中国指挥与控制学会会刊 
引射器是一种利用拉瓦尔喷管喷出的高速、高压引射流体的卷吸作用,提升其他系统的低压被引射流体压力的特殊装置,常用于引射式风洞或真空排气系统中。大型阵列引射器(Large Array Ejector, LAE)利用多组引射器并行工作,提高被引射气体的流量。LAE设备复杂,其配套储气罐最高压力常达50Mpa,而且引射气流通常为大流量、超声速气流,直接使用真实的物理设备来开展训练工作的危险性非常高。采用视景仿真技术,研制LEA仿真训练系统,不仅可以满足“实战化”的人机环境需求,也可以减小培训风险,降低训练成本,为LAE系统的培训提供一种零风险、低成本、无损耗的训练手段。
20世纪,国内外许多研究机构对视景仿真训练技术展开了研究,并在航天、航空、航海、军事、建筑、交通、医疗、教育、娱乐、应急处置、综合防灾等领域得到了广泛应用,而且涌现了大量的支持仿真训练的视景仿真平台,如美国Multigen公司Vega工具和美国MAK公司VR-Forces系统、法国THALES公司的CSC平台、加拿大的Stage工具、捷克波西米亚公司的VBS系统等。多年来,视景仿真训练技术的研究主要集中在系统建模与仿真、实时真实感图形渲染以及人机交互等关键技术领域。目前,这些技术已经十分成熟,完全满足工程应用的需要。但是,现有的仿真训练系统多采用固定的仿真想定,所有功能紧紧耦合在一起,系统的通用性和可扩展性还存在一定的局限,导致系统开发周期长、效率低。此外,教学模式与成绩评定是评价和检验训练效果的重要手段,其实现效果将影响系统训练水平和训练的积极性,因此如何提高仿真训练系统的教学效果,科学地评定参训人员的训练成绩,也是仿真训练系统研制的难点问题之一。目前,很多仿真训练系统均以“教学视频”的方式进行训练考核前的学习、辅导,教学视频是按照制作者的思维来编排整个课程系统,即使是基于虚拟现实的仿真训练系统,也主要强调“身临其境”的沉浸感以及“操作正确”的训练功能,不同的受训者面对相同的教学内容,无法根据自身能力灵活选择,学习效率受限。在成绩评定上,其研究主要集中于成绩评定的算法,如基于AHP成绩评定模型[1-2]、基于贝叶斯网络的成绩评定方法[3]、基于模糊聚类的成绩评定模型[4]、基于模糊综合评判的[5]等。对于特定仿真训练系统,成绩评定机制单一,而且评价过程内嵌于仿真系统之中,对用户不透明,用户无法修改或扩充评价依据和标准。因此,需要从系统研发的角度,深入探讨提高仿真训练系统可扩展性、训练教学有效性和成绩评定灵活性的方法。
为解决上述问题,本文结合LAE仿真训练系统研制,以实现训练内容与训练环境相分离为切入点,从面向程序开发人员和面向用户两个方面,提出柔性仿真训练系统的设计与实现方法;并针对教学与成绩评定等难点问题,提出了自助教学、分级评定等新的设计理念。
1 柔性策略
软件柔性是软件自身形态易于变化的能力,它通常被用来适应环境的变化和用户需求的变化[6]。LAE仿真训练系统的柔性体现在:具有易于拓展的软件体系架构,同时分离系统的“共性”与“个性”,使程序员通过重用、重构已有资源快速研发新的仿真训练系统;使最终用户无须编程,自主地对系统功能进行动态配置或调整。
1.1 软件架构
一个典型的LAE仿真训练系统一般具备以下功能:提供教学视频等教学演示手段;提供逼真的虚拟训练环境,真实模拟LAE测控岗位和气控岗位操作内容、系统时序和流程的响应反馈,以3D场景动画、数据、曲线、指示灯等方式动态显示系统状态;并具有训练成绩评定及训练过程记录等能力。为了提高LAE仿真训练系统的可扩展性,将软件划分为人机交互层、训练控制层和仿真资源层等3个相对独立的功能层(结构如图1 所示),并降低各功能模块之间的依赖关系,使软件结构趋于松耦合。
1)人机交互层:即计算机程序界面,它主要负责训练内容界面和训练控制界面的显示,并接收用户请求(如鼠标点击、用户输入等)。其中,训练内容界面逼真模拟LAE物理设备各岗位计算机操控界面,绘制并显示3D虚拟场景。训练控制界面提供学员登录、训练模式选择、教学视频播放、操作记录、成绩评定等训练任务管理、训练过程监视的界面。人机交互层的处理仅限于界面数据的采集、预处理以及用户请求的接收和记录,仿真数据的接收与显示。因用户操作触发的虚拟装备状态变化和训练进程推进等各种事件交予训练控制层完成。
2)训练控制层:主要负责仿真训练系统的初始化,建立系统流程/状态以及训练管理规则的描述;根据用户操作数据,动态调用仿真资源层的多领域物理模型,计算所有仿真对象的位置、速度、状态(如压力、温度等)等仿真数据;或根据用户操作,驱动数据解析模块,读取、解析相应的数据文件;同时将仿真数据、文件数据、流程处理响应等信息发送给人机交互层,驱动其进行显示。
