基于HLA的某自行高炮操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟憲剛，李宏雷，左曉勇，羅永豐

（1.防空兵指揮學(xué)院，河南 鄭州 450052；2.解放軍75134部隊(duì)，廣西 崇左 532200）

現(xiàn)代高技術(shù)條件下，自行高炮武器系統(tǒng)造價(jià)昂貴、生產(chǎn)數(shù)量有限，部署時(shí)間長(zhǎng)，在實(shí)裝上開(kāi)展操作訓(xùn)練受到嚴(yán)格的制約?；谔摂M現(xiàn)實(shí)的操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)作為部隊(duì)訓(xùn)練的輔助設(shè)備，可對(duì)操作使用人員在操作程序、異?，F(xiàn)象處理能力等方面進(jìn)行全方位的訓(xùn)練，可有效解決裝備操作訓(xùn)練中的“性能”、“安全”和“成本”問(wèn)題。

高層體系結(jié)構(gòu) HLA是為規(guī)劃仿真開(kāi)發(fā)、建模、設(shè)計(jì)整個(gè)過(guò)程中應(yīng)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(guò)HLA 的運(yùn)行支撐環(huán)境（RTI）來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。通過(guò)運(yùn)行支撐環(huán)境RTI，提供通用的、相對(duì)獨(dú)立的支撐服務(wù)程序，將仿真應(yīng)用同底層的支撐環(huán)境分開(kāi)，即將具體的仿真功能實(shí)現(xiàn)、仿真運(yùn)行管理和底層通信傳輸三者分離，隱蔽了各自的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，從而使各部分可以相對(duì)獨(dú)立的進(jìn)行開(kāi)發(fā)。HLA的設(shè)計(jì)思想對(duì)自行高炮操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有重要啟示作用。本文圍繞自行高炮操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)功能，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了協(xié)同操作訓(xùn)練驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)功能

自行高炮操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)旨在構(gòu)建一個(gè)逼真、交互性強(qiáng)的訓(xùn)練仿真環(huán)境，操作手可根據(jù)操作任務(wù)協(xié)同地執(zhí)行操作行為，系統(tǒng)具體功能如下:

①替代實(shí)裝對(duì)操作手進(jìn)行訓(xùn)練，操作流程、操作方法步驟符合操作任務(wù)要求；

②參訓(xùn)人員和裝備狀態(tài)、戰(zhàn)場(chǎng)訓(xùn)練場(chǎng)景清晰逼真，可視性好，具有身臨其境的感覺(jué)；

③系統(tǒng)是一個(gè)基于 HLA的分布式仿真系統(tǒng)，每一個(gè)操作手設(shè)計(jì)一個(gè)仿真節(jié)點(diǎn)，使用鼠標(biāo)、鍵盤、操縱桿等交互工具進(jìn)行交互；

④對(duì)操作行為能夠做出正確響應(yīng)，主要表現(xiàn)為所操作部件和所影響部件的狀態(tài)改變；

⑤允許多操作手協(xié)同執(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(jìn)行一步，即做錯(cuò)了必須糾正，否則不允許進(jìn)行下一步操作；

⑦具有可視化操作規(guī)程教學(xué)、訓(xùn)練成績(jī)?cè)u(píng)估、資料查詢功能。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

自行高炮操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分:總導(dǎo)演臺(tái)、指揮車子系統(tǒng)、炮車子系統(tǒng)、空情模擬子系統(tǒng)、作戰(zhàn)場(chǎng)景顯示子系統(tǒng)和考核評(píng)估子系統(tǒng)等，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自行高炮操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1）總導(dǎo)演臺(tái)

總導(dǎo)演臺(tái)對(duì)整個(gè)操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)實(shí)施控制和管理，是仿真系統(tǒng)的控制核心。

2）指揮車子系統(tǒng)

指揮車子系統(tǒng)是整個(gè)操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的控制中樞，它接受導(dǎo)演臺(tái)下達(dá)的作戰(zhàn)任務(wù)，搜索目標(biāo)、決策指揮、對(duì)各炮車進(jìn)行目標(biāo)指示及分配，并向炮車下達(dá)各種戰(zhàn)斗命令。

