基于網(wǎng)絡(luò)的模擬訓練系統(tǒng)建設(shè)研究

●駱建偉

(武警學院 基礎(chǔ)部，河北 廊坊 065000)

基于網(wǎng)絡(luò)的模擬訓練系統(tǒng)建設(shè)研究

●駱建偉

(武警學院 基礎(chǔ)部，河北 廊坊 065000)

充分發(fā)揮計算機通信網(wǎng)絡(luò)和三維模擬技術(shù)在模擬訓練中的優(yōu)勢，在節(jié)約訓練成本的同時保障訓練質(zhì)量，已經(jīng)成為軍隊、教育、消防以及社會服務(wù)等行業(yè)提升綜合訓練和管理水平的重要手段。在系統(tǒng)介紹模擬訓練系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于水罐消防車仿真訓練系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗，探討了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下模擬訓練系統(tǒng)建設(shè)思路。

網(wǎng)絡(luò)；模擬訓練；系統(tǒng)設(shè)計

隨著科技發(fā)展的不斷深入，人類正逐步進入一個新的“信息化時代”。計算機通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)蓬勃發(fā)展，為人們帶來了突破時空限制的合作環(huán)境，使協(xié)同式工作環(huán)境和思維方式深入人心。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的普及和進步，多媒體形式的日益豐富，以及三維網(wǎng)頁的可視化程度不斷躍進使虛擬訓練這種全新的教育和訓練形式成為一種必然趨勢。傳統(tǒng)訓練對于訓練場景的搭建是組織多人多次培訓的瓶頸問題，其高昂的成本和不穩(wěn)定的訓練效果極大地制約了實戰(zhàn)能力的培養(yǎng)。因此，建設(shè)基于網(wǎng)絡(luò)的三維仿真模擬訓練系統(tǒng)是解決傳統(tǒng)訓練瓶頸問題的必然要求。

一、模擬訓練系統(tǒng)概述

模擬訓練系統(tǒng)由于能夠突破傳統(tǒng)訓練對訓練場地和成本等多方資源的客觀限制并且成本投入少、綠色無污染而被廣泛應(yīng)用于各種應(yīng)急場合和高危領(lǐng)域，深入分析模擬訓練系統(tǒng)的定義和基本特點是建設(shè)科學的模擬訓練系統(tǒng)的前提和質(zhì)量保證。

(一)模擬訓練系統(tǒng)的定義

模擬訓練系統(tǒng)是指利用計算機的虛擬現(xiàn)實技術(shù)和仿真手段來開展模擬化、專業(yè)化和實戰(zhàn)化的綜合訓練，從而提高被訓人員實戰(zhàn)能力、提升綜合訓練水平的現(xiàn)代化教學和訓練系統(tǒng)。由于充分利用了計算機網(wǎng)絡(luò)以及各種虛擬現(xiàn)實技術(shù)，三維模擬仿真訓練系統(tǒng)往往能通過三維可視化技術(shù)真實構(gòu)建出訓練現(xiàn)場的場地和情景，并通過各種交互設(shè)備，積極調(diào)動受訓者的視覺、聽覺、觸覺，讓他們在虛擬的三維環(huán)境中協(xié)同完成訓練任務(wù)。

(二)模擬訓練系統(tǒng)的基本特點

1.實戰(zhàn)性

進行訓練的最終目的是要提高受訓人員的組織能力和指揮能力,這就必然要求訓練能盡可能的營造出真實的情景和感受。然而傳統(tǒng)訓練往往迫于各方因素的限制而難以達到這一要求。在模擬訓練系統(tǒng)中實戰(zhàn)型的問題就可以得到切實解決，主要表現(xiàn)在以下方面：首先，模擬訓練系統(tǒng)中的情節(jié)是多變的。利用基于網(wǎng)絡(luò)的模擬訓練系統(tǒng)能夠保證依據(jù)受訓者的不同處理措施設(shè)置多種可能的變化過程,這些沒有預料到的場景往往能更好的鍛煉受訓者應(yīng)對突發(fā)事件的能力。其次，基于網(wǎng)絡(luò)的模擬訓練系統(tǒng)實現(xiàn)了對人員、裝備的真實占用或損耗的控制，更貼近實戰(zhàn)。傳統(tǒng)訓練雖然能夠?qū)ψ鲬?zhàn)的空間、人員和裝備進行模擬，但不能控制人員和裝備的真實占用或者損耗,而基于網(wǎng)絡(luò)的模擬訓練系統(tǒng)無疑解決了這一問題。

