中国指挥与控制学会会刊 
1 训练需求分析与功能结构
1.1 训练需求分析
为解决远火武器系统实装训练中场地、经费、人员、时间等限制,并尽可能地贴近实战、贴近部队装备保障实际,短时间内迅速提高基层官兵的操作使用水平和维修保障能力。远火武器系统操作与维修训练模拟器训练科目的确定是在详细分析远火武器系统作战使用流程的基础上进行的,按照集结地域准备、开进、技术阵地准备、展开、发射阵地发射和撤出发射阵地六个阶段对操作训练、维修训练和武器系统联动训练的具体内容进行合理划分,并通过训练状态监控实时掌握操作人员的训练情况,采取量化打分评估方式,客观反映训练模拟器的综合效果。
1.2 模拟器功能
该模拟器可以完成对远火武器系统的操作训练、维修训练、系统联动训练、数据记录与训练评估等功能,是集战术指挥、射击指挥、作战保障指挥于一体的模拟训练平台[3]。
1)操作训练功能
模拟器能够完成武器系统的作战装备、保障装备等战前准备、开关机操作、战斗操作等操作训练内容,包含集结地域、技术阵地和发射阵地技术分队、战炮分队和指挥分队的全部技术检查、战斗操作等项目。操作训练符合装备训练大纲要求,使炮手熟练掌握发射操作规程,锻炼炮手协同配合的能力。
2)维修训练功能
通过主控分系统设置故障,维修人员在实装面板、终端显示器上观察、判断故障现象;在实装操作分系统及虚拟维修训练分系统进行故障分析和定位排除训练。训练深度定位在部队(基层)级维修,以换件、换板、换组合维修为主。
3)系统联动训练功能
通过仿真交互平台将远火武器系统操作与维修模拟器各分系统进行互联,实现远火武器系统间的通信组网、目标信息的引导与传输、远火的标定与随动、射击诸元的输出与开火控制等联动训练。
4)数据记录与训练评估
模拟器能对受训人员训练过程中的操作动作、操作时间和操作效果进行记录,通过任务下达和训练初始化、判断故障、交互式测量与故障诊断、提交训练报告4个环节,判断使用者的分析思路和诊断方法,结合用时长短、操作状态判定、操作信息的逻辑关系等综合确定各种因素的权重,给出合理的定量评估结果。
1.3 模拟器结构
2 模拟器功能实现
2.1 主控分系统
主控分系统是远火武器系统操作与维修训练模拟器的控制核心。由于远火武器系统工作状态复杂、故障现象多样、控制关系复杂,相互联系紧密且具有严格的逻辑关系,因此必须全面准确地在各个分系统上将远火武器系统正常工作状态和故障现象等同步实时地模拟出来。根据各分系统之间的控制、逻辑关系,将整个模拟器以各个分系统为单位分成多个部分,每部分相对独立,以主控分系统为核心,通过中央控制板及相应的网络接口,实现对各个分系统面板开关量、可调控变量等的监控,完成远火控制系统各分系统的控制及整体工作状态的协调[4]。
2.2 实装操作分系统
对于远火武器系统这样的复杂装备,其操作训练及维修训练过程十分复杂,故障涉及的电路复杂,元器件繁多,要达到较好的训练效果,必须提供接近实装的物理环境。实装操作分系统是装备操作使用训练的平台,为保证操作训练的真实性,按照1∶1的比例进行研制,其结构布局、工作过程、工作状态以及软件界面应与实装完全一致。实装操作分系统采用半实物仿真,其操作面板与远火控制系统的物理面板完全一致,作为基本硬件环境,建立一个逼真的人机交互操作界面(环境)。
2.3 虚拟装备分系统
2.4 联动分系统
联动分系统功能用于完成各单装模拟训练系统与其它装备模拟训练系统的互联、信息传输控制和转换,主要包括各单装模拟训练系统之间的通信协议和接口。信息传输控制器接收主控分系统指令,完成系统互联链路的状态控制和信道控制。
3 硬件与软件设计
3.1 系统硬件设计
