復(fù)雜光電裝置操作訓練系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

甘光勇，安建祝，謝曉鋼，張玉雙，岳玉芳，李有寬

（北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學研究所，北京100094）

0 引 言

復(fù)雜光電裝置是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測技術(shù)相結(jié)合的一種新型激光裝置，該裝置在每次使用前，需要對激光器光路中的幾十片鏡面進行精確調(diào)試，保障激光器能提供一定的干擾功率和良好的光束質(zhì)量。為使崗位人員具備熟練的操作能力，需要開展反復(fù)的技能訓練。

近年來，國內(nèi)許多單位應(yīng)用仿真技術(shù)，開發(fā)出了針對不同對象的操作訓練系統(tǒng)。趙芳［1］等設(shè)計了數(shù)字化坦克車長指控訓練模擬器。高才喜［2］等設(shè)計了新型末制導炮彈射擊模擬訓練系統(tǒng)。丁海燕［3］等設(shè)計了基于HLA 的艦空導彈反導仿真系統(tǒng)。但是大部分研究都集中于仿真技術(shù)的研究和操作流程的模擬上，在復(fù)雜光電裝置中，如何實現(xiàn)光路調(diào)試、如何根據(jù)訓練任務(wù)，進行協(xié)同訓練，以及將不同崗位訓練軟件的共性特征提煉為軟件架構(gòu)的操作訓練系統(tǒng)并不多。

本操作訓練系統(tǒng)根據(jù)復(fù)雜光電裝置的操作流程，建立了簡化的光路調(diào)試模型，構(gòu)造了逼真的虛擬光路調(diào)試環(huán)境，將光電裝置、訓練場景和操作崗位有機的結(jié)合在一起。本操作訓練系統(tǒng)與實際光電裝置的操作流程、操作響應(yīng)狀態(tài)一致，操作界面逼真度高，通過用戶單位的使用，取得了良好的訓練效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 軟件體系結(jié)構(gòu)

光電裝置的操作過程復(fù)雜，各子系統(tǒng)之間存在大量的數(shù)據(jù)交換，操作崗位多。為了避免重復(fù)開發(fā)、縮短開發(fā)周期、統(tǒng)一操作界面風格以及規(guī)范接口等，將不同操作崗位上的共性特征提煉出來［4－6］，設(shè)計了各操作崗位通用的操作訓練軟件體系結(jié)構(gòu)，見文獻［7］。

每個崗位訓練軟件可分為兩大部分：通用框架層和個性層。通用框架層主要包括RTI通訊模塊、教學視頻管理模塊、訓練控制界面模塊、科目管理模塊、實裝模擬模塊、成績評定模塊和訓練日志模塊構(gòu)成，各模塊功能如下：

（1）RTI通訊模塊：實現(xiàn)與運行平臺和其它分系統(tǒng)的交互，與運行平臺的交互包括登錄、退出等狀態(tài)信息，與其它分系統(tǒng)的交互內(nèi)容根據(jù)具體的分系統(tǒng)確定；

（2）教學視頻管理模塊：實現(xiàn)教學視頻的選擇與播放功能；

（3）訓練控制界面模塊：實現(xiàn)訓練控制有關(guān)的軟件界面，包括學員登錄界面、模式選擇界面、自選科目界面、考試等待界面、訓練邊框界面等；

（4）科目管理模塊：實現(xiàn)訓練科目表的讀取、科目簡介讀取、科目初始化、科目啟動等功能；

（5）實裝模擬模塊：實現(xiàn)模擬實裝軟硬件的界面、功能及響應(yīng)；

（6）成績評定模塊：實現(xiàn)將學員的訓練操作與標準操作文件進行對照，并給出成績；

（7）訓練日志模塊：實現(xiàn)日志的記錄和查看功能。

各崗位訓練軟件均可在通用框架的源代碼基礎(chǔ)上，增加各崗位軟件的程序和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)崗位的個性功能。

1.2 硬件體系結(jié)構(gòu)

本操作訓練系統(tǒng)的硬件由機柜、操作面板、計算機、網(wǎng)絡(luò)等組成，其中機柜的大小、顏色要求與實際裝置一致，操作面板的輸入輸出狀態(tài)響應(yīng)要求與實際操作面板的響應(yīng)基本一致。根據(jù)復(fù)雜光電裝置的崗位劃分、分布式系統(tǒng)仿真的特點，設(shè)計了操作訓練系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)［8，9］，如圖1所示。

