某艦航空保障虛擬仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

歐海英，王云翔，楊茂勝

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

某艦航空保障虛擬仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

歐海英，王云翔，楊茂勝

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

艦面航空保障的人才培養(yǎng)是某艦戰(zhàn)斗力形成的重要一環(huán)。研究如何開(kāi)發(fā)虛擬仿真系統(tǒng)應(yīng)用于某艦艦面航空保障人員教學(xué)訓(xùn)練。通過(guò)分析艦面航空保障工作危險(xiǎn)性大、戰(zhàn)位協(xié)同性高、任務(wù)時(shí)限性強(qiáng)的工作特點(diǎn)，確立了仿真系統(tǒng)研發(fā)要點(diǎn)。研究確定了虛擬漫游、理論學(xué)習(xí)、艦載機(jī)作業(yè)操作演練三大系統(tǒng)功能。確定了C/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和七大系統(tǒng)組成。突破了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)涉及的視景組件封裝、口令訓(xùn)練模擬、人物手勢(shì)動(dòng)作模擬、設(shè)備邏輯仿真、分布式信息同步與實(shí)時(shí)等關(guān)鍵技術(shù)。某艦航空保障虛擬仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)的成功開(kāi)發(fā)驗(yàn)證了技術(shù)可行性、先進(jìn)性和應(yīng)用效果。

航空保障；虛擬仿真訓(xùn)練；系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

0 引言

某艦是我海軍最新發(fā)展的戰(zhàn)略裝備，航空保障系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)某艦功能的核心系統(tǒng)。航空保障人員，對(duì)于艦載機(jī)在某艦上的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常重要，其在某種程度上直接掌握著艦載機(jī)升空與降落、戰(zhàn)斗力形成以及安全保障的“生殺大權(quán)”。因此，航空保障的人才培養(yǎng)是某艦戰(zhàn)斗力形成的重要一環(huán)。

飛行期間航空保障工作具有工作危險(xiǎn)性大、戰(zhàn)位協(xié)同性高、任務(wù)時(shí)限性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用虛擬仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)某艦航空保障虛擬仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)，訓(xùn)練航空保障人員反復(fù)熟悉單戰(zhàn)位的工作內(nèi)容，反復(fù)進(jìn)行多站位的協(xié)同配合，從而建立大腦的重復(fù)性記憶，形成精準(zhǔn)的條件反射，達(dá)到提高上艦后工作安全性、戰(zhàn)位協(xié)同性和工作效率的目的。

虛擬仿真訓(xùn)練是近年來(lái)新興的普及性模擬訓(xùn)練手段，被各國(guó)廣泛應(yīng)用于各軍兵種裝備部隊(duì)的初始和持續(xù)訓(xùn)練中。我國(guó)也開(kāi)展了大量虛擬仿真技術(shù)和應(yīng)用的研究[1-3］。在某艦航空保障虛擬仿真研究方面，系統(tǒng)工程部及704所等工業(yè)部門基于研發(fā)需求，開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的研發(fā)平臺(tái)和原型系統(tǒng)。目前未見(jiàn)國(guó)內(nèi)有針對(duì)某艦航空保障虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的報(bào)道。

本文通過(guò)分析某艦航空保障的工作特點(diǎn)，提煉系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)抓住的研發(fā)要點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，研究具體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)功能和系統(tǒng)組成，研究系統(tǒng)開(kāi)發(fā)涉及的關(guān)鍵技術(shù)。

1 系統(tǒng)研發(fā)要點(diǎn)

開(kāi)發(fā)裝設(shè)備的虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)，首先應(yīng)抓住所應(yīng)用對(duì)象的工作特點(diǎn)，根據(jù)工作特點(diǎn)提煉研發(fā)要點(diǎn)。

1.1 工作特點(diǎn)

某艦航空保障系統(tǒng)涉及的站位多、保障、支援設(shè)備多，操作使用難度較大，為完成一項(xiàng)飛行任務(wù)需要多個(gè)戰(zhàn)位人員的緊密協(xié)同。同時(shí)，任務(wù)的危險(xiǎn)性極大。甲板人員在飛行操作時(shí)非常危險(xiǎn)，他們可能會(huì)被吸入噴射引擎，或遭受引擎排放的廢氣吹入大海。起飛指揮員助理須在全球最危險(xiǎn)的工作場(chǎng)所盡快將飛機(jī)放飛，責(zé)任重大，任何出錯(cuò)可能毀了造價(jià)昂貴的飛機(jī)，更重要的是飛行員的安全。最后，任務(wù)時(shí)限性強(qiáng)。在一定的時(shí)間內(nèi)可能要連續(xù)準(zhǔn)備多架飛機(jī)的起飛和著艦保障，兩架艦載機(jī)的降落時(shí)間可能前后不到1 min。

1.2 研發(fā)要點(diǎn)

根據(jù)對(duì)某艦航空保障工作特點(diǎn)的分析，系統(tǒng)研發(fā)時(shí)首要關(guān)鍵就是抓住航空保障的工作特點(diǎn)。針對(duì)某艦航空保障系統(tǒng)涉及的站位多，保障、支援設(shè)備多的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)時(shí)，需合理劃分子系統(tǒng)封裝粒度，合理使用計(jì)算機(jī)資源；針對(duì)飛行期間航空保障作業(yè)任務(wù)危險(xiǎn)性大的特點(diǎn)，所開(kāi)發(fā)的虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)可用于個(gè)人對(duì)其工作內(nèi)容的反復(fù)熟悉訓(xùn)練和各戰(zhàn)位人員的密切協(xié)同訓(xùn)練，通過(guò)對(duì)工作內(nèi)容的熟悉，提高上艦后工作的安全性；針對(duì)任務(wù)時(shí)限性強(qiáng)的特點(diǎn)，要求仿真系統(tǒng)及時(shí)反應(yīng)，沒(méi)有畫面停頓、交互滯后現(xiàn)象，并提供訓(xùn)練計(jì)時(shí)和分段計(jì)時(shí)功能，以便對(duì)訓(xùn)練過(guò)程和重點(diǎn)環(huán)節(jié)是否滿足所規(guī)定的時(shí)間要求進(jìn)行評(píng)估和改進(jìn)。

