艦炮火控設(shè)備虛擬維修訓練與考核系統(tǒng)*

傅茂聰　陳維義

(海軍工程大學兵器工程系　武漢　430033)

?

艦炮火控設(shè)備虛擬維修訓練與考核系統(tǒng)*

傅茂聰陳維義

(海軍工程大學兵器工程系武漢430033)

摘要為提升海軍艦員級火控設(shè)備維修訓練水平,利用虛擬維修技術(shù)手段開發(fā)了針對艦炮火控設(shè)備的虛擬維修訓練與考核系統(tǒng),設(shè)計確定了系統(tǒng)的基本功能以及軟件結(jié)構(gòu),建立了設(shè)備的數(shù)據(jù)模型,應(yīng)用狀態(tài)機的方法對系統(tǒng)的主要功能加以實現(xiàn),并結(jié)合具體實例對系統(tǒng)相關(guān)功能與界面進行了介紹。

關(guān)鍵詞虛擬維修技術(shù); 訓練考核系統(tǒng); 結(jié)構(gòu)功能; 數(shù)據(jù)模型; 狀態(tài)機

Virtual Maintenance Training and Assessment System of Warship Cannon Fire Controls Equipment

FU MaocongCHEN Weiyi

(Dept. of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractTo promote the level of fire controls equipment maintenance training of marine crews, a training and assessment system of the warship cannon fire controls equipment which is to do the virtual operation and maintenance is developed by the means of virtual manufacturing technology. The basic function of the system and the soft-ware structure are designed and determined, so is the data structuring model. The method of state machine carries out the main function of system, the function and the interface are introduced with some concrete examples.

Key Wordsvirtual manufacturing technology, training and assessment system, structure and function, data structuring model, state machine

Class NumberTP391

1引言

隨著中國海軍現(xiàn)代化進程的不斷推進,新型裝備呈現(xiàn)出科技含量高、結(jié)構(gòu)復雜、數(shù)量有限、價格高昂等特點。傳統(tǒng)的、基于實裝的維修訓練模式會造成大量的零部件消耗,導致裝備的嚴重磨損,影響裝備的完好性,嚴重時還會引起安全事故[1~3]。同時,受到裝備數(shù)量和維修場地等多種因素的限制,基于實裝的維修訓練無法大規(guī)模、常態(tài)化地開展,導致裝備的直接操作者對于簡單故障的實際修理能力較弱[4]。

近年來,虛擬現(xiàn)實技術(shù)快速發(fā)展,人們將其引入了裝備維修領(lǐng)域,提出了虛擬維修的概念。虛擬維修是實際維修過程在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn),它以信息技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)為支撐,通過協(xié)同工作的模式,實現(xiàn)產(chǎn)品維修性的設(shè)計分析、維修過程的規(guī)劃與驗證、維修操作訓練與維修支持等產(chǎn)品維修的本質(zhì)過程。其中,通過對維修訓練過程仿真,在支持維修訓練與維修的實施方面可以有效降低維修訓練費用,提高維修的準確性與效率[5~6]。虛擬維修訓練系統(tǒng)是用來支持實現(xiàn)虛擬維修訓練的軟硬件系統(tǒng),為受訓人員提供仿真操作和維修的環(huán)境。以便在裝備維修訓練時獲取最佳的費效比和快速提高維修人員的維修知識和技能[7]。

艦炮火控設(shè)備作為火控系統(tǒng)的重要組成,主要完成信號和數(shù)據(jù)處理、輔助作戰(zhàn)指揮、武器控制、操控跟蹤器等基本任務(wù)。為有效提高艦員對艦炮火控設(shè)備操作及維修能力,同時配合并豐富海軍水面艦艇艦員維修技能競賽的比賽科目,針對組成艦炮火控設(shè)備的火控臺、接口機柜、配電箱、輸入輸出機柜等進行了虛擬仿真開發(fā),以輔助艦員對艦炮火控設(shè)備進行操作和維修,增強艦員的火控設(shè)備操作熟練度,提高火控設(shè)備維修能力,并最終為相關(guān)火控設(shè)備虛擬訓練和維修平臺的開發(fā)探索合適方法。

2系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)

2.1系統(tǒng)功能

隨著虛擬維修技術(shù)的不斷發(fā)展,其在軍事裝備領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多,但是目前大部分虛擬維修系統(tǒng)都是基于視景仿真、三維建模、碰撞檢測等技術(shù),以具體實裝的機械零部件拆裝過程為仿真對象進行搭建的。