2．可重復性

傳統(tǒng)的訓練方式一般需要耗用大量人力、物力和財力,因而實施多次的重復演練必然受到限制。此外由于訓練過程中設(shè)置的指揮名額有限,不能保證所有的受訓者都有擔任指揮人員的機會,因此受訓者可能得不到全面的鍛煉。相比之下,基于網(wǎng)絡(luò)的模擬訓練系統(tǒng)的優(yōu)勢就凸現(xiàn)出來了[1]。由于沒有費用的限制,又能夠準確再現(xiàn)場景,所以使得多次重復的開展具有不同針對性的同一訓練成為可能。受訓人員可以同時擔任指揮人員,針對某一問題展開訓練,也能以普通角色參與訓練。這樣不但在提高訓練次數(shù)的過程中保證他們的熟練程度，同時也能夠極大的提高他們的組織和指揮能力。

3．突出重點

傳統(tǒng)的訓練方式往往限于時間和花費等因素難以突出重點科目，如果基于網(wǎng)絡(luò)的模擬訓練系統(tǒng),則可以集中時間和精力訓練關(guān)鍵科目,在兼顧全局的同時做到突出重點,在設(shè)置訓練內(nèi)容時,可以增大重點訓練科目的作業(yè)量,同時設(shè)置多個角色,保證更多的人員參與訓練,全面提高受訓者的各方面素質(zhì)。

4．過程的可知性

日常訓練的主要目的之一是在接近實戰(zhàn)的過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題并解決問題。傳統(tǒng)訓練方式由于具有涉及的科目多、人員復雜等特點,導演者往往難以通觀全局,也不可能全面的掌握演習過程中可能存在的問題[2]。而基于網(wǎng)絡(luò)的模擬訓練系統(tǒng)則可很好地解決了這一問題。利用訓練系統(tǒng)本身具有的記錄功能，計算機能將受訓者解決問題的時間、步驟和方法詳細地記錄下來,便于導演者隨時調(diào)用，分析每一位受訓者在訓練中的表現(xiàn)。

二、模擬訓練系統(tǒng)的需求分析

模擬訓練系統(tǒng)的建設(shè)是解決傳統(tǒng)訓練瓶頸問題，提升綜合訓練水平的必然要求，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

(一)完善專業(yè)訓練系統(tǒng)的需要

在發(fā)達國家，模擬訓練系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于交通、刑偵、醫(yī)療救護和應(yīng)急管理等眾多領(lǐng)域，而在我國模擬訓練系統(tǒng)雖已初步應(yīng)用于電力、能源、航天、化工和國防等領(lǐng)域，但其中模擬訓練系統(tǒng)的建設(shè)體系還不完善，需要在進行專業(yè)訓練的過程中突破傳統(tǒng)訓練思維模式的限制，積極構(gòu)建和完善各個行業(yè)的專業(yè)訓練系統(tǒng)，打造新型專業(yè)訓練模式。

(二)降低訓練成本和保障訓練安全的需要

利用模擬訓練系統(tǒng)進行模擬訓練可以排除天氣、場地、時間和裝備等多種可能因素的影響，減少訓練器材、訓練設(shè)施和裝備的投入，從而大大降低訓練的成本，又能讓受訓者直接感受到真實的作戰(zhàn)場景，甚至做到在與現(xiàn)實環(huán)境完全一致的背景下訓練，一方面保證了訓練的真實性，另一方面也可以輕易地模擬出現(xiàn)實環(huán)境中不可能操作的高危險場景，保障了訓練的安全需要。甚至對于失重狀態(tài)這樣在現(xiàn)實訓練中根本難以完全達到的效果也可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)、仿真技術(shù)在虛擬訓練系統(tǒng)中得以實現(xiàn)。