3）炮車子系統(tǒng)

炮車子系統(tǒng)用于完成炮車訓(xùn)練，包括發(fā)送炮車陣地參數(shù)，接收目標(biāo)指示信息，模擬炮車的實(shí)際戰(zhàn)斗操作、目標(biāo)捕獲跟蹤、火力打擊等過(guò)程。

4）空情模擬子系統(tǒng)

空情模擬子系統(tǒng)提供目標(biāo)模型，目標(biāo)模型在總導(dǎo)演臺(tái)提供的目標(biāo)航跡驅(qū)動(dòng)下飛行，為模擬訓(xùn)練提供目標(biāo)源。

5）作戰(zhàn)場(chǎng)景顯示子系統(tǒng)

作戰(zhàn)場(chǎng)景顯示子系統(tǒng)主要提供戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，隨著戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)變化實(shí)時(shí)顯示作戰(zhàn)進(jìn)程，直觀反映作戰(zhàn)效果。

6）考核評(píng)估子系統(tǒng)

考核評(píng)估子系統(tǒng)在操作過(guò)程中對(duì)各操作手以及指揮員指揮決策進(jìn)行監(jiān)控、記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，并根據(jù)評(píng)估模型對(duì)協(xié)同操作訓(xùn)練效果進(jìn)行評(píng)估。

3 系統(tǒng)HLA設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)背景想定

根據(jù)總導(dǎo)演臺(tái)的目標(biāo)航跡，空情模擬子系統(tǒng)發(fā)出目標(biāo)指示信息，指揮車目標(biāo)指示雷達(dá)適時(shí)開(kāi)機(jī)，雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，并向數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸目標(biāo)數(shù)據(jù)，經(jīng)目標(biāo)分配后向各炮車通播目標(biāo)指示數(shù)據(jù)。各炮車根據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)決定單炮搜索雷達(dá)開(kāi)機(jī)時(shí)機(jī)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后反饋“已發(fā)現(xiàn)目標(biāo)”信息和車輛位置信息至指揮車。指揮員根據(jù)上級(jí)命令可進(jìn)行人工干預(yù)，改變目標(biāo)分配結(jié)果，同時(shí)，炮車和指揮車可中斷數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行通話。各炮車發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，在單炮搜索雷達(dá)目標(biāo)導(dǎo)引信息下，利用火控系統(tǒng)光電設(shè)備進(jìn)行捕獲和跟蹤目標(biāo)。當(dāng)跟蹤上目標(biāo)后，炮車立即向指揮車傳送“已跟蹤目標(biāo)信息”。此時(shí)，炮手可根據(jù)環(huán)境條件選擇跟蹤方式，并對(duì)目標(biāo)測(cè)距，當(dāng)解算出射擊諸元后，炮手可伺機(jī)實(shí)施射擊。

3.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

3.2.1 系統(tǒng)聯(lián)邦成員設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的具體功能，結(jié)合操作手設(shè)置情況，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用兩級(jí)聯(lián)邦結(jié)構(gòu):車群聯(lián)邦和單車聯(lián)邦。車群聯(lián)邦由總導(dǎo)演臺(tái)、若干個(gè)炮車橋接成員、指揮車橋接成員、指控系統(tǒng)橋接成員、空情模擬子系統(tǒng)、協(xié)同操作訓(xùn)練評(píng)估成員等構(gòu)成。單車聯(lián)邦是針對(duì)炮車子系統(tǒng)和指揮車子系統(tǒng)建立的仿真聯(lián)邦（炮車聯(lián)邦和指揮車聯(lián)邦），包括導(dǎo)演臺(tái)節(jié)點(diǎn)、所屬各操作手節(jié)點(diǎn)、以及用于接入車群聯(lián)邦的橋接成員節(jié)點(diǎn)。各聯(lián)邦成員組成如表1所示。

表1 聯(lián)邦成員組成

3.2.2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用兩級(jí)聯(lián)邦結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 自行高炮操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)多聯(lián)邦結(jié)構(gòu)

