某艦用安全監(jiān)控系統(tǒng)模擬訓練軟件的設計與實現(xiàn)

杜一村，楊晨，李玉峰

鄭州機電工程研究所，河南鄭州450015

0 引 言

為了保證艦船在發(fā)生戰(zhàn)斗破損或火災等緊急情況后仍能保持其生命力，需要損管系統(tǒng)對損害進行有效施救，更需要艦員在技術與心理上做好充分準備［1］。因此，損害管制行動的日常訓練是一個極為重要的問題。由于抗沉與滅火訓練的特殊性，一般無法進行實操，所以便需要采用損管訓練系統(tǒng)對艦員進行訓練與考核［2］。

在艦船訓練系統(tǒng)的研究上，美國處于世界領先水平。他們很早就提出了嵌入式模擬訓練的概念，即將訓練設備嵌入到實裝內，使裝備具有訓練和作戰(zhàn)的雙重功能。美國已研制出成熟的海軍艦艇訓練激勵系統(tǒng)（On-Board Training System，OBTS），它是一個綜合性的嵌入式水面艦艇模擬訓練系統(tǒng)，能生成協(xié)調、綜合、虛擬的戰(zhàn)場環(huán)境，合成與海區(qū)可能發(fā)生的情況非常相似的復雜作戰(zhàn)想定，并通過艦艇的實裝設備呈現(xiàn)給作戰(zhàn)分隊，為他們提供如同海上航行訓練一樣的訓練機會［3］。

我國對全艦模擬訓練系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，各分區(qū)的訓練系統(tǒng)研究也還不成熟。其中，損管訓練系統(tǒng)的研究大都集中在技術理論以及模擬器產品上，雖然采用了人工智能、虛擬現(xiàn)實等先進技術［4-6］，能夠滿足艦員的岸基訓練，但并不能在實船上裝備，因此會存在態(tài)勢失真、時效性差等問題。

本文擬根據嵌入式模擬訓練的設計理念，針對損管訓練系統(tǒng)下的某安全監(jiān)控系統(tǒng)模擬訓練軟件（以下簡稱“模擬訓練軟件”）進行設計與實現(xiàn)，該軟件能夠在實船裝備狀態(tài)下通過與訓練臺的通信，模擬產生不同等級的報警信號，使艦員學習和熟悉軟件界面以及相應的操作流程，通過在模擬訓練環(huán)境下的日常訓練達到完全熟悉和熟練掌握某安全監(jiān)控設備的功能和操作使用方法的目的，以保障在正常監(jiān)控狀態(tài)下艦員遇到報警事件時能夠輕松應對、正確操作、快速處理［7-8］。

1 系統(tǒng)概述

損管訓練系統(tǒng)是針對各損管監(jiān)控臺位的操作人員，為其在日常訓練情況下操作虛擬設備和實船裝備、演練基本流程、了解系統(tǒng)基本執(zhí)行原理、觀察學習報警及反饋信息功能，同時為損管指揮流程的訓練提供支撐的系統(tǒng)。

損管訓練系統(tǒng)主要由訓練臺以及各分系統(tǒng)模擬訓練軟件組成，各分系統(tǒng)模擬訓練軟件嵌入到各監(jiān)控臺上運行，其結構原理框圖如圖1所示。

2 模擬訓練軟件的總體設計

2.1 軟件體系結構及模塊組成

模擬訓練軟件主要由主程序模塊、登錄模塊、訓練處理模塊、報警處理模塊、界面信息顯示模塊、以太網數(shù)據收發(fā)模塊、數(shù)據輸入輸出（I/O）模塊、控制局域網（Controller Area Network，CAN）數(shù)據收發(fā)模塊以及實時數(shù)據庫等組成，如圖2所示。

主程序模塊主要負責完成軟件中各測點狀態(tài)邏輯條件及各監(jiān)控艙室綜合狀態(tài)邏輯條件的判斷；登錄模塊負責完成艦員模擬訓練前的登錄驗證；訓練處理模塊主要負責配合訓練臺完成模擬訓練專業(yè)流程的處理；報警處理模塊負責完成模擬訓練報警事件的產生，以及報警后的聲光控制及按鈕操作處理；界面信息顯示模塊主要負責完成模擬訓練監(jiān)控界面中各測點狀態(tài)信息的實時顯示；以太網數(shù)據收發(fā)模塊主要負責完成以太網數(shù)據的封裝、解析、接收及發(fā)送功能；數(shù)據輸入輸出模塊主要負責完成各按鍵信息的采集輸入及各指示燈、蜂鳴器狀態(tài)控制信號的輸出；CAN數(shù)據收發(fā)模塊主要負責完成CAN數(shù)據的封裝、解析、接收及發(fā)送功能；實時數(shù)據庫負責完成各測點數(shù)據信息的實時存儲。