(三)提升訓練效益的需要

相對于傳統(tǒng)訓練方式而言，利用基于網(wǎng)絡(luò)的模擬訓練系統(tǒng)模擬訓練，對提升訓練效益有著更為突出的作用。一是模擬訓練系統(tǒng)集安全、可控、無風險、可多次重復等多種特點于一身，既能進行常規(guī)的模擬保障性訓練，又能進行各種突發(fā)事件下的模擬訓練，同時還具有模擬訓練的高效率和高效益等突出的優(yōu)勢[3]。二是能夠通過HLA技術(shù)達到分布交互式的仿真效果，實現(xiàn)對分散資源的集中高效利用。HLA是一種近年發(fā)展起來的面向?qū)ο蟮拈_放體系結(jié)構(gòu)，它能通過特有的數(shù)據(jù)分發(fā)和聲明管理服務(wù)，大幅減少仿真系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)信息通信量，從而實現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)[4]。

三、基于網(wǎng)絡(luò)的模擬訓練系統(tǒng)建設(shè)

鑒于以上對模擬訓練系統(tǒng)的需求分析，結(jié)合模擬訓練系統(tǒng)的特點，筆者設(shè)計了基于網(wǎng)絡(luò)的水罐消防車仿真訓練系統(tǒng)。該模擬訓練系統(tǒng)以O(shè)racle數(shù)據(jù)庫和VR map 3.0虛擬現(xiàn)實軟件為基礎(chǔ)，利用Java語言開發(fā)而成。

(一)系統(tǒng)總體框架設(shè)計

該系統(tǒng)同時支持服務(wù)器/客戶機和單獨在PC機上操作兩種形式。系統(tǒng)主要由以下幾部分組成，系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

1．用戶管理子系統(tǒng)

用戶管理子系統(tǒng)是為了方便系統(tǒng)的管理者對用戶進行管理而設(shè)計的，用戶主要包括管理員、受訓者和教員3種。其中，系統(tǒng)的管理員擁有進入該系統(tǒng)，對系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)進行管理、刪除和修改的權(quán)限。教員和受訓者擁有進行操作和對基本功能進行修改的權(quán)限。

圖1 基于網(wǎng)絡(luò)的模擬訓練系統(tǒng)總體框架圖

2．訓練設(shè)計子系統(tǒng)

訓練設(shè)計和評定子系統(tǒng)是模擬訓練系統(tǒng)的重要組成部分。該子系統(tǒng)由教員進行操作和使用，它主要用于進行訓練場景的設(shè)計和制作，對訓練情況進行評定，并負責考評結(jié)果的查詢和輸出。訓練場景的設(shè)計制作對于系統(tǒng)而言具有重要意義，場景的構(gòu)建是否真實，情節(jié)設(shè)計是否合理，訓練問題的安排是否科學，甚至問題評定的分數(shù)是否合理，都會對受訓者的訓練產(chǎn)生重要影響。

3．訓練考核子系統(tǒng)

訓練考核子系統(tǒng)主要負責對受訓者進行訓練和考核。當受訓者進入訓練和考核子系統(tǒng)后，系統(tǒng)會調(diào)用模擬訓練的具體情節(jié)和問題。受訓者需要根據(jù)系統(tǒng)所顯示的問題做出相應(yīng)判斷、進行組織的安排部署以完成答題操作[5]。此時系統(tǒng)會自動的記錄受訓者的操作信息，并根據(jù)受訓者進行操作的時間和問題回答的情況，給出受訓者的訓練成績。如圖2所示即為消防模擬訓練的考核系統(tǒng)界面。

圖2 訓練考核子系統(tǒng)

4．場景制作子系統(tǒng)

訓練場景的真實性直接影響著訓練的最終效果。選擇訓練場景時應(yīng)該注意場景的典型性，或結(jié)合地區(qū)實際和典型案例進行，尤其要注意重點模擬對象或者高危生產(chǎn)工段的模擬設(shè)計，并嚴格按照圖紙的比例實施，以確保場景的真實性?？紤]到軟件的兼容性問題，本系統(tǒng)在建模工作過程中采用了3D Studio Max和Auto CAD軟件。圖3所示為系統(tǒng)模型設(shè)計，圖4所示即為設(shè)計的消防模擬訓練場景。

圖3 系統(tǒng)模型設(shè)計

圖4 場景設(shè)計

5.數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)主要采用Oracle數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行管理，數(shù)據(jù)庫中主要保存訓練場景的數(shù)據(jù)和受訓者的訓練記錄兩大類數(shù)據(jù)。