指揮車聯(lián)邦包括導(dǎo)演臺(tái)節(jié)點(diǎn)、機(jī)理解算節(jié)點(diǎn)、戰(zhàn)斗操作與指揮員指揮評(píng)估節(jié)點(diǎn)、指揮員節(jié)點(diǎn)以及駕駛員等其他成員節(jié)點(diǎn)。導(dǎo)演臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)RTI的監(jiān)控與管理等功能；機(jī)理解算節(jié)點(diǎn)是裝備動(dòng)力、機(jī)械、電氣等方面特性的描述，是模擬器設(shè)計(jì)的核心，在仿真裝備機(jī)理的基礎(chǔ)上，為裝備實(shí)體模型和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境模型提供可靠的數(shù)據(jù)支撐；指揮員節(jié)點(diǎn)是作戰(zhàn)系統(tǒng)的指揮中樞，通過(guò)模擬作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)對(duì)各作戰(zhàn)單元實(shí)施指揮，處理目標(biāo)情報(bào)信息，進(jìn)行目標(biāo)分配以及下達(dá)各種作戰(zhàn)指令等；其他成員節(jié)點(diǎn)在指揮員的指揮下負(fù)責(zé)各自功能操作，如車輛駕駛、目標(biāo)探測(cè)、通信等任務(wù)。在指揮車子系統(tǒng)中，各節(jié)點(diǎn)通過(guò)RTI進(jìn)行互聯(lián)互操作，構(gòu)成指揮車聯(lián)邦。

炮車聯(lián)邦與指揮車聯(lián)邦結(jié)構(gòu)類似，包括導(dǎo)演臺(tái)節(jié)點(diǎn)、機(jī)理解算節(jié)點(diǎn)、車長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)、駕駛員節(jié)點(diǎn)和炮手節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)間通過(guò)RTI互聯(lián)互操作，組成炮車聯(lián)邦。車長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)是作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)的重要組成部分，在指揮員指揮下協(xié)調(diào)本作戰(zhàn)單元各號(hào)手共同完成作戰(zhàn)任務(wù)，主要負(fù)責(zé)接收上級(jí)的各項(xiàng)指令和目標(biāo)信息，進(jìn)行目標(biāo)導(dǎo)引，組織協(xié)調(diào)各號(hào)手完成作戰(zhàn)任務(wù)；炮手節(jié)點(diǎn)主要完成對(duì)目標(biāo)的搜索、捕獲跟蹤以及對(duì)目標(biāo)的射擊等操作。

3.3 聯(lián)邦級(jí)信息交互處理

模擬操作過(guò)程中，系統(tǒng)不但傳送語(yǔ)音信息，還有數(shù)據(jù)信息，比如指揮員發(fā)送給各炮車的目標(biāo)分配信息、炮車發(fā)送給指揮車的車輛位置信息等[2]。指揮車聯(lián)邦和炮車聯(lián)邦通過(guò)各自的橋接成員加入車群聯(lián)邦。指揮車與炮車之間的信息交互通過(guò)指揮車橋接成員和對(duì)應(yīng)炮車的橋接成員進(jìn)行。信息交互過(guò)程如圖3所示。

圖3 聯(lián)邦級(jí)信息交互示意圖

橋接成員主要由代理部件和轉(zhuǎn)換部件兩部分組成。每個(gè)橋接成員一般包括兩個(gè)代理部件，每個(gè)代理作為成員加入某一聯(lián)邦中。代理從它所加入的聯(lián)邦中獲取聯(lián)邦控制信息和對(duì)象/交互信息并轉(zhuǎn)發(fā)給轉(zhuǎn)換部件，由轉(zhuǎn)換部件進(jìn)行適當(dāng)?shù)男畔⑥D(zhuǎn)換再傳輸給其他相關(guān)代理；同時(shí)，代理需要從轉(zhuǎn)換部件接收其他聯(lián)邦的信息并通過(guò)調(diào)用RTI服務(wù)把信息發(fā)送給所加入的聯(lián)邦。