圖1 操作訓練系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲

在訓練過程中，導調(diào)臺接收各崗位發(fā)送的狀態(tài)信息，將其顯示給指揮員并存入訓練數(shù)據(jù)庫中。在訓練結(jié)束后，指揮員根據(jù)訓練過程中的信息對訓練過程進行評估。仿真管理的主要功能是提供HLA／RTI運行環(huán)境、監(jiān)控RTI服務(wù)器和運行狀態(tài)等。外部信息模擬主要功能是生成目標軌跡、背景參數(shù)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)指揮員通過監(jiān)視器了解系統(tǒng)訓練狀態(tài)，通過語音調(diào)度系統(tǒng)進行全系統(tǒng)指揮控制。其它崗位的功能與實際光電裝置的功能基本一致。

2 系統(tǒng)主要功能

2.1 訓練功能

在不同的訓練階段，操作人員根據(jù)自己對崗位的熟練程度和訓練任務(wù)的要求，可選擇不同的訓練模式，主要的訓練模式有：

（1）視頻學習：在視頻學習模式下，各分系統(tǒng)學員可分別選擇自己感興趣的教學視頻進行觀看，從而可以有針對性的進行學習。教學視頻的選擇與播放功能通過視頻管理模塊實現(xiàn)。

（2）操作練習：在操作練習模式下，各學員可對本崗位的軟硬件進行自由操作，不受操作時序限制，也不進行成績評定，從而達到熟悉本崗位軟硬件的目的。當用戶進入操作練習模式后，不僅顯示模擬實裝的軟硬件界面，還增加了訓練狀態(tài)信息顯示來輔助學員完成訓練。

（3）科目練習：在科目練習模式下，學員可根據(jù)需要選擇訓練科目，訓練成績只在本地顯示，不發(fā)送給導調(diào)臺進行記錄。學員可查看訓練成績來了解自己的訓練情況，通過反復(fù)訓練達到不斷提高操作水平的目的。

（4）科目考試：在科目考試模式下，學員需等待導調(diào)臺指定訓練科目，在接受訓練科目后，進行相應(yīng)的科目準備，然后等待導調(diào)臺的 “開始訓練”指令后進入訓練界面。訓練成績不僅在本地顯示，同時還發(fā)送到導調(diào)臺進行記錄。該模式用來對學員的操作水平進行考核。

（5）全流程訓練：只有在全系統(tǒng)各崗位全部進入全流程訓練模式時，才可進行該模式的訓練。在該模式下，各崗位等待導調(diào)臺的 “開始訓練”指令，并從運行平臺接收外部信息模擬數(shù)據(jù)，模擬完整的全系統(tǒng)協(xié)同訓練。

各模式下的工作流程如圖2所示。

2.2 教學演示功能

教學演示是以動畫、圖片等形式介紹系統(tǒng)的工作原理、子系統(tǒng)的組成、功能及特點，介紹子系統(tǒng)的詳細操作步驟、各崗位的職能以及操作中的注意事項。制作完成后的視頻片既可以在訓練模式中選擇播放，也可采用播放軟件直接播放。

2.3 訓練管理功能

圖2 各模式下的工作流程

訓練管理主要包括操作日志記錄和科目管理。操作日志記錄下學員登錄后的重要操作，有助于學員發(fā)現(xiàn)錯誤操作。為了便于對訓練日志進行管理，將所有的日志存放在Data＼Log目錄下，為每個學員創(chuàng)建一個子目錄，在某個學員的目錄下，同一天的日志存放在以日期命名的目錄下。科目管理實現(xiàn)訓練科目表的讀取、科目簡介讀取、科目初始化、科目啟動等功能。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)

3.1 光路調(diào)試模型的建立

在光路調(diào)試訓練軟件中，需要建立光路調(diào)試模型和虛擬光路調(diào)試環(huán)境。簡化的光路調(diào)試模型基于光線光學原理，在滿足右手法則的全局坐標系xyz 內(nèi)，光線數(shù)據(jù)的參數(shù)由原點位置（x0，y0，z0）和傳輸方向（α，β）組成，其中，α是光線與xy 平面的夾角，β是光線在xy 平面投影與x 軸的夾角，如圖3所示。

圖3 全局坐標系下的光線參數(shù)

