新裝備模擬訓(xùn)練器的研制

【后勤保障與裝備管理】

新裝備模擬訓(xùn)練器的研制

黃葵，朱興動(dòng)

(海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)六系，山東 青島266041)

摘要：為滿足新裝備教學(xué)訓(xùn)練需求，通過(guò)半物理仿真和虛擬場(chǎng)景相結(jié)合的方式，研制了某型新裝備訓(xùn)練模擬器；介紹了該訓(xùn)練模擬器的設(shè)計(jì)思想，詳細(xì)論述了仿真機(jī)柜功能模型的建立和故障仿真方法，對(duì)新裝備訓(xùn)練模擬器的開(kāi)發(fā)具有較強(qiáng)的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：模擬器；裝備訓(xùn)練；故障模擬；功能模型

收稿日期：2014-06-27

作者簡(jiǎn)介：黃葵(1967—)，女，碩士，副教授，主要從事裝備保障、交互式電子技術(shù)研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.021

中圖分類號(hào)：TJ83

文章編號(hào)：1006-0707(2015)01-0075-03

本文引用格式：黃葵，朱興動(dòng).新裝備模擬訓(xùn)練器的研制[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2015(1):75-77.

Citationformat:HUANGKui，ZHUXing-dong.DevelopmentofNewEquipmentforTrainingSimulator[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):75-77.

DevelopmentofNewEquipmentforTrainingSimulator

HUANGKui，ZHUXing-dong

(The6thDepartment,QingdaoBranchofNavalAeronauticalEngineeringAcademy,Qingdao266041,China)

Abstract:The model X equipment training simulator was developed with a combination of semi-physical simulation and virtual scene in order to satisfy the demands of the new equipment training. The design philosophy and system layout were introduced, and both the method of establishing the functional model and fault simulation based on the construction experience were discussed in detail, which will serve as a reference for other equipment training simulators.

Keywords：simulator;equipmenttraining；faultsimulation;functionalsimulation

隨著部隊(duì)現(xiàn)代化建設(shè)的推進(jìn)，越來(lái)越多的新型裝備投入使用。新裝備的技術(shù)復(fù)雜程度普遍較高，綜合性強(qiáng)，維修成本高[1]，要求技術(shù)保障人員具備較高的技術(shù)保障水平。然而，新裝備大多價(jià)格昂貴，實(shí)裝數(shù)量較少，往往不能及時(shí)配發(fā)院校，院校培訓(xùn)只能以理論教學(xué)為主，嚴(yán)重影響了學(xué)員第一崗位任職能力的形成。模擬訓(xùn)練是計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)融合的產(chǎn)物，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為軍事領(lǐng)域重要的訓(xùn)練手段，研制新裝備訓(xùn)練模擬器，開(kāi)展裝備模擬訓(xùn)練，已成為任職教育院校培養(yǎng)學(xué)員第一崗位任職能力的一項(xiàng)重要舉措。本文通過(guò)實(shí)裝仿真和虛擬場(chǎng)景相結(jié)合的方式，研制了具備操作訓(xùn)練和維修訓(xùn)練功能的某型新裝備訓(xùn)練模擬器，較好地滿足了學(xué)員第一任職崗位的需求，有效促進(jìn)了新裝備技術(shù)保障能力的形成。

1模擬器設(shè)計(jì)思想

新裝備訓(xùn)練模擬器的基本功能是代替實(shí)裝開(kāi)展裝備操作和維修訓(xùn)練[2]，使受訓(xùn)者快速掌握裝備操作使用技能。因此，訓(xùn)練模擬器并不簡(jiǎn)單地追求與真實(shí)設(shè)備的一致，而是在滿足訓(xùn)練需求的前提下，盡可能簡(jiǎn)化[3]，以虛代實(shí)、以軟代硬。確定操作維修項(xiàng)目多、控制關(guān)系復(fù)雜的機(jī)柜進(jìn)行半物理仿真，為受訓(xùn)者提供逼真的工作站位，使受訓(xùn)者最大限度得到近似實(shí)戰(zhàn)化的訓(xùn)練；對(duì)于價(jià)格昂貴、操作維修項(xiàng)目少、技術(shù)復(fù)雜程度高的分機(jī)或部件，建立三維實(shí)體模型，通過(guò)虛擬方式顯示在三維場(chǎng)景中；其他如配電柜、轉(zhuǎn)接箱等與訓(xùn)練相關(guān)度低的分機(jī)部件視情去除或簡(jiǎn)化。

