基于H LA的自行防空武器模擬訓練系統(tǒng)設(shè)計

楊作賓,左曉勇,車建國,李宏雷

(防空兵指揮學院,河南鄭州 450052)

在現(xiàn)代高技術(shù)條件下,自行防空武器系統(tǒng)造價昂貴、生產(chǎn)數(shù)量有限、部署時間長,在實裝上開展操作訓練受到嚴格的制約。基于半實裝的模擬訓練系統(tǒng)作為部隊操作訓練的輔助設(shè)備,可對操作使用人員在操作程序、異?，F(xiàn)象處理能力等方面進行全方位的訓練,有效解決裝備操作訓練中的“性能”、“安全”和“成本”問題。

高層體系結(jié)構(gòu)H LA是為規(guī)劃仿真開發(fā)、建模、設(shè)計整個過程中應遵循的規(guī)則而提出的。在基于HLA的仿真系統(tǒng)中,聯(lián)邦成員之間的互操作和交互通過HLA的運行支撐環(huán)境(RTI)來實現(xiàn)[1]。通過運行支撐環(huán)境 RTI,提供通用的、相對獨立的支撐服務(wù)程序,將仿真應用同底層的支撐環(huán)境分開,即將具體的仿真功能實現(xiàn)、仿真運行管理和底層通信傳輸三者分離,隱蔽了各自的實現(xiàn)細節(jié),從而使各部分可以相對獨立的進行開發(fā)。HLA的設(shè)計思想對自行防空武器模擬訓練系統(tǒng)的開發(fā)具有重要啟示作用。本文圍繞自行防空武器模擬訓練系統(tǒng)功能,對系統(tǒng)進行了方案設(shè)計,討論了基于HLA的系統(tǒng)設(shè)計思想,并實現(xiàn)了HLA設(shè)計。

1 系統(tǒng)功能

針對自行防空武器模擬訓練系統(tǒng)旨在構(gòu)建一個逼真、交互性強的模擬訓練仿真環(huán)境,操作手可根據(jù)操作任務(wù)并發(fā)地執(zhí)行操作行為,系統(tǒng)具有如下功能:

1)替代實裝對操作手進行訓練,操作流程和操作方法步驟符合操作任務(wù)要求。

2)參訓人員和裝備狀態(tài)、戰(zhàn)場訓練場景清晰逼真,可視性好,具有身臨其境的感覺。

3)系統(tǒng)是一個基于H LA的分布式仿真系統(tǒng),每一個操作手設(shè)計一個聯(lián)邦成員,使用鼠標、鍵盤和操縱桿等交互工具進行交互。

4)對操作行為能夠作出正確響應,主要表現(xiàn)為所操作部件和所影響部件的狀態(tài)改變。

5)允許多操作手并發(fā)執(zhí)行操作行為,保證操作行為的完整性和一致性。

6)具有誤操作判別功能,但只允許誤操作進行一步,即做錯了必須糾正,否則不允許進行下一步操作。

7)具有可視化操作規(guī)程教學、訓練成績評定和資料查詢功能。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件平臺由多個模塊有機結(jié)合在一起工作,主要包括中心控制模塊、數(shù)碼管控制模塊、撥碼開關(guān)控制模塊、跟蹤控制模塊、操縱桿控制模塊、操作指令傳輸模塊以及通信接口等。硬件平臺設(shè)計方案如圖1所示。

在模擬訓練系統(tǒng)中,受訓人員與虛擬裝備之間的人機交互是標志操作訓練水平的一個重要方面。虛擬裝備的交互主要包括兩類:基于標準計算機設(shè)備的交互和基于實裝部件專用設(shè)備的交互。為了增強訓練的真實感,人機交互的半實物仿真平臺除了鼠標和鍵盤這樣的通用設(shè)備外,還必須采用一些專用設(shè)備(如按鍵、旋鈕),乃至特殊的實裝設(shè)備(如操縱桿、手輪等)。

通用設(shè)備一般都是計算機的標準外設(shè),系統(tǒng)對它們提供了完善的支持,包括硬件的驅(qū)動和在應用軟件中的使用方法[2]。因此,采用標準外設(shè)(USB)作為交互部件,無需涉及設(shè)備級的硬件或軟件工作。平臺的接口設(shè)計采用USB技術(shù),提出了一種USB接口加實裝信號調(diào)理設(shè)備的交互系統(tǒng)設(shè)計方法。其核心思想是將用于和計算機通信的USB設(shè)備與外部實裝信號采集電路分別設(shè)計,實裝信號采集電路負責將實裝部件產(chǎn)生的物理信號轉(zhuǎn)換、調(diào)理為符合USB硬件系統(tǒng)輸入規(guī)范的信號,并最終通過USB硬件設(shè)備,在USB驅(qū)動程序的支持下實現(xiàn)與主機的交互。USB硬件接口設(shè)計對不同的實裝部件是通用的,從而實現(xiàn)交互系統(tǒng)的標準化設(shè)計,系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由W indow s XP、Mu ltiGen Creator、Vega、SQL2005、VisualC++6.0 和 pRTI等支撐軟件平臺和7個子系統(tǒng)組成,即操作訓練、視景生成、人機交互、訓練成績評定、資料查詢及操作規(guī)程數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng),其中中央管理/監(jiān)控聯(lián)邦成員還包括遠程發(fā)送子系統(tǒng),軟件設(shè)計如圖3所示。

