武警學(xué)院模擬訓(xùn)練公共平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

●張景仁

(武警學(xué)院訓(xùn)練部，河北廊坊 065000)

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和模擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)在人才培養(yǎng)方面發(fā)揮了重要作用，也成為院校教學(xué)的必要手段之一，各專業(yè)、各領(lǐng)域的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研發(fā)需求日益旺盛。但是，總體上，不同功用的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)不成體系，以操作訓(xùn)練為基礎(chǔ)，維修訓(xùn)練為主體的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)更少;技術(shù)上，同類設(shè)備通用性差、規(guī)范化低，水平參差不齊;開發(fā)方式上，基本上停留在針對(duì)單一型號(hào)、單一任務(wù)的狀態(tài)［1］。研究和采用最先進(jìn)的仿真技術(shù)和方法，研制多功能和全任務(wù)的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)成為當(dāng)前軍事模擬訓(xùn)練的急需［2］。由于模擬訓(xùn)練系統(tǒng)集仿真、計(jì)算機(jī)控制、通訊、數(shù)據(jù)處理等眾多知識(shí)領(lǐng)域，具有規(guī)模大、開發(fā)周期長等特點(diǎn)，但不同系統(tǒng)之間又存在很多一致性和不變性，奠定了它們的可抽象性和可復(fù)用性的基礎(chǔ)［3］。參考軟件復(fù)用技術(shù)和產(chǎn)品線軟件工程(Product Line Software Engineering-PLSE)理論，針對(duì)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行的共性，設(shè)計(jì)開發(fā)了模擬訓(xùn)練公共平臺(tái)，為院校模擬訓(xùn)練應(yīng)用開發(fā)及教學(xué)奠定基礎(chǔ)。

1 模擬訓(xùn)練公共平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模擬訓(xùn)練公共平臺(tái)是武警學(xué)院為各專業(yè)領(lǐng)域提供基于桌面的軟件仿真訓(xùn)練技術(shù)支撐平臺(tái)，包括前臺(tái)虛擬環(huán)境構(gòu)建、后臺(tái)仿真計(jì)算，前后臺(tái)交互接口和自然的人機(jī)交互接口。為建立武警學(xué)院模擬訓(xùn)練體系的共性技術(shù)體制，降低各專業(yè)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜度，提高系統(tǒng)建設(shè)的復(fù)用性，保證系統(tǒng)建設(shè)質(zhì)量，縮短系統(tǒng)建設(shè)周期，優(yōu)化系統(tǒng)之間的集成與交互，減少系統(tǒng)運(yùn)維工作量，并滿足未來技術(shù)升級(jí)與功能擴(kuò)展需求提供統(tǒng)一的技術(shù)支撐。

1．1 主要功能設(shè)計(jì)

模擬訓(xùn)練公共平臺(tái)由開發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行平臺(tái)兩部分功能組成。其中，開發(fā)平臺(tái)包括三維視景、人物仿真、人機(jī)界面、可視化腳本編輯、訓(xùn)練任務(wù)控制、記錄回放、考核評(píng)估、推理機(jī)、二維應(yīng)用組件、通訊組件等系統(tǒng)功能，為設(shè)計(jì)人員和開發(fā)人員提供統(tǒng)一的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)基礎(chǔ)技術(shù)支撐環(huán)境，采用“主板+插件”的模式來構(gòu)建和擴(kuò)展模擬訓(xùn)練業(yè)務(wù)系統(tǒng)，各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)以其為基礎(chǔ)和樞紐，形成一個(gè)有機(jī)的、緊密聯(lián)系的整體。運(yùn)行平臺(tái)包括導(dǎo)調(diào)臺(tái)、指揮臺(tái)、訓(xùn)練臺(tái)、評(píng)估臺(tái)、通訊服務(wù)、二維應(yīng)用服務(wù)等系統(tǒng)功能，提供集成化、虛擬化與網(wǎng)絡(luò)化的平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境。

1．2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

如圖1所示，從總體結(jié)構(gòu)上看模擬訓(xùn)練系統(tǒng)自下向上共分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、模擬訓(xùn)練公共平臺(tái)層和業(yè)務(wù)應(yīng)用層。(1)基礎(chǔ)設(shè)施層:為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)環(huán)境支撐，主要包括主機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用中間件等。(2)數(shù)據(jù)資源層:為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，主要包括三維模型文件、模型紋理文件、二維應(yīng)用數(shù)據(jù)文件、演練仿真記錄文件、想定文件、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫等。(3)業(yè)務(wù)應(yīng)用層:是基于模擬訓(xùn)練公共平臺(tái)開發(fā)或集成的各專業(yè)領(lǐng)域的各模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