2模擬器總體方案

某型裝備由控制系統(tǒng)、設(shè)備本體和執(zhí)行機(jī)構(gòu)3部分組成，控制系統(tǒng)提供了1個(gè)本地操作戰(zhàn)位和2個(gè)遠(yuǎn)程操作戰(zhàn)位，完成裝備的操作控制和狀態(tài)監(jiān)視，并為設(shè)備本體和執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供控制信號(hào)；設(shè)備本體作為被控制對(duì)象，用來(lái)顯示該設(shè)備的工作狀態(tài)；執(zhí)行機(jī)構(gòu)與設(shè)備本體機(jī)械耦合在一起，由執(zhí)行電機(jī)帶動(dòng)設(shè)備本體運(yùn)動(dòng)。根據(jù)操作規(guī)程，該裝備共有5大類26個(gè)操作項(xiàng)目，全部集中在控制系統(tǒng)，艦員級(jí)維修手冊(cè)中明確的32個(gè)部件更換項(xiàng)目和11個(gè)故障排查項(xiàng)目，也有29個(gè)屬于控制系統(tǒng)。因此，根據(jù)虛實(shí)結(jié)合、軟硬結(jié)合的原則，對(duì)控制機(jī)柜采取半物理仿真，仿真機(jī)柜外觀與布局、操作(如按鈕、開(kāi)關(guān)、控制閥等)和顯示界面(如儀表、指示器、信號(hào)燈、顯示屏等)與真實(shí)設(shè)備完全一致，提供與真實(shí)設(shè)備相同的監(jiān)控界面，具備與真實(shí)設(shè)備相同的操作反應(yīng)與結(jié)果；對(duì)控制機(jī)柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留可更換件，并對(duì)連接部分進(jìn)行特別加固設(shè)計(jì)，以滿足反復(fù)拆裝訓(xùn)練的需要；確保仿真機(jī)柜內(nèi)部關(guān)鍵點(diǎn)信號(hào)與實(shí)際工作信號(hào)相符，為故障定位提供依據(jù)；增加故障仿真單元，進(jìn)行故障現(xiàn)象的仿真。執(zhí)行機(jī)構(gòu)和設(shè)備本體的技術(shù)復(fù)雜程度較高，訓(xùn)練項(xiàng)目相對(duì)較少，為了降低訓(xùn)練成本，采用虛擬仿真方式，在三維場(chǎng)景中進(jìn)行顯示。為了更好地體現(xiàn)模擬器的訓(xùn)練功能，增加教學(xué)控制臺(tái)，作為模擬器的控制管理中心[4]，對(duì)訓(xùn)練過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并進(jìn)行故障設(shè)置。

3模擬器結(jié)構(gòu)組成

訓(xùn)練模擬系統(tǒng)由模擬控制系統(tǒng)、虛擬場(chǎng)景顯示系統(tǒng)和教學(xué)控制臺(tái)三部分組成(圖1)。模擬控制系統(tǒng)包括實(shí)裝所有控制機(jī)柜，提供操作和維修站位；虛擬場(chǎng)景顯示系統(tǒng)包括圖形工作站、投影系統(tǒng)和音響系統(tǒng)，用于三維場(chǎng)景和設(shè)備狀態(tài)的顯示；教學(xué)控制臺(tái)用來(lái)組織實(shí)施教學(xué)訓(xùn)練，并進(jìn)行訓(xùn)練過(guò)程的管理。

圖1　某型裝備訓(xùn)練模擬器組成

為了保證與實(shí)裝的高仿真度，同時(shí)兼顧訓(xùn)練功能的拓展，針對(duì)信息流量的大小以及對(duì)信息實(shí)時(shí)性的要求，訓(xùn)練模擬器選用不同類型的總線網(wǎng)絡(luò)。仿真機(jī)柜之間采用與實(shí)裝完全一致的現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控網(wǎng)，完成底層數(shù)據(jù)的采集與控制，滿足實(shí)時(shí)性、容錯(cuò)性、安全性的要求。教學(xué)控制臺(tái)與仿真機(jī)柜之間基于以太網(wǎng)和UDP協(xié)議構(gòu)成管理信息網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)大容量的通信，提高仿真數(shù)據(jù)和邏輯指令等信息的I/O速度，滿足訓(xùn)練管理要求。

4模擬器技術(shù)實(shí)現(xiàn)

4.1功能模型的建立

模擬器的功能大多是通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的[5]，例如實(shí)裝控制柜面板上的電壓表顯示的是某處電壓的實(shí)時(shí)值，而仿真機(jī)柜通過(guò)單片機(jī)軟件對(duì)當(dāng)前的操作輸入與教學(xué)控制臺(tái)的設(shè)置狀態(tài)進(jìn)行綜合，控制電壓表頭的顯示值，呈現(xiàn)與實(shí)裝相同的結(jié)果。因此，模擬器設(shè)計(jì)階段一項(xiàng)重要的工作是建立實(shí)體對(duì)象的仿真模型[6]，將實(shí)裝機(jī)柜的功能轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能夠處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)信號(hào)的不同，仿真機(jī)柜面板上的輸入輸出設(shè)備可分為數(shù)字量和數(shù)據(jù)量?jī)深?，?shù)字量輸入設(shè)備(如按鈕)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)量信號(hào)Di1,…,Din，數(shù)據(jù)量輸入設(shè)備(如旋鈕)產(chǎn)生模擬量信號(hào)Mi1,…,Mim；數(shù)字量顯示設(shè)備(如指示器)接收開(kāi)關(guān)量信號(hào)Do1,…,Dol，數(shù)據(jù)量顯示設(shè)備(如表頭)接收模擬量信號(hào)Mo1,…,Mok。根據(jù)實(shí)裝控制柜的功能，建立仿真機(jī)柜功能模型如下：