鏡面參數(shù)由位置（xm，ym，zm）和方向（γ，δ）組成。光線傳輸方向的矢量和鏡面的法向量分別為

定義鏡面坐標系為：鏡面法向為x′軸，水平面內(nèi)與x′軸垂直的方向為y′軸，z′軸與x′軸、y′軸滿足右手系關(guān)系，如圖4所示。

圖4 鏡面坐標系與全局坐標系

從鏡面坐標系x′y′z′到全局坐標系xyz 的變換為

逆變換為其轉(zhuǎn)置T′。因此，光線珒l 在鏡面坐標系為L＝珒l·T′。鏡面上的點在全局坐標系為珗rm＋珗r′·T。

每束光由五條光線組成，光場坐標系定義在光線1（中心光線）上，五條光線的起點在初始光場坐標系yz 平面上的分布如圖5所示。

圖5 五條光線的位置

光束中任一點（x0，y0，z0）光線的方程和鏡面方程分別為

兩方程聯(lián)立求解，得到此光束傳輸?shù)界R面的中心位置處為

3.2 基于OSG 的虛擬光路調(diào)試環(huán)境

OSG（open scene graph）是一個基于OpenGL 的開源場景圖形工具包，能為圖形程序的開發(fā)提供場景管理和渲染優(yōu)化功能。本操作訓練系統(tǒng)中，基于建立的光路調(diào)試模型，采用OSG 函數(shù)庫實現(xiàn)了虛擬光路調(diào)試環(huán)境，包括光路調(diào)試的場景管理、三維光路模型位置姿態(tài)的設(shè)置與更新、光斑映射與更新。

簡化光路調(diào)試模型的示意圖如圖6所示，一束平行光經(jīng)過鏡面M1、M2、M3后，傳輸?shù)界R面M4上。由于到達鏡面M2上的光束帶有方位或俯仰方向上的可調(diào)節(jié)誤差，需要通過調(diào)整鏡面M2和M3的方位或俯仰角，將光瞳的中心調(diào)整到與M4 的鏡面中心重合，保障后續(xù)光路的光束平行。

圖6 光路調(diào)試模型

光路調(diào)試中的場景管理與三維光路模型位置姿態(tài)的設(shè)置、更新，其基本原理與OSG 場景管理、節(jié)點位置的設(shè)置與更新類似，本文不重點闡述。在光路調(diào)試過程中，需要通過觀察鏡面上光斑圖像，判斷調(diào)光效果。在虛擬光路調(diào)試環(huán)境中，應(yīng)用了紋理映射技術(shù)實現(xiàn)光斑圖像的模擬。先選定需要進行紋理映射的鏡面，建立鏡面的外切正方形幾何體，并將正方形幾何體的位置設(shè)置在鏡面內(nèi)側(cè)，且與鏡面節(jié)點同屬于一個變換節(jié)點，然后根據(jù)光斑數(shù)據(jù)矩陣創(chuàng)建該正方形幾何體的紋理圖像，設(shè)置紋理格式為長方形2D 紋理，將2D 紋理映射到正方形幾何體上。采用節(jié)點回調(diào)方式更新紋理節(jié)點中的數(shù)據(jù)塊，在光路調(diào)整過程中，該紋理不斷被更新，模擬的鏡面上光斑圖像如圖7所示。

3.3 訓練系統(tǒng)的FOM／SOM 設(shè)計

本操作訓練系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的狀態(tài)響應(yīng)、接口關(guān)系復(fù)雜，各崗位之間存在大量的協(xié)同操作。根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計的基礎(chǔ)和操作訓練的要求，開發(fā)了FOM／SOM［10，11］。

本操作訓練系統(tǒng)的實體類型有：導調(diào)臺、外部信息模擬、系統(tǒng)指揮員、通信管理、狀態(tài)監(jiān)測、跟蹤與控制、目標捕獲、光源模擬、光路調(diào)試模擬。所發(fā)生的事件有：學員進行流程操作時，將操作步驟名稱和時間發(fā)送至系統(tǒng)指揮員；學員完成科目練習或科目考試時，將崗位編號、訓練成績發(fā)送至系統(tǒng)指揮員等?？梢源_定聯(lián)邦中的對象類為：TargetInfo（目標信息）、ToZkBatt（發(fā)送至通信管理的信息）、Manager＿Time（仿真時間）。交互類為：Mark（訓練成績）、Trace（跟蹤狀態(tài)）、SimuStart（仿真開始指令）、StudInfo（學員信息）等。