2.2 與實時監(jiān)控軟件的接口設計

模擬訓練軟件和實時監(jiān)控軟件共同運行于監(jiān)控臺上，兩個軟件共享指示燈、蜂鳴器、按鍵、旋鈕等硬件資源。為了有效實現(xiàn)硬件資源共享及兩個軟件功能的完美融合，兩個軟件通過共享內存變量進行通信，其原理框圖如圖3所示。輸出控制變量內存區(qū)用于兩個軟件對指示燈及蜂鳴器的綜合控制，輸入控制變量內存區(qū)用于兩個模塊對艦員操作按鍵信息的采集，綜合報警變量區(qū)用于模擬訓練軟件應急狀態(tài)下的自行調度，即模擬訓練軟件在工作過程中監(jiān)測到綜合報警變量有效，自行退出模擬訓練流程。

2.3 軟件工作流程

艦員訓練時，首先通過監(jiān)控臺上的工作/訓練轉換開關進行訓練模式切換，并通過模擬訓練軟件的登錄界面向訓練臺發(fā)送身份驗證信息，待訓練臺驗證通過后監(jiān)控臺進入正常訓練模式。訓練臺操作人員通過訓練臺模擬軟件設置報警信息，然后自動將報警信息發(fā)送至監(jiān)控臺模擬訓練軟件，艦員通過模擬訓練監(jiān)控界面查看當前的報警信息，并能根據當前的模擬報警信息使消防設備模擬投入操作，訓練臺接收到消防設備模擬投入操作指令后，向模擬訓練軟件反饋相應的消防設備狀態(tài)信息。訓練結束時，彈出結束訓練信息提示對話框，并根據操作人員的選擇，確定是否顯示考評結果。其工作流程圖如圖4所示。

3 模擬訓練軟件開發(fā)實現(xiàn)

3.1 開發(fā)步驟

由于組態(tài)軟件在數(shù)據采集與過程控制上具有優(yōu)勢，故采用組態(tài)軟件作為開發(fā)環(huán)境，具體開發(fā)步驟主要有：定義I/O設備、建立數(shù)據庫點、設計圖形界面、動畫連接、添加函數(shù)及動作等［9-10］。

1）定義I/O設備。

與組態(tài)軟件交換數(shù)據的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）、可編程邏輯控制器（Programmed Logic Controller，PLC）、板卡、智能儀表等設備可看作I/O設備，需要定義數(shù)據庫變量才能與外設交換數(shù)據。模擬訓練軟件定義I/O設備，用于軟件與指示燈、蜂鳴器、按鈕等的數(shù)據交互。

2）建立數(shù)據庫測點。

I/O設備運行的狀態(tài)保存在組態(tài)軟件數(shù)據庫點參數(shù)中。在數(shù)據庫中，用戶操作的對象是測點，系統(tǒng)也以測點為單位存放各種信息。由于數(shù)據庫可以與多個I/O設備進行數(shù)據交換，所以必須指定測點與相應I/O設備建立數(shù)據連接。

模擬訓練與實時監(jiān)控使用的報警測點相互獨立，可綁定不同的I/O連接，但指示燈、蜂鳴器、按鍵、旋鈕等硬件資源共享，只能綁定同一I/O連接，所以只能使用其腳本語言進行內部判斷，然后控制I/O設備。

3）設計圖形界面。

圖形界面可直觀地顯示監(jiān)控情況。組態(tài)軟件提供了工具箱、圖庫以及豐富的控件，以方便進行界面制作。

模擬軟件界面從上到下依次劃分為菜單欄、工作區(qū)和報警條。菜單欄用于監(jiān)控功能界面的切換，由按鈕區(qū)、名稱區(qū)和日期時間區(qū)組成。工作區(qū)主要顯示具體的監(jiān)控畫面，由圖形、表格、文字等組成。報警條顯示詳細報警事件，主要包括報警日期、報警時間、報警優(yōu)先級和報警內容等信息。

4）動畫連接。

為了使設計出來的圖形能反映模擬訓練的運行狀況，需要使靜態(tài)的畫面具有動畫效果，進行動畫連接。應用程序的對象通過數(shù)據庫變量連接數(shù)據庫點，數(shù)據庫測點參數(shù)的變換使應用程序對象的屬性（顏色、數(shù)值、隱現(xiàn)）發(fā)生變化。