其次，信息表現(xiàn)形式要盡可能真實(shí)，包括場(chǎng)景、設(shè)施／設(shè)備、人與設(shè)備、人與人之間的交互等。

最后，所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)界面友好、交互自然，符合受訓(xùn)人員使用習(xí)慣。

綜上所述，研發(fā)航空保障虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)抓住的關(guān)鍵點(diǎn)：粒度適中、高度協(xié)同、及時(shí)反應(yīng)、仿真度高、交互自然。

2 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

根據(jù)研發(fā)要點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的系統(tǒng)功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)組成，最后研究系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

2.1 系統(tǒng)功能

依據(jù)某艦航空保障人員所需掌握的內(nèi)容，確立了三大系統(tǒng)功能。

（1）虛擬漫游功能。某艦艙室結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，提供虛擬漫游功能，用于艦員提前熟悉航空保障作業(yè)環(huán)境。

（2）理論教學(xué)功能。系統(tǒng)提供對(duì)航空保障裝備多媒體學(xué)習(xí)課件供學(xué)員學(xué)習(xí)，滿足受訓(xùn)者對(duì)裝設(shè)備的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、操作流程、維護(hù)保養(yǎng)等理論知識(shí)的學(xué)習(xí)；系統(tǒng)還可以提供部分主要裝備組成的拆裝演示。通過(guò)理論學(xué)習(xí)，有助于學(xué)員更好地掌握設(shè)備的操作使用和維護(hù)技能。

（3）艦載機(jī)作業(yè)操作演練功能。系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)建某艦航空保障裝備模型及相應(yīng)操作面板，利用各操作面板及口令、手勢(shì)等媒介，航空保障部門各戰(zhàn)位人員多人協(xié)作配合，可模擬演練艦載機(jī)從出庫(kù)、轉(zhuǎn)運(yùn)、放飛到回收、轉(zhuǎn)運(yùn)、入庫(kù)保障的全過(guò)程，以使各戰(zhàn)位的指揮人員和技術(shù)保障人員熟練掌握整個(gè)保障流程。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

前面提到某艦航空保障系統(tǒng)涉及的站位多、保障、支援設(shè)備多的特點(diǎn)，因此，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需合理劃分子系統(tǒng)封裝粒度，合理使用計(jì)算機(jī)資源。子系統(tǒng)封裝有兩種方案。一種是按操作面板和設(shè)備進(jìn)行封裝，第二種是按戰(zhàn)位進(jìn)行封裝。按操作面板進(jìn)行封裝，看似可重用性很強(qiáng)，只要面板不改或小改，即可重用。然而一艘某艦的航空保障系統(tǒng)有上百塊操作面板，這樣的劃分將使分系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互顯得特別復(fù)雜，系統(tǒng)很零碎，也不好維護(hù)管理。第二種按戰(zhàn)位進(jìn)行封裝。每艘某艦航空保障系統(tǒng)包含的基本戰(zhàn)位都是一致的，如止動(dòng)裝置、噴氣偏流板、阻攔裝置等的控制戰(zhàn)位。一艘某艦的航空保障系統(tǒng)包含戰(zhàn)位數(shù)十個(gè)，這樣按戰(zhàn)位封裝成組件，子系統(tǒng)的可重用性強(qiáng)，子系統(tǒng)之間交互也可控。

系統(tǒng)采用Client／Sever結(jié)構(gòu)，視景仿真顯示放在客戶端，邏輯仿真計(jì)算放在服務(wù)器端。服務(wù)器端Server與客戶端Client交互通過(guò)TCP和UDP進(jìn)行，所有交互命令通過(guò)命令號(hào)ComID和命令值ComValue來(lái)傳輸。這種方式可充分利用各客戶端計(jì)算機(jī)資源，又通過(guò)服務(wù)器端統(tǒng)一解算保證各客戶端顯示的同步性。

2.3 系統(tǒng)組成

在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，需研究系統(tǒng)組成，即系統(tǒng)內(nèi)部的具體內(nèi)容。航空保障虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)包括七大子系統(tǒng)：教員控制臺(tái)、理論教學(xué)子系統(tǒng)以及五大訓(xùn)練子系統(tǒng)（如調(diào)運(yùn)訓(xùn)練子系統(tǒng)、起降訓(xùn)練子系統(tǒng)等）。教員控制臺(tái)用于教員和技術(shù)保障人員控制整個(gè)虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的運(yùn)行，包括系統(tǒng)總流程仿真和系統(tǒng)控制管理服務(wù)。系統(tǒng)總流程仿真包括五大訓(xùn)練子系統(tǒng)的設(shè)備操作邏輯和艦載機(jī)出庫(kù)、轉(zhuǎn)運(yùn)、機(jī)務(wù)準(zhǔn)備、放飛、回收、入庫(kù)等全仿真流程。五大訓(xùn)練子系統(tǒng)均與教員控制臺(tái)通過(guò)以太網(wǎng)連接，在各戰