本操作訓練系統(tǒng)時涉及到的部分對象類及屬性、交互類及參數(shù)見表1、表2。表1是從本操作訓練系統(tǒng)的FOM設(shè)計文檔中截取的目標信息類和通信管理接收信息類；表2顯示的部分交互類及參數(shù)。

表1 仿真系統(tǒng)的FOM／SOM（對象類）

表2 仿真系統(tǒng)的FOM／SOM（交互類）

4 操作訓練的評估

4.1 操作流程的評估

在不同的訓練模式下，需要考核操作人員對本崗位的熟練程度。操作訓練流程的評估需要考慮：操作的時序、可否交換、可否重復(fù)、可否跳過等因素。操作訓練系統(tǒng)中的流程評定與具體的訓練科目相關(guān)，不同科目下的標準操作流程各不相同。

首先針對每個科目編寫標準操作流程文件，以XML文件格式存放在＼Evaluate目錄下；在科目初始化時，由成績評定模塊讀取相應(yīng)的標準操作流程文件；訓練過程中的每一步操作都要由成績評定模塊進行評判，成績評定模塊會將此步操作與標準操作流程文件進行對照，如果對照結(jié)果不匹配，則會出現(xiàn)錯誤警告，學員可以繼續(xù)訓練；如果出現(xiàn)了3 次以上的錯誤警告，則本次訓練結(jié)束，成績?yōu)椤安缓细瘛?，且不計算具體分數(shù)；如果訓練過程中出現(xiàn)的不合法的操作少于3次，則當學員完成此科目的所有操作后，可以點擊 “完成”按鈕，此時成績評定模塊會對其整個操作過程進行綜合評估，如果不合法的操作步數(shù)不大于3次并且完成了所有必做的操作，那么成績 “合格”，在 “合格”的情況下，再考察其完成加分操作步驟的個數(shù)，并計算出60－100的具體分數(shù)作為最終的成績評分。

標準操作流程文件的示例如圖8 所示，其中，＜階段＞＜／階段＞表示需要串行執(zhí)行的操作步驟，＜可跳過項＞＜／可跳過項＞表示某個階段中可跳過的操作步驟，＜得分項＞＜／得分項＞表示某個階段中必做操作中的步驟，＜等價項＞＜／等價項＞表示某個階段中等價操作的步驟。

圖8 標準操作流程文件示例

4.2 操作響應(yīng)狀態(tài)的評估

操作人員進行科目練習、科目考試以及全流程訓練時，在標準操作流程文件中增加了對操作響應(yīng)狀態(tài)的判斷，操作訓練系統(tǒng)中的操作響應(yīng)狀態(tài)包含面板上的指示燈變化、模擬圖像的顯示閾值、光路調(diào)整的誤差范圍等。

操作響應(yīng)狀態(tài)評定的原則如下：

（1）操作人員按照標準操作流程進行的操作，訓練系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)正常；

（2）操作人員違反操作流程進行操作，系統(tǒng)狀態(tài)顯示誤操作后的指示燈、模擬圖像，讓操作人員直觀的看到誤操作后的響應(yīng)；

（3）在同一訓練科目中，若誤操作1 次，成績評定時減5分。

4.3 操作界面的逼真度

操作訓練系統(tǒng)的操作界面包含硬件面板與訓練軟件界面。硬件面板上的按鈕／指示燈選用與實際裝置相同廠家的批次，其布局、大小、顏色、響應(yīng)狀態(tài)與實際的操作面板一致。訓練軟件界面上的布局、按鍵響應(yīng)、菜單級聯(lián)關(guān)系等與實際裝置基本一致。

經(jīng)組織實際裝置操作人員進行測評，訓練系統(tǒng)的操作流程與實際操作流程符合程度達95%，操作狀態(tài)響應(yīng)與實際操作狀態(tài)響應(yīng)一致度達90%，操作訓練系統(tǒng)的界面逼真度達90%。

5 結(jié)束語

本復(fù)雜光電裝置的操作訓練系統(tǒng)是集計算機仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為一體的新型模擬訓練系統(tǒng)，系統(tǒng)采用基于HLA 協(xié)議的分布式半實物仿真方式實現(xiàn)，其操作流程、操作響應(yīng)狀態(tài)與實際光電裝置一致，操作界面逼真度高，具有設(shè)計思想先進、性能穩(wěn)定、模塊化程度高等特點，不僅滿足了用戶單位日常訓練的需要，而且對提高裝置的使用技能，具有重大的經(jīng)濟意義。