本系統(tǒng)最大的特點是用軟件的方法達到對硬件電子設(shè)備的模擬,通過系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)和界面顯示數(shù)據(jù)的分離,實現(xiàn)了將“虛擬訓練”與“虛擬維修”兩大功能在同一個硬件平臺上的結(jié)合,以及操作訓練和維修訓練兩大過程的統(tǒng)一,最終達到在操作過程中發(fā)現(xiàn)故障、修理故障的目的,在提高艦員操作熟練度的同時提升對于突發(fā)狀況的處理能力。同時設(shè)備數(shù)據(jù)、故障設(shè)置可以通過編輯器隨時進行擴展和添加,為系統(tǒng)后期各項功能的不斷完善創(chuàng)造了條件。

系統(tǒng)的實現(xiàn)原理如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理圖

操作訓練時,學員通過軌跡球、鍵盤、操作桿、觸摸屏等與實裝相同的人機交互設(shè)備進行操作,設(shè)備根據(jù)操作產(chǎn)生的邏輯數(shù)據(jù)確定設(shè)備的操作響應(yīng),完成后臺運行數(shù)據(jù)修改,使系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生躍遷。同時實時刷新設(shè)備狀態(tài)顯示界面,實現(xiàn)對用戶操作響應(yīng)結(jié)果的顯示。通過不同參數(shù)的裝定實現(xiàn)在不同環(huán)境、不同目標類型條件下對艦炮火控設(shè)備基本操作流程的模擬訓練,使學員盡快熟悉相關(guān)操作流程。

維修訓練時,教員通過設(shè)備故障數(shù)據(jù)編輯器生成故障數(shù)據(jù),包括故障觸發(fā)時機、故障觸發(fā)條件、故障類型等內(nèi)容。當學員對指定維修科目進行訓練時,系統(tǒng)加載故障數(shù)據(jù),用戶操作滿足故障觸發(fā)條件時,系統(tǒng)將根據(jù)故障數(shù)據(jù)對設(shè)備的實時動態(tài)數(shù)據(jù)進行修改,顯示故障現(xiàn)象。學員根據(jù)故障現(xiàn)象,在設(shè)備維修界面操作檢查、測量等虛擬維修工具,確定故障位置并利用相應(yīng)的虛擬工具對故障部件、面板進行更換。通過這種方法既可以實現(xiàn)對某一維修訓練科目的練習,也可以完成對正常操作過程中突發(fā)故障的修理與排除,達到貼近現(xiàn)實,提升訓練效果的目的。

2.2體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用基于客戶端/服務(wù)器(C/S)模式的三層分布式體系結(jié)構(gòu),將整個系統(tǒng)分成表示層、應(yīng)用邏輯層和數(shù)據(jù)層三部分。系統(tǒng)具有邏輯相對獨立,有較高的可維護性、可擴展性、可升級性以及安全性等特點[8~9]。另外還有交互性強,在出錯提示、在線幫助等方面有較強功能等優(yōu)勢。

本系統(tǒng)具體分為虛擬訓練教員臺和虛擬訓練學員臺兩個子系統(tǒng),分別對應(yīng)了結(jié)構(gòu)中的服務(wù)端與客戶端。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

依據(jù)體系結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)具體層次結(jié)構(gòu)分為表示層、應(yīng)用邏輯層和數(shù)據(jù)層,如圖3所示。

圖3　系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖

教員臺子系統(tǒng)面向的用戶主要為教員和管理員,用于在訓練和考核過程中相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)的管理以及對學員考核成績的管理,功能結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的子功能如圖4所示。

圖4　教員臺功能結(jié)構(gòu)

學員臺子系統(tǒng)面向的用戶主要為學員,用于學員對設(shè)備仿真操作、維修訓練和考核。功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。兩個子系統(tǒng)通過局域網(wǎng)與數(shù)據(jù)層實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

圖5　學員臺功能結(jié)構(gòu)

學員臺中的操作維修訓練模塊包括操作訓練和維修訓練。訓練模塊主要用于學員對設(shè)備操作的自我練習。操作訓練主要是用戶通過虛擬設(shè)備操作界面進行操作并觀察設(shè)備的操作響應(yīng),讓學員熟悉系統(tǒng)設(shè)備的正常操作流程;維修訓練主要用于學員對設(shè)備在故障條件下,根據(jù)操作的響應(yīng)診斷故障的類型、位置,并完成維修過程。