3)仿真资源层:主要包括多领域物理模型、三维场景渲染模型、数据文件和数据库等。多领域物理模型是模拟LEA气源压力、液压系统、阀门、控制系统、系统安全连锁、故障等特性或过程的功能或性能模型。三维场景渲染模型是实现坐标变换、真实感绘制、漫游、碰撞检测等算法模型。数据文件是清楚描述训练内容、系统配置的训练内容数据文件,如:训练科目设置文件、教学视频文件、成绩评定标准文件、网络配置文件等。
为了真正实现训练内容与训练环境相分离,在分层软件架构的基础上,还采用“即插即用”策略,将训练控制层设计为“USB插槽”,仿真资源设计为“外置标准设备”。前者抽象出LAE仿真训练系统运行过程中所需的基本数据、训练过程管理、训练环境管理、用户事件响应处理等通用功能,同时提供兼容性好的数据文件解析接口。后者采用COM、DCOM等技术对多领域仿真物理模型、3D场景及结构渲染模型进行封装;采用基于XML自定义描述语言对标识训练实施全过程的数据文件进行定义,使这些仿真资源成为一个个独立的、可替换的“外置标准设备”。数据解析模型和仿真控制模型,自动调用并解析相关仿真内容,确定实际训练内容。
1.2 界面重用
在同一单位内,针对不同LAE物理设备的训练模式、考核方式、考核流程基本相同,即每套LAE训练仿真系统的训练控制界面布局、架构相对固定。而且,“2D虚拟岗位操控界面”与实际物理设备的岗位计算机操控界面的相似度达到99%以上,不同之处在于,前者的数据是仿真数据,后者是真实的物理数据。若能实现实际岗位计算机操控界面的可重用,实现LEA仿真训练系统的训练内容界面的可替换性,将极大地缩短软件开发的周期。
为此,提出“训练控制程序容器+训练内容窗口控件”的界面重用策略:1)在实际物理设备研发时,引入ActiveX技术,将其“岗位计算机操控界面”封装为窗口控件(*.ocx);2)在研制仿真训练系统时,将“LEA训练控制界面”设计为程序容器,实现学员登录、训练模式选择等训练过程控制与监视操作;直接重用实际物理设备的“岗位计算机操控界面”控件,进行适当的修改、完善,实现“2D虚拟岗位操控界面”的开发(*.ocx)。
窗口控件(*.ocx)具有很好的可重用性,任何程序容器均可快捷地加载和使用其相关接口;而且程序容器加载该控件后,无须编写任何代码,系统将根据设定的显示区域大小,自动调整窗口大小。
2 教学与评定
2.1 自助教学
“实践中学习”才是掌握新事物的快速通道。为此,本文提出了一种基于虚拟三维场景的培训模式——自助学习。其设计思想如下:1)为了避免“弄坏设备”导致操作无法继续,在自助教学模式下屏蔽了安全连锁仿真,允许受训者任意操作虚拟三维场景设备。2)根据受训者选取的对象,自动激活文本解释系统。文本解释系统提供该部件功能、部件当前状态(如某截止阀是开还是关)、操作此部件的前提条件和正确操作方法以及正确操作此部件后系统的响应等信息。同时,受训者操作某部件后,系统还以三维动画、声音等方式显示该部件的响应特性。3)自助教学模式还提供了自由漫游以及快速导航等功能,使受训者可以自由浏览三维虚拟场景中装备的结构组成;拖拽变换观察角度、缩放实体,以观察实体细节;通过鼠标操作将部件壳体渲染属性设置为半透明状态,查看部件内部结构;通过菜单工具,快速将三维场景切换到指定部件。
2.2 成绩评定
随着培训的不断深入,受训者对设备熟悉、掌握程度也随之加强,其评价考核机制理应发生变化。为此,提出“分级评定”的设计思想,即根据受训程度,将受训者分为N类,针对不同的受训者制定不同的评分标准;同时采用前面介绍的“即插即用”设计思想,提高评价机制修改的灵活性、便捷性。其设计思路如下:首先,利用XML语言的自描述特性建立成绩评定描述语言(Score Evaluation Language, SEL)。然后采用SEL定义评定方法文件和标准操作文件(图2 给出了某标准操作文件定义示例)。评定方法文件描述受训者分类情况,以及各类人员的评定规则;标准操作文件按照不同科目记录正确的操作流程,其定义需充分考虑每一步操作的时序(如可交换、可重复、可跳过等)。最后,开发成绩评定解析模块。
3 应用实例
在以上分析和研究的基础上,基于VC.net开发环境、高层体系架构(High Level Architecture, HLA)、开源三维渲染引擎(Open Scene Graph, OSG)等技术,实现了某LAE仿真训练系统(图3 )。通过在“LAE训练控制界面”程序容器中,加载、重用新开发的窗口控件(*.ocx)以及各类仿真资源,进行适当的修改、完善,即可实现新建LAE仿真训练系统的快速研发。而且,用户只需替换网络配置文件、视频介绍文件、视频文件、科目列表文件、科目初始化文件、标准操作文件、成绩评定文件等,就可以快速实现视频教学、科目训练内容、成绩评定方法等训练内容的变更。
4 结束语
本文提出的分层软件构架和“即插即用”的训练控制逻辑等设计思想,真正实现了训练内容与训练环境的分离,全面提高了软件系统的柔性;提出的自助教学思想,为受训者提供了一种快速熟悉掌握系统组成、操作规程的新方法;提出的“分级评定”策略,提高了成绩评定的透明性、科学性,并可以随着时间推移,不断调整。