1．3 系統(tǒng)運(yùn)用流程

如圖2所示，使用模擬訓(xùn)練公共平臺(tái)搭建模擬訓(xùn)練系統(tǒng)時(shí)應(yīng)遵循的基本流程，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)完成后，通過應(yīng)用部署工具對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行打包，并把打包后的系統(tǒng)發(fā)布到運(yùn)行平臺(tái)。

2 模擬訓(xùn)練公共平臺(tái)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

由于模擬訓(xùn)練公共平臺(tái)系統(tǒng)功能較多，限于篇幅，本文僅描述典型功能實(shí)現(xiàn)。

2．1 三維視景

三維視景模塊為平臺(tái)提供顯示逼真三維虛擬場(chǎng)景的支持，基于平臺(tái)的可擴(kuò)展性和延續(xù)性考慮，該模塊選擇了成熟的、高效的、靈活的三維圖形渲染技術(shù)，基于OpenGL圖形語言和標(biāo)準(zhǔn)C++語言開發(fā)，滿足功能擴(kuò)展和功能優(yōu)化的要求。實(shí)現(xiàn)了行走、駕駛、飛行、UFO漫游方式;支持視錐體裁剪、隱藏面剔除、LOD渲染優(yōu)化技術(shù);主動(dòng)交互設(shè)計(jì)，可開關(guān)、轉(zhuǎn)動(dòng)場(chǎng)景中的設(shè)備;支持粒子系統(tǒng)和特效仿真;三維場(chǎng)景O-verlay功能能夠顯示文字、圖片。

三維視景采用靜態(tài)和動(dòng)態(tài)地圖概念。靜態(tài)地圖是固定不變的三維場(chǎng)景，如建筑物、道路等，但具有碰撞檢測(cè)功能，如圖3所示。動(dòng)態(tài)地圖是在場(chǎng)景中可以移動(dòng)、變化的三維物體，如粒子效果等。無論是靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)地圖均可在第三方三維制作工具中制作完成，平臺(tái)可以直接加載。

圖2 模擬訓(xùn)練公共平臺(tái)總體運(yùn)用流程圖

圖3 工程場(chǎng)景-新建地圖

2．2 可視化腳本編輯

腳本是三維場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)動(dòng)作、互動(dòng)、操作邏輯的主要工具，模擬訓(xùn)練公共平臺(tái)內(nèi)嵌腳本引擎，支持變量和邏輯判斷，可對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行控制和交互。

為了提高腳本編輯的便捷性，降低腳本編輯的復(fù)雜性，平臺(tái)提供了一個(gè)可視化的腳本編輯器，可以通過拖拽腳本節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)、事件屬性實(shí)現(xiàn)腳本編輯，同時(shí)平臺(tái)還提供了宏瀏覽器、線程瀏覽器、腳本調(diào)試器、插件管理器、庫管理器等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)腳本編輯的完整支持。

2．3 導(dǎo)調(diào)臺(tái)

要保障模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的正常運(yùn)行，導(dǎo)調(diào)起著十分重要且關(guān)鍵性的作用，它對(duì)訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)演、運(yùn)行管理和控制，從而使訓(xùn)練系統(tǒng)能按照設(shè)計(jì)好的模式正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證訓(xùn)練任務(wù)的順利完成。導(dǎo)調(diào)系統(tǒng)具有基本一致的用途和作用，按照通用性的原則設(shè)計(jì)出一個(gè)通用框架，滿足大部分模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的需求，不必針對(duì)每一個(gè)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)而設(shè)計(jì)相應(yīng)的導(dǎo)調(diào)系統(tǒng)，則可以大大節(jié)約開發(fā)費(fèi)用，降低開發(fā)難度，加快開發(fā)進(jìn)度［2］。

在訓(xùn)練導(dǎo)航頁，點(diǎn)擊導(dǎo)調(diào)臺(tái)的【進(jìn)入】按鈕，可進(jìn)入導(dǎo)調(diào)臺(tái)，導(dǎo)調(diào)臺(tái)列表中顯示了已創(chuàng)建的協(xié)同訓(xùn)練，管理人員可在導(dǎo)調(diào)臺(tái)中對(duì)訓(xùn)練過程和參訓(xùn)人員進(jìn)行管理控制，如圖4所示。

圖4 訓(xùn)練導(dǎo)航頁-導(dǎo)調(diào)臺(tái)

