操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序在虛擬機中的運行方式與它們在物理服務(wù)器上的運行方式?jīng)]有任何區(qū)別，用戶無需對這些操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序進行任何修改。物理服務(wù)器的資源可在多臺正在運行的虛擬機之間共享，實現(xiàn)彈性計算能力，從而最大限度利用服務(wù)器資源[10]。虛擬機封裝在文件之中，因此可以通過簡單的文件復(fù)制便可實現(xiàn)虛擬機的部署、備份以及還原。

邊緣云系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖5所示。

2.2 多路高清視頻編碼傳輸技術(shù)

各乘員訓(xùn)練單元客戶端輸出信號為HDMI，分辨率為1 280×1 024，要實現(xiàn)監(jiān)控回放功能，主要是解決對各乘員訓(xùn)練單元客戶端輸出視頻的無損采集、編解碼和傳輸。因此，在各乘員訓(xùn)練單元中加裝一塊高清視頻編碼板。高清視頻編碼板接收HDMI信號后，環(huán)出一路HDMI信號輸出至顯示終端，同時采用H.265硬編碼方式進行視頻壓縮編碼,再通過千兆以太網(wǎng)進行流視頻的傳輸。視頻采集處理裝置接收到數(shù)據(jù)后，通過軟解碼方式對視頻進行解碼處理，將經(jīng)過解碼后的視頻送到對應(yīng)的顯示模塊，顯示模塊對接收到的視頻進行播放[11]。視頻壓縮編碼采用海思Hi3520D處理器。Hi3520D處理器在編碼通道模塊中完成對視頻圖像到碼流的轉(zhuǎn)換，完成碼率控制器和編碼器的協(xié)同控制[12]；具備CBR和VBR兩種碼率控制方式[13]，從而實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠、高質(zhì)量、低碼率、低延遲的傳輸。多路高清視頻監(jiān)控原理如圖6所示。

2.3 信息采集傳輸技術(shù)

模擬訓(xùn)練器功能復(fù)雜，數(shù)據(jù)主題種類繁多，數(shù)據(jù)交互量大。制定高效、安全、可靠的信息交互處理機制，是實現(xiàn)模擬訓(xùn)練功能的保障。

設(shè)計了雙層網(wǎng)絡(luò)機制，將視頻數(shù)據(jù)通過一層千兆以太網(wǎng)進行傳輸，仿真數(shù)據(jù)通過另一層千兆以太網(wǎng)進行傳輸，劃分不同IP網(wǎng)段，實現(xiàn)物理層隔離。同時，采用基于端口VLAN方式[14]，在不同的乘員訓(xùn)練單元上劃分不同的VLAN，實行數(shù)據(jù)的邏輯隔離，提升了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，降低網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)荷。在傳輸層使用UDP傳輸協(xié)議，對關(guān)鍵數(shù)據(jù)報文設(shè)置了回報機制，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝缘耐瑫r，提高了可靠性。

3 結(jié)束語

某新型彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)模擬訓(xùn)練器采用半實物仿真與虛擬現(xiàn)實相結(jié)合設(shè)計方式，在追求與實裝一致性的同時，盡可能采取簡化設(shè)計，構(gòu)建裝備的操作訓(xùn)練平臺。該模擬訓(xùn)練器設(shè)計了學(xué)習(xí)、訓(xùn)練考核多種訓(xùn)練模式，能對多個乘員訓(xùn)練過程進行監(jiān)控與系統(tǒng)評估，具備仿真效果逼真，針對性強、性價比高、安全性好、輕量化的特點。通過部隊適用性試驗證明，本模擬訓(xùn)練器可顯著節(jié)省新裝備操作手的培訓(xùn)時間，提高訓(xùn)練效率，是部隊進行科技練兵和新裝備快速生成戰(zhàn)斗力的重要手段。