4 系統(tǒng)協(xié)同操作模擬實(shí)現(xiàn)

基于武器系統(tǒng)作戰(zhàn)背景，作戰(zhàn)過(guò)程模型描述了自行高炮武器系統(tǒng)的操作過(guò)程，同時(shí)描述了裝備之間的邏輯操作關(guān)系。各操作手仿真節(jié)點(diǎn)根據(jù)作戰(zhàn)過(guò)程模型描述的裝備操作和操作邏輯關(guān)系，在Virtools環(huán)境下進(jìn)行模塊編排，驅(qū)動(dòng)虛擬實(shí)體裝備模型，模擬實(shí)現(xiàn)裝備操作過(guò)程。

按照作戰(zhàn)過(guò)程模型對(duì)虛擬裝備進(jìn)行模塊編排以后，在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)上進(jìn)行協(xié)同操作訓(xùn)練。協(xié)同操作訓(xùn)練主要驗(yàn)證相關(guān)操作及其響應(yīng)的正確性和模擬訓(xùn)練過(guò)程是否與實(shí)際作戰(zhàn)過(guò)程一致等。在訓(xùn)練之前，相關(guān)操作手需要根據(jù)操作規(guī)范理解自己的操作任務(wù)、熟悉相關(guān)設(shè)備操作以及與其他節(jié)點(diǎn)的協(xié)同關(guān)系；在訓(xùn)練展開(kāi)以后，操作手按照各自任務(wù)在指揮員的指揮下密切配合，共同完成協(xié)同任務(wù)。協(xié)同操作訓(xùn)練主要過(guò)程如下:

1）創(chuàng)建聯(lián)邦執(zhí)行。啟動(dòng)導(dǎo)演臺(tái)創(chuàng)建聯(lián)邦，聯(lián)邦執(zhí)行進(jìn)程開(kāi)始運(yùn)行。

2）聯(lián)邦成員加入。各仿真節(jié)點(diǎn)依次加入各自的聯(lián)邦，并實(shí)現(xiàn)聯(lián)邦同步，完成系統(tǒng)的互聯(lián)。

3）總導(dǎo)演臺(tái)發(fā)布航跡信息。

4）目標(biāo)探測(cè)子系統(tǒng)開(kāi)始探測(cè)目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，通過(guò)RTI把目標(biāo)信息發(fā)送給指揮員；指揮員對(duì)目標(biāo)信息進(jìn)行分析判斷，通過(guò)指揮控制系統(tǒng)向炮車下達(dá)戰(zhàn)斗準(zhǔn)備命令，各炮車在車長(zhǎng)指揮下進(jìn)行各項(xiàng)戰(zhàn)斗準(zhǔn)備操作；目標(biāo)進(jìn)入作戰(zhàn)區(qū)域后，指揮員向各炮車進(jìn)行目標(biāo)分配，并不斷通報(bào)目標(biāo)坐標(biāo)信息，各炮車根據(jù)指揮員通報(bào)的目標(biāo)信息搜索目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后進(jìn)行捕獲、跟蹤，經(jīng)過(guò)火控系統(tǒng)解算射擊諸元后伺機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行火力打擊，并向指揮員反饋?zhàn)鲬?zhàn)結(jié)果。

5）指揮員根據(jù)空情進(jìn)行新一輪目標(biāo)分配，空情解除后，下達(dá)撤收命令。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)操作模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的特殊性，論述了基于 HLA的模擬訓(xùn)練仿真的設(shè)計(jì)思想和開(kāi)發(fā)過(guò)程，并就 HLA在該系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了一定的探討。實(shí)踐證明，HLA在增進(jìn)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有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在協(xié)同操作模擬實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，虛擬裝備操作及其相關(guān)邏輯響應(yīng)關(guān)系正確，整個(gè)作戰(zhàn)過(guò)程比較順暢，比較真實(shí)地反映了自行高炮武器系統(tǒng)作戰(zhàn)過(guò)程和作戰(zhàn)要素的邏輯關(guān)系，驗(yàn)證了作戰(zhàn)過(guò)程模型。

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