(二)系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用B/S三層結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，它將整個模擬系統(tǒng)從邏輯結(jié)構(gòu)上劃分為用戶層、業(yè)務(wù)邏輯層以及數(shù)據(jù)層三個層次。

1.用戶層

用戶層是直接面向用戶、完成和用戶之間交互活動的應(yīng)用層，它通常是通過在界面上合理設(shè)計一系列的操作控件來完成交互活動。此外還負責接收從用戶發(fā)出的相關(guān)訪問請求并把結(jié)果反饋給用戶。

2.業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層位于用戶層和數(shù)據(jù)訪問層之間，是整個系統(tǒng)有關(guān)業(yè)務(wù)邏輯處理活動的中心環(huán)節(jié)，它負責計算和處理用戶發(fā)出的請求，并接收數(shù)據(jù)層傳回的數(shù)據(jù)。在目標系統(tǒng)的設(shè)計過程中，應(yīng)該將模擬訓練的可整合性、可操作性和可管理性作為重點進行研究，此外，為了便于系統(tǒng)的后期維護工作，在系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，每個功能模塊中都被添加了可自定義的和可增刪的功能，從而能夠在一定程度上保證系統(tǒng)的高度靈活性。

3.數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要負責訪問數(shù)據(jù)及執(zhí)行程序，當邏輯層收到用戶的請求后，會對邏輯部分進行分析和計算，并將需要數(shù)據(jù)層執(zhí)行的相關(guān)數(shù)據(jù)請求傳至數(shù)據(jù)層，由數(shù)據(jù)層調(diào)用相應(yīng)的 SQL 語句完成數(shù)據(jù)操作和使用，由于數(shù)據(jù)處理過程中系統(tǒng)的安全性和可靠性要求更高，因此需要配置一臺高性能的服務(wù)器來完成該層的高速數(shù)據(jù)處理工作[6]。

(三)遇到的難點

水罐消防車仿真訓練系統(tǒng)建設(shè)過程中遇到了很多難點，比較重要的問題是系統(tǒng)復用設(shè)計要求高。

系統(tǒng)設(shè)計初期就要求所有的模型及場景要能夠復用其他訓練系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)，設(shè)計時要與其他系統(tǒng)的設(shè)計一起進行，做到符合《三維模型設(shè)計標準規(guī)范》，此規(guī)范對演練算法、Agent模塊開發(fā)標準、演練管理、數(shù)據(jù)庫規(guī)范、3D場景坐標設(shè)計標準等要素做出了具體規(guī)范。

四、結(jié)束語

綜上所述，設(shè)計基于網(wǎng)絡(luò)的模擬訓練系統(tǒng)是一項系統(tǒng)工程, 開發(fā)這一系統(tǒng)并積極應(yīng)用在各行業(yè)的模擬訓練中將帶來廣泛的綜合性效益，基于網(wǎng)絡(luò)的模擬訓練對于有效應(yīng)對各種風險挑戰(zhàn)，提升訓練效果具有重要意義。

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[2] 于力.滅火救援計算機模擬訓練系統(tǒng)研究[J].武警學院學報,2010,(10):27-29.

[3] 邸彥強.基于網(wǎng)格技術(shù)的多用戶多任務(wù)模擬訓練系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學報,2008,(2):56-60.

[4] 孫永富.兩棲裝甲裝備駕駛模擬訓練系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].兵工自動化,2013,(2):12-16.

[5] 丁祥郭.消防接警員模擬訓練系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機與現(xiàn)代化, 2012,(9):27-29.

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A Research on Constructing the Simulation Training System Based on Network

LUO Jian-wei

(DepartmentofBasicCoursesTeaching，TheArmedPoliceAcademy，Langfang，HebeiProvince065000，China)

It is important to give full play to advantages of the computer communication network and three-dimensional simulation technology in simulation training, saving the cost of training and at the same time ensure the training quality in the fields of military,fire control, social services and other industries to promote comprehensive training and management level. In this paper, the simulation training system is introduced, and through the study of the construction situation and experience of simulation training system, discusses the construction of the simulation training system under the network environment.

the network; simulation; systematic design

2014-10-16

駱建偉(1978— )，女，河北巨鹿人，副教授。

N39

A

1008-2077(2015)03-0064-04