操作訓練子系統(tǒng)采用半物理實裝與虛擬裝備相結(jié)合的形式,增強訓練的真實感和訓練效果,操作內(nèi)容涵蓋了指揮車和炮車的主要功能操作;視景生成子系統(tǒng)實現(xiàn)逼真的戰(zhàn)場環(huán)境、裝備模型、虛擬人模型、大氣環(huán)境模型和聲光電熱模型,根據(jù)操作進程來實時反映虛擬實體的狀態(tài)變化;人機交互子系統(tǒng)中,鼠標和鍵盤是基本輸入設(shè)備,另外包括一些專用設(shè)備;訓練成績評定子系統(tǒng)針對操作手的操作記錄,提供智能評定功能,對操作人員的操作績效進行評價;資料查詢子系統(tǒng)包括:設(shè)備介紹,功能描述,同時提供適人化的學習環(huán)境,根據(jù)人的學習規(guī)律設(shè)立輔助訓練向?qū)?幫助操作人員迅速掌握有關(guān)操作的知識。

3 系統(tǒng)H LA設(shè)計

3.1 系統(tǒng)背景想定[3-5]

根據(jù)空情指示信息,指揮車目標指示雷達適時開機,雷達發(fā)現(xiàn)目標,并向數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實時傳輸目標數(shù)據(jù),經(jīng)目標分配后向各炮車通播目標指示數(shù)據(jù)。各炮車根據(jù)目標數(shù)據(jù)決定單炮搜索雷達開機時機,發(fā)現(xiàn)目標后反饋“已發(fā)現(xiàn)目標”信息至指揮車。分隊長根據(jù)上級命令可進行人工干預,改變目標分配結(jié)果,同時,炮車和指揮車可中斷數(shù)據(jù)傳輸,進行通話。各炮車發(fā)現(xiàn)目標后,在單炮搜索雷達目標導引信息下,利用火控系統(tǒng)光電設(shè)備進行捕獲和跟蹤目標。當跟蹤上目標后,炮車立即向指揮車傳送“已跟蹤目標信息”。此時,炮手可根據(jù)環(huán)境條件選擇跟蹤方式,并對目標測距,當解算出射擊諸元后,炮手可伺機實施射擊。

3.2 系統(tǒng)框架設(shè)計

本系統(tǒng)以H LA技術(shù)為基礎(chǔ),在對自行防空武器模擬訓練系統(tǒng)的仿真劇情進行分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計了仿真系統(tǒng)的基本框架。

3.2.1 系統(tǒng)聯(lián)邦成員設(shè)計

系統(tǒng)采用基于RTI的仿真聯(lián)邦設(shè)計思想,其邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。在這種結(jié)構(gòu)模型下有一個中央RTI組件,用于執(zhí)行全局操作,負責給本地RTI組件分配工作。聯(lián)邦成員定義了與本地RTI組件之間的接口,本地RTI組件與它服務(wù)的聯(lián)邦成員在一臺主機上運行。

根據(jù)系統(tǒng)的具體功能,結(jié)合操作手設(shè)置情況,設(shè)計了1個中央管理/監(jiān)控聯(lián)邦成員和8個操作類聯(lián)邦成員,如表1所示。

表1 聯(lián)邦成員組成Tab.1 Composition of federate

3.2.2 系統(tǒng)框架設(shè)計

系統(tǒng)由通過RTI交互的一組虛擬成員接口接入的節(jié)點成員構(gòu)成,其中6、7號操作手可根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)要求進行添加,在系統(tǒng)仿真的邏輯結(jié)構(gòu)圖中用虛線外框描述。HLA定義的聯(lián)邦系統(tǒng)是一個開放性的分布式仿真系統(tǒng),具有可擴展性。聯(lián)邦是層次概念,理論上可以作為成員加入到上層聯(lián)邦,成為更復雜系統(tǒng)的一個聯(lián)邦成員。在這種結(jié)構(gòu)中,RTI從某種程度上來說是一種“軟總線”,聯(lián)邦成員可以在聯(lián)邦運行過程中隨時“插入”。系統(tǒng)H LA仿真的邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.3 對象模型設(shè)計

對象模型是基于HLA的仿真系統(tǒng)具有互操作和可重用性的重要因素之一,針對模擬訓練系統(tǒng)的特點,采用基于操作規(guī)程和聯(lián)邦成員間定向交互滿足的對象模型設(shè)計方法,確定聯(lián)邦成員間的定向交互關(guān)系如圖6所示。

3.3.1 SOM設(shè)計

設(shè)計各聯(lián)邦成員的SOM時以操作步驟信息作為對象類設(shè)計的主要內(nèi)容,各對象類具有相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[6]。聯(lián)邦成員之間的交互類在此不予考慮,對象類屬性的更新/反射機制已經(jīng)完全能夠?qū)崿F(xiàn)信息交互。

3.3.2 FOM設(shè)計

把各聯(lián)邦成員的SOM的對象類合并得到FOM的對象類,FOM的對象類結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 對象類結(jié)構(gòu)表Tab.2 Structureof objectclass

所有的對象類都是超類Operation的繼承子類,在程序設(shè)計時定義各對象子類相應的C++對象,所有的C++對象采用相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),此時只需定義抽象超類Operation對象類屬性即可(見表3),其中OperationStep為聯(lián)邦成員的當前操作步驟,數(shù)據(jù)類型Influence是枚舉類型,其類型編碼如表4所示。

表3 超類Operation對象類屬性表Tab.3 Object class attributes of super class operation

表4 枚舉類型定義表Tab.4 Definition of enumeration class

4 結(jié)束語

本文針對模擬訓練仿真系統(tǒng)的特殊性,論述了基于H LA的模擬訓練仿真的設(shè)計思想和開發(fā)過程,并就HLA在該系統(tǒng)中的應用進行了一定的探討。實踐證明H LA在改進仿真模型互操作性、可重用性以及提高仿真逼真度和沉浸性方面為復雜系統(tǒng)仿真提供了一條可行的途徑。

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