(1)

單片機(jī)不停采集輸入設(shè)備的狀態(tài)，根據(jù)式(1)解算得到輸出設(shè)備的控制信號(hào)，從而呈現(xiàn)出與當(dāng)前操作動(dòng)作對(duì)應(yīng)的顯示狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)操作功能的模擬。

4.2故障的生成與嵌入

故障的處理能力是裝備保持戰(zhàn)斗力和性能恢復(fù)的基礎(chǔ)，屬于較高層級(jí)的技術(shù)保障能力，也是艦員級(jí)維修能力的重要組成部分。單個(gè)部組件的故障通過(guò)系統(tǒng)間的信息流通，在各部分之間相互影響，故障現(xiàn)象通過(guò)控制柜面板、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和設(shè)備本體的運(yùn)行狀態(tài)反映出來(lái)。訓(xùn)練模擬器根據(jù)故障和功能相分離的原則，通過(guò)物理仿真和虛擬仿真相結(jié)合的方式，對(duì)故障進(jìn)行仿真，確保故障產(chǎn)生的原因和故障表象與真實(shí)情況相同[7]。

故障的物理仿真，是在原電路上增加故障仿真單體，通過(guò)開(kāi)關(guān)芯片或繼電器控制回路通斷，顯示正常和故障兩種現(xiàn)象。如圖2為燈故障產(chǎn)生電路，CPLD綜合控制柜面板的操作動(dòng)作和教學(xué)控制臺(tái)的故障設(shè)置信息生成控制信號(hào)，控制繼電器的通斷，使LED的狀態(tài)和端電壓都與真實(shí)故障相同。

圖2　燈故障仿真單體

故障的虛擬仿真方式，是指建立故障類型與故障點(diǎn)狀態(tài)S1,…,SP的邏輯模型，將故障點(diǎn)狀態(tài)與輸入信號(hào)綜合后，驅(qū)動(dòng)故障現(xiàn)象的再現(xiàn)。式(1)是正常工作狀態(tài)下的功能模型，考慮到故障現(xiàn)象的模擬，輸出設(shè)備的狀態(tài)應(yīng)該由輸入狀態(tài)和故障設(shè)置信息共同決定。因此，修正式(1)，得出仿真機(jī)柜完整功能模型如下：

(2)

例如，仿真機(jī)柜接收到教學(xué)控制臺(tái)發(fā)送的“燈故障”類型后，根據(jù)故障模型得出故障點(diǎn)狀態(tài){S}，再由式(2)得出輸出設(shè)備控制信號(hào){D}，點(diǎn)亮面板上的告警指示燈，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器鳴響，顯示與實(shí)際故障相同的效果。

5結(jié)束語(yǔ)

某型新裝備模擬器采用半物理仿真與虛擬場(chǎng)景相結(jié)合的方式，構(gòu)建了裝備操作維修訓(xùn)練平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了高逼真度仿真。訓(xùn)練內(nèi)容不僅局限于基本的操作程序訓(xùn)練，更可以通過(guò)故障現(xiàn)象的仿真，使受訓(xùn)者熟悉典型故障現(xiàn)象，形成識(shí)別、判斷、排除故障的能力，為裝備深度維修奠定基礎(chǔ)。該訓(xùn)練模擬器現(xiàn)已應(yīng)用于我校裝備教學(xué)，經(jīng)過(guò)三期使用，效果較好，有效促進(jìn)了學(xué)員崗位任職能力的形成。

參考文獻(xiàn)：

[1]王桂芹，劉海光，張永．某大型訓(xùn)練模擬器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．四川兵工學(xué)報(bào)，2012，33(8)：10-11.

[2]商亞，陳慧玲，武冰．淺析訓(xùn)練模擬器設(shè)計(jì)中注意的問(wèn)題[J]．科技傳播，2011(4)：209-210.

[3]王彤，盧世超，武智暉．訓(xùn)練模擬器總體設(shè)計(jì)技術(shù)及應(yīng)用[J]．國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)，2010(4)：43-46.

[4]張磊，冀海燕，盧文忠．模擬器測(cè)試與維修訓(xùn)練應(yīng)用仿真研究[J]．現(xiàn)代防御技術(shù)，2011，39(1)：153-156.

[5]王娟，樊智勇，蔡成仁，張鵬．機(jī)載氣象雷達(dá)維護(hù)模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009，17(8)：1632-1637.

[6]郭潤(rùn)夏．A320電子設(shè)備艙維護(hù)仿真研究與實(shí)現(xiàn)[D]．天津：中國(guó)民航大學(xué)，2008.

[7]劉敬忠． 柴油機(jī)燃料供給故障教學(xué)系統(tǒng)的研制[J]．中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2010(7)：41-42.

(責(zé)任編輯周江川)