5）添加函數(shù)及動作。

將一些重復利用的功能腳本添加到自定義函數(shù)中，然后可以在其他腳本或表達式中調用。這種做法不僅減少了代碼量，而且降低了程序的維護工作量。

在應用程序動作腳本的程序運行周期執(zhí)行中添加對報警測點的檢測功能，以實現(xiàn)自動監(jiān)控，周期執(zhí)行的流程圖如圖5所示。

數(shù)據改變動作腳本與變量的連接，以變量的數(shù)值改變作為觸發(fā)事件。每當變量的數(shù)值變化時，腳本即執(zhí)行一次。以工作/訓練旋鈕切換為例，其流程圖如圖6所示。

3.2 軟件運行效果與測評結果

軟件開發(fā)完成后，其運行效果如圖7所示。用戶只有通過身份驗證后才可進行模擬訓練，模擬訓練界面中除標題欄有醒目標識外，其余區(qū)域顯示與實時監(jiān)控相似。

模擬訓練軟件開發(fā)完成后，由第三方機構進行了測評，主要測試類型及方法如表1所示。測試結果表明，該軟件滿足規(guī)定的功能、性能、接口、邊界等要求。此外，該項目還進行了會議評審，獲得業(yè)界專家、使用方代表等的一致認可。

表1 軟件測試類型及方法Table 1 Test types and methods of the simulation training software

4 關鍵技術

4.1 訓練與實裝互聯(lián)技術

1）統(tǒng)一的系統(tǒng)頂層設計。

為保證模擬訓練模式下的信息流程、運行流程與實時監(jiān)控模式保持一致，需要進行系統(tǒng)層面的頂層設計，在安全監(jiān)控系統(tǒng)所有關聯(lián)的系統(tǒng)設備中增加訓練模式和相應的功能。

2）消防設備模擬投入防誤動作。

為了防止在模擬訓練模式下消防設備模擬投入時真實消防設備發(fā)生誤動作，在硬件設計上所有指令按鈕或旋鈕全部采用自復位式，確保每次按鈕或旋鈕操作的時效性和針對性；在軟件設計上，當采集到I/O輸入信號由0變?yōu)?再變?yōu)?為一次有效信號時，才將對應的消防設備控制指令送出。

3）真實損害報警信號優(yōu)先。

在軟件設計全過程中，堅持實時監(jiān)控功能為主、模擬訓練功能為輔的原則，采用真實報警信號優(yōu)先技術，確保在訓練模式下對真實報警狀態(tài)不間斷實時監(jiān)控，當發(fā)生真實報警時能快速、有效地做出相應對策。

4.2 協(xié)同訓練技術

1）各臺位的時間協(xié)同。

訓練臺通過周期發(fā)送和訓練開始前發(fā)送這2種方式向各參訓臺發(fā)送時間信息，以此實現(xiàn)時鐘同步，然后統(tǒng)一安排各參訓臺在訓練科目上的開始、持續(xù)、終止等時間，使各參訓臺在行動上達成時間上的協(xié)調一致。

2）實時數(shù)據傳輸和數(shù)據實時響應。

訓練臺與參訓臺、參訓臺與參訓臺之間都需要大量的數(shù)據交互，因此采用主動觸發(fā)機制和回調機制來保證數(shù)據的時效性。

3）分布數(shù)據儲存功能。

每一個參訓臺都將記錄其訓練過程中的報警數(shù)據及具體操作，訓練臺將記錄所有參訓臺位詳細的訓練內容。所有記錄均可長期儲存，并能便捷查詢。

4.3 訓練評估技術

訓練評估是建立在一系列的評估規(guī)則之上，通過從臺位上收集到的大量信息數(shù)據，如環(huán)境態(tài)勢、指揮決策、協(xié)同效果、操作響應等，進行海量的數(shù)據挖掘、分析，并由中心處理器計算得出一個評估報告，對整個訓練科目及各參訓臺訓練情況做出成績評定。

5 結 語

本文對某艦用安全監(jiān)控系統(tǒng)模擬訓練軟件的功能需求、體系結構和工作流程等進行了研究，分析了模擬訓練軟件與實時監(jiān)控軟件的相互影響，并以此為基礎對模擬訓練軟件進行了開發(fā)。通過解決訓練與實裝互聯(lián)、協(xié)同訓練、訓練評估等關鍵技術，成功研制出嵌入安全監(jiān)控系統(tǒng)的模擬訓練軟件，并通過了相關軟件測試，可進行實船裝備。該系統(tǒng)可提高艦員的訓練質量，為某艦用裝備提供安全保障。