［1］ZHAO Fang，YAN Heshun，HAN Liang，et al.Design and realization of commander’s command training simulator for digitized tank ［J］.Journal of System Simulation，2009，21（18）：5727－5730 （in Chinese）. ［趙芳，顏和順，韓亮，等.數(shù)字化坦克車長指控訓練模擬器設(shè)計與實現(xiàn) ［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009，21 （18）：5727－5730.］

［2］GAO Caixi，CAI Chunsheng.Design and implementation of firing simulation training system of new kind of terminal guided projectile［J］.Journal of System Simulation，2009，21 （16）：5038－5041 （in Chinese）.［高才喜，蔡春生.新型末制導炮彈射擊模擬訓練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) ［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009，21（16）：5038－5041.］

［3］DING Haiyan，CHEN Jianhua，SONG Jian.Design and realization of ship－to－air missile anti－missile simulation system based on HLA ［J］.Journal of System Simulation，2009，21 （18）：5765－5769 （in Chinese）.［丁海燕，陳建華，宋劍.基于HLA的艦空導彈反導仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) ［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009，21 （18）：5765－5769.］

［4］SUN Keyu，LI Ruoyan，WANG Long.The research on architecture frameworks of navy cooperative warfare simulation system ［J］.Journal of System Simulation，2009，21 （Suppl.1）：205－209 （in Chinese）.［孫克宇，李若巖，王龍.海上協(xié)同交戰(zhàn)仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究 ［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009，21（Suppl.1）：205－209.］

［5］GAO Kai，PAN Jinwen，ZHONG Can，et al.Design of watercraft－based weapon training simulation system ［J］.Journal of System Simulation，2009，21 （11）：3264－3267 （in Chinese）.［高凱，潘金穩(wěn)，鐘燦，等.船艇武器射擊模擬訓練系統(tǒng)的研制 ［J］.系統(tǒng)仿真學報，2009，21 （11）：3264－3267.］

［6］ZHANG Xiang，ZHANG Maojun，TAN Shuren.The development of the simulation training system in complicated electromagnetic circumstance ［J］.Journal of System Simulation，2008，20 （Suppl）：113－116 （in Chinese）. ［張翔，張茂軍，譚樹人.復(fù)雜電磁環(huán)境下虛擬現(xiàn)實模擬訓練系統(tǒng)的開發(fā) ［J］.系統(tǒng)仿真學報，2008，20 （Suppl）：113－116.］

［7］XIE Xiaogang，AN Jianzhu，YUE Yufang，et al.Research of general development architecture for distributed training simulators［J］.Computer Engineering and Design，2012，33 （11）：4283－4287 （in Chinese）.［謝曉鋼，安建祝，岳玉芳，等.分布式仿真訓練系統(tǒng)通用開發(fā)框架研究 ［J］.計算機工程與設(shè)計，2012，33 （11）：4283－4287.］

［8］HUANG Jian，HAO Jianguo.Integrated design of HLA simulation system ［M］.Changsha：National University of Defense Technology Press，2008 （in Chinese）.［黃健，郝建國.HLA仿真系統(tǒng)綜合設(shè)計 ［M］.長沙：國防科技大學出版社，2008.］

［9］SHAN Jiayuan，MENG Xiuyun，DING Yan.Hardware－inloop simulation ［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2008 （in Chinese）.［單家元，孟秀云，丁艷.半實物仿真 ［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.］

［10］LI Xiangyang，HUANG Xianxiang，LONG Yong，et al.Development of surface－to－surface missile operation training simulation system based on HLA ［J］.Journal of System Simulation，2008，20 （11）：5821－5828 （in Chinese）. ［李向陽，黃先祥，龍勇，等.基HLA 的地地導彈操作訓練仿真系統(tǒng)設(shè)計 ［J］.系統(tǒng)仿真學報，2008，20 （11）：5821－5828.］

［11］WU Jinping，LU Minghua，LI Jianfei.HLA federation design and development research of submarine synthetic training simulation system ［J］.Journal of System Simulation，2011，23 （3）：486－489 （in Chinese）.［吳金平，陸銘華，李踐飛.潛艇綜合訓練仿真系統(tǒng)HLA 聯(lián)邦設(shè)計與開發(fā)研究 ［J］.系統(tǒng)仿真學報，2011，23 （3）：486－489.］