操作維修考核模塊包括操作考核和維修考核?？己诉^程中,用戶操作方式及系統(tǒng)響應(yīng)與訓練模塊基本相同,系統(tǒng)還將記錄初始環(huán)境和用戶所有的操作及相關(guān)參數(shù),并以二進制格式存儲到文件中。教員可以通過該文件查看學員的每一個操作步驟,以完成相應(yīng)的考核評價。

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1基于狀態(tài)機思想的操作邏輯描述

本系統(tǒng)功能實現(xiàn)的邏輯思路是人員在對虛擬設(shè)備進行操作時,每操作一步系統(tǒng)都會根據(jù)當前狀態(tài)、前置狀態(tài)等約束條件決定系統(tǒng)將躍遷至的下一狀態(tài),再通過屏幕反饋給操作人員。而基于狀態(tài)機模型的方法是解決軟件中狀態(tài)劃分、狀態(tài)遷移等問題的有效途徑。

狀態(tài)機也稱為有限狀態(tài)自動機(finite state machine,FSM),是具有離散輸入和輸出的一種數(shù)學模型。系統(tǒng)可以處于任意有限個狀態(tài),系統(tǒng)的狀態(tài)概括了關(guān)于過去輸入的信息,而這些信息是確定系統(tǒng)以后行為所必需的[10]。

傳統(tǒng)的有限狀態(tài)自動機(FSM)一般用一個五元組FSM=(Q,Σ,δ,q0,F)進行表示,其中Q為一個有限的狀態(tài)集合,Σ為一個有限輸入字母表,q0在Q中為初始狀態(tài),F?Q是終結(jié)狀態(tài)集合,δ是轉(zhuǎn)移函數(shù),將Q×Σ映射到Q,即對于每個狀態(tài)q和輸入符號a,δ(q,a)是q將轉(zhuǎn)移至的下一狀態(tài)。這類狀態(tài)機多應(yīng)用于語言識別和語法分析等問題[11]。

本系統(tǒng)將狀態(tài)機的思想與面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計方法相結(jié)合,通過對各模擬面板上不同控件的操作,觸發(fā)相應(yīng)的事件和方法,進入或退出狀態(tài),并執(zhí)行相應(yīng)的響應(yīng)信息。從而使狀態(tài)機的思想更好地適應(yīng)軟件開發(fā)的過程。

本系統(tǒng)中關(guān)于狀態(tài)機模型的具體實現(xiàn)方法如下:將系統(tǒng)狀態(tài)集合中的不同狀態(tài)以ID號的形式進行索引,以便于狀態(tài)機對于不同狀態(tài)的快速識別,提高其響應(yīng)速度。對系統(tǒng)的每一步操作都相當于向系統(tǒng)輸入ID,指示將要進入的狀態(tài),系統(tǒng)依據(jù)前置狀態(tài)信息、故障信息等內(nèi)容進行判定是否執(zhí)行相應(yīng)的狀態(tài)響應(yīng)或故障響應(yīng)。

現(xiàn)以火控設(shè)備的解題過程為例,結(jié)合狀態(tài)機思想的應(yīng)用對系統(tǒng)加以說明。圖6中,為該過程涉及到的狀態(tài)名稱和ID編號,以及相互之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系和條件。

圖6　火控設(shè)備解題過程狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

其中,圖中的各狀態(tài)響應(yīng)及狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件如表1所示。

以上狀態(tài)的退出響應(yīng)均為將進入狀態(tài)時修改的參數(shù)值直接設(shè)置為初始值。

另外,在應(yīng)用狀態(tài)機思想接進行相關(guān)開發(fā)過程中,還有一個環(huán)節(jié)十分重要,即進入或退出狀態(tài)的實現(xiàn)方法。