3 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)武警學(xué)院教學(xué)特點(diǎn)，參照已完成的水罐消防車仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，利用模擬訓(xùn)練公共平臺(tái)基本還原了原有系統(tǒng)的模擬訓(xùn)練功能。

3．1 應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能

該應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能有:(1)模擬訓(xùn)練操作功能，如駐車操作訓(xùn)練、鋪設(shè)供水線路操作訓(xùn)練、取水操作訓(xùn)練等。(2)班組協(xié)同訓(xùn)練功能，如班組協(xié)同訓(xùn)練設(shè)置、供水方案確定、一車兩槍撲救建筑火災(zāi)訓(xùn)練等。(3)訓(xùn)練檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)功能，如考核計(jì)劃安排、考核結(jié)果人工評(píng)定、自動(dòng)評(píng)定等。(4)過程控制和回放功能，如訓(xùn)練過程控制、考核過程同步查看、考核過程記錄回放等。

3．2 應(yīng)用系統(tǒng)主要文件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中的車輛運(yùn)動(dòng)、駐停，人員行走、操控設(shè)備及各種事件都是通過可視化腳本編輯器實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存為．dtdir文件?？己酥械目己硕x、考核點(diǎn)設(shè)置和考核變量定義可以使用可視化視圖，但考核規(guī)則文件需要在文本編輯環(huán)境下編寫，其格式如下:

//package是必須的，值同考核對(duì)象名稱小寫。

//導(dǎo)入語句，在規(guī)則中使用的對(duì)象指定完全合格路徑和類型名字。

//要聲明一個(gè)新類型。

//關(guān)鍵字為GenericFact，字段同各個(gè)考核變量。

//推理規(guī)則名隨便命名，但考核點(diǎn)對(duì)象是“LQZHG”時(shí)執(zhí)行checkResult方法內(nèi)的考核規(guī)則。

//考核規(guī)則明細(xì)編寫，各種判斷和判斷結(jié)果依照業(yè)務(wù)條件編寫。

編輯好后保存擴(kuò)展名為．drl文件，發(fā)布到運(yùn)行平臺(tái)并進(jìn)行相應(yīng)的配置即可實(shí)現(xiàn)考核功能。

3．3 應(yīng)用系統(tǒng)主要配置

平臺(tái)參數(shù)配置主要包括:二維GIS配置、協(xié)同通訊配置、多人在線配置、數(shù)據(jù)庫配置和記錄回放配置。這些配置方法簡單、統(tǒng)一，均是在“資源→高級(jí)資源→配置→參數(shù)配置”中進(jìn)行，只需要填寫一些相應(yīng)參數(shù)即可。配置多人在線如圖5所示。

4 結(jié)論

圖5 多人在線參數(shù)配置

借助模擬訓(xùn)練公共平臺(tái)實(shí)現(xiàn)軟件復(fù)用技術(shù)，在今后進(jìn)行模擬應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的過程中，可以充分利用現(xiàn)有的開發(fā)成果，減少了包括分析、設(shè)計(jì)、編碼和測(cè)試等在內(nèi)的許多重復(fù)勞動(dòng)，從而提高了軟件開發(fā)的效率。同時(shí)，通過復(fù)用高質(zhì)量的開發(fā)成果，可以避免重新開發(fā)可能引入的錯(cuò)誤，從而提高軟件開發(fā)的質(zhì)量［3］。但由于模擬訓(xùn)練的復(fù)雜性，在Agent的使用［4］，系統(tǒng)間的互操作［5］，尤其是與實(shí)裝系統(tǒng)的對(duì)接等方面還要深入研究，以進(jìn)一步完善模擬訓(xùn)練公共平臺(tái)。

［1］朱元昌，邸彥強(qiáng)，全厚德，等．通用雷達(dá)裝備模擬訓(xùn)練系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2005，17(11):2633-2674．

［2］朱宇峰，晉華義，劉?。鲬?zhàn)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中導(dǎo)調(diào)框架的設(shè)計(jì)［J］．艦船電子工程，2008，28(10):139-143．

［3］顧榮軍，郭福成，曾勇虎，等．軟件復(fù)用技術(shù)在雷達(dá)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用［J］．電子科技，2010，23(11):8-10．

［4］韓振飛，郝威，張青春．基于多Agent的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)研究［J］．艦船電子工程，2009，29(10):138-140．

［5］馬衛(wèi)兵，朱一凡．模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的互操作性研究［J］．計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2013，35(4):173-180．