远火武器系统操作与维修训练模拟器的硬件设计主要指的是实装操作分系统的硬件设计。实装操作分系统设计的主要任务是构造和真实火箭炮控制系统相同的物理面板。系统必须构造一个真实的火箭炮控制系统物理环境,而火箭炮控制系统物理环境主要是火箭炮控制系统物理面板及相应的器件。面板控制系统
由模拟器各个组合内的面板控制电路组成,负责各个组合面板上的开关、旋钮、电位器、手轮、仪表、指示灯等状态信息的获取和控制,以实现实装功能的模拟。实装操作分系统硬件部分结构如图3 所示。
3.2 软件设计
系统硬件层与软件层之间的关联关系如图4 所示。
1)驾驶子系统,包括驾驶硬件设备和驾驶软件模拟模块。驾驶硬件设备采用模拟方向盘,用于实现驾驶操作的输入;驾驶模拟软件模块用于实现在虚拟场景中进行驾驶,并采集实施的发动机转速、行驶速度、油量等数据。
2)火控数据模拟子系统,包括空间信息转换模块和火控数据模拟模块。空间信息转换模块用以将在虚拟场景中采集的火箭炮坐标、速度、等数据转换为车载软件能识别的数据格式,并传递给火控数据模拟模块;火控数据模拟模块可模拟各种测量设备的测量数据、火控计算数据及通讯传输数据等。
3)炮长、地控模拟软件模块子系统,用于实现与火控计算机及指挥系统的通信,读取飞行任务数据和操作开关信息,包括接收火箭弹回路检测、飞行任务参数、发射方式、发射弹数、参数装订、发射倒计时等各种地面发射控制系统目前状态信息, 并能实时接收弹道解算、用炮、调炮、收炮等各种火控系统目前状态信息,并加以显示并过滤设置的数据,只把无故障的数据以串口通信的形式传递给通信设备。
4)通信模拟子系统,包括操作台操作面板、通信设备和通信测试软件。操作台操作面板用以模拟实装上的操作台操作面板,它将对云台的操作信号发送给通信设备;通信设备包括通信服务器、通信线缆,其中通信服务器采用和原装备通信服务器一样的型号,是系统的通信枢纽。
5)车载软件,用于为载体实时提供方向和位置信息,引导车辆行驶达到指定位置。
6)仿真系统的软件系统,以编程工具Broland C++Builder为平台实现。
远火控制系统维修训练模拟器设计时采用分层次树形软件体系结构及面向对象的编程方法,构成整个软件框架模式。
3.3 软件组成及工作流程图
系统软件是模块式结构,它由如下若干程序块共同组成。
1)系统管理软件;
2)开关机操作训练模块;
3)操作训练模块;
4)检查调整训练模块;
5)故障现象显示模块;
6)故障诊断训练模块;
7)远火控制系统组合、电路板结构视图库的建立与管理;
8)测试点参数数据库的建立与管理;
9)虚拟测量工具的管理程序;
10)故障现象和故障点的设置程序;
11)通信程序;
12)测试过程控制程序;
13)操作过程记录程序。
系统软件组成及工作流程图如图5 所示。
进入系统主界面后,首先进行网络连接,然后选择系统工作方式,可选择分系统单独工作方式、自主工作方式或联动工作方式,然后选择训练题目,包括操作训练、维修训练和联动训练可供选择。如选择操作训练科目,主要在实装操作分系统上完成,编制了开关机顺序、方法和步骤,训练人员开关机操作;设置装备检查调整科目;设置了快速测试检查科目及功能测试科目;产生模拟战场,进行开进展开训练。
4 结束语
本文从远火武器系统操作与维修训练需求出发,综合运用半实物仿真与虚拟现实技术,详细阐述了训练模拟器的实现过程。该模拟器研制完成后,基于实装操作分系统和虚拟装备分系统能完成相关科目的操作训练以及维修训练。依据本文给出的方法,我们已经建立了初步的远火武器系统操作与维修训练模拟器。
基于虚拟仿真技术的远火武器系统操作与维修训练系统作为一种重要的配套设备,提供了通用、优良的的维修平台,符合武器装备信息化建设的需求,对探索武器装备维修工作新途径有一定参考作用。同时在其他相关领域也具有广阔的发展前景,值得开展深入细致的研究。