如圖7~圖8所示,為進入和退出狀態(tài)方法流程圖。

表1　各狀態(tài)響應(yīng)及轉(zhuǎn)移條件

圖7　進入狀態(tài)方法流程圖

圖8　退出狀態(tài)方法流程圖

與進入狀態(tài)時一樣,退出狀態(tài)時,也主要經(jīng)歷狀態(tài)檢測、故障信息檢測、觸發(fā)準備退出狀態(tài)事件等步驟,其不同點在于,當處于故障觸發(fā)狀態(tài)時,根據(jù)故障觸發(fā)時機的不同,故障現(xiàn)象退出響應(yīng)的觸發(fā)時機也會發(fā)生變化。最后,每進入和退出一個狀態(tài)后,對其相應(yīng)的后置狀態(tài)進行數(shù)據(jù)更新,確定下一步操作可能到達的狀態(tài)。

以上為應(yīng)用狀態(tài)機模型實現(xiàn)系統(tǒng)功能的核心環(huán)節(jié)即:狀態(tài)進入、狀態(tài)退出、后置狀態(tài)的更新以及狀態(tài)信息和故障信息的檢測等內(nèi)容。通過上述方法實現(xiàn)了當系統(tǒng)接受并識別到不同的輸入信息時,系統(tǒng)依據(jù)相應(yīng)的約束條件進行狀態(tài)的躍遷,并表現(xiàn)出不同的響應(yīng),操作人員則根據(jù)操作反饋,繼續(xù)后續(xù)的操作和維修訓練。

3.2設(shè)備數(shù)據(jù)模型的建立

本訓練模擬系統(tǒng)采用的是用軟件的方法對于實際硬件功能、邏輯包括故障信息進行模擬,需要使用不同功能、類型的數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行組織與管理,對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層建立設(shè)備的數(shù)據(jù)模型,更好地完成對設(shè)備的模擬與仿真。

將運行于系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)組織分為三大部分,即:設(shè)備數(shù)據(jù)、邏輯數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)。

設(shè)備數(shù)據(jù)包含兩部分內(nèi)容:設(shè)備的資料數(shù)據(jù)主要為課件、音視頻以及部分部件的說明信息和相關(guān)操作的提示信息;硬件結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)主要為設(shè)備的結(jié)構(gòu)樹模型,其中以具體型號的設(shè)備為根節(jié)點,自頂而下各層依次為機柜信息、面板信息、部件信息和引腳信息。結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)信息主要體現(xiàn)于與用戶進行交互的界面層中,各結(jié)構(gòu)主要以圖片為表現(xiàn)形式,另外包括相應(yīng)的名稱、文字說明、字符串編碼等內(nèi)容。對于可以與用戶進行交互的部分,則直接在圖片相應(yīng)位置用C#中自定義控件的方法添加控件,以完成對于用戶操作的響應(yīng)。

邏輯數(shù)據(jù)中則主要涉及狀態(tài)機的相關(guān)應(yīng)用,首先將系統(tǒng)操作或維修過程中的各個環(huán)節(jié)劃分為相應(yīng)的狀態(tài),確定不同狀態(tài)之間轉(zhuǎn)移的邏輯關(guān)系和轉(zhuǎn)移條件,并根據(jù)實際情況設(shè)定各狀態(tài)的操作響應(yīng),通過響應(yīng)參數(shù)的設(shè)定,對相應(yīng)控件的屬性進行修改,以完成對不同操作的仿真。故障狀態(tài)數(shù)據(jù)還包括了故障類型、觸發(fā)時機、故障響應(yīng)等信息,用于維修訓練過程中的故障顯示。

運行數(shù)據(jù)主要包括系統(tǒng)在運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù),指修改界面顯示和運行于后臺的相關(guān)數(shù)據(jù),主要以各種類型的數(shù)據(jù)變量為主。系統(tǒng)在運行過程中主要存在兩個線程,當用戶進行了某項操作后,其中一個線程用于將操作響應(yīng)數(shù)據(jù)讀取并存放入一個任務(wù)列表之中,而另一個線程則不斷讀取任務(wù)列表中的數(shù)據(jù),對界面做不斷地修改。同時應(yīng)用數(shù)據(jù)鎖技術(shù)以防止兩個線程在讀寫過程中相互沖突。

4應(yīng)用實例

基于以上結(jié)構(gòu)功能以及關(guān)鍵技術(shù),搭建完成了某型艦炮火控設(shè)備虛擬維修訓練與考核系統(tǒng)。

圖9所示為學員臺上系統(tǒng)的模式選擇界面。

圖9　模式選擇界面

圖10為系統(tǒng)的主界面,由五個屏幕進行分別顯示,其中設(shè)備狀態(tài)顯示界面和設(shè)備操作界面根據(jù)設(shè)備的不同而顯示不同的內(nèi)容。設(shè)備狀態(tài)顯示界面主要用于顯示設(shè)備的操作響應(yīng)和狀態(tài)顯示,如果有可操作部件,通過鼠標點擊可以實現(xiàn)交互。設(shè)備操作界面為觸摸屏,主要包括虛擬的操作按鈕、開關(guān)等操作部件,通過觸摸操作可以實現(xiàn)交互。設(shè)備操作界面旁還有手柄和摸球,手柄操作和實裝相同,摸球和鼠標操作相同。設(shè)備的狀態(tài)顯示以及進行人機交互的輸入設(shè)備與實際裝備完全一樣。維修操作界面以列表的形式顯示不同的火控設(shè)備機柜,用于對設(shè)備結(jié)構(gòu)觀察、選擇和操作,也可以對故障部件進行測量、更換等維修操作。綜合顯示界面則主要顯示了訓練或考核的相關(guān)信息、操作計時、設(shè)備信息等內(nèi)容。

在對設(shè)備進行虛擬操作時,如果操作部件處于設(shè)備狀態(tài)顯示界面或設(shè)備操作界面,則在相應(yīng)界面中直接操作,此時對在維修操作界面中對應(yīng)的操作部件操作無效,如果操作部件不處于設(shè)備狀態(tài)顯示界面,則需要在維修操作界面中進行操作。

圖10　系統(tǒng)界面顯示

圖11　維修訓練模式示意圖

5結(jié)語

本系統(tǒng)利用虛擬仿真技術(shù),采用先進的軟件總體技術(shù),利用狀態(tài)機模型思想對系統(tǒng)邏輯進行組織,建立了系統(tǒng)虛擬設(shè)備的數(shù)據(jù)模型,實現(xiàn)了艦炮火控設(shè)備的操作使用訓練和維修訓練的一體化,能夠在操作使用中發(fā)現(xiàn)故障、排除故障,最大程度貼近裝備實際。本系統(tǒng)的開發(fā)是在基于實際裝備的基礎(chǔ)之上,對部分功能(考核評價、教學提示等)進行擴展和提升,為有效降低訓練成本、提高訓練效益、降低訓練的安全風險、更好地開展裝備操作維修技能訓練探索新的途徑。

參 考 文 獻

[1] 王強,宋建社,曹繼平,等.復雜裝備虛擬維修訓練技術(shù)[J].兵工自動化,2009,28(12):1-3.

[2] 洪津,張萬軍,謝慶華,等.虛擬維修訓練系統(tǒng)發(fā)展綜述及其關(guān)鍵技術(shù)探討[J].解放軍理工大學學報,2000,1(1):63-67.

[3] 李星新,郝建平,葉飛,等.虛擬維修訓練的基本問題與技術(shù)體系研究[J].微計算機信息(測控自動化),2010,26(6-1):30-32.

[4] 楊曉文,韓燮.虛擬維修訓練系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].計算機應(yīng)用與軟件2013,30(5):208-210.

[5] 郝建平.虛擬維修仿真理論與技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008:19-20.

[6] 劉佳,劉毅.虛擬維修技術(shù)發(fā)展綜述[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學學報,2009,21(11):1519-1533.

[7] 譚繼帥.虛擬維修訓練系統(tǒng)的交互設(shè)計研究[D].石家莊:軍械工程學院,2007:8-13.

[8] 鄭人杰,馬素霞,殷人昆.軟件工程概論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009:81-95.

[9] 石弋可,田康生,金宏斌.基于B/S模式的裝備虛擬維修訓練與考核系統(tǒng)設(shè)計[J].信息技術(shù),2010,3:76-79.

[10] J.E.霍普克羅夫特,J.D.厄爾曼.自動機理論、語言和計算導引[M].北京:科學出版社,1986:28-35.

[11] 譚同超.有限狀態(tài)機及其應(yīng)用[D].廣州:華南理工大學,2013.

中圖分類號TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.024

作者簡介:傅茂聰,男,碩士研究生,研究方向:武器系統(tǒng)運用與保障工程。陳維義,男,教授,博士生導師,研究方向:武器系統(tǒng)仿真與實驗技術(shù),武器系統(tǒng)總體與核心子系統(tǒng)設(shè)計,軍用光電技術(shù)。

收稿日期:2015年9月7日,修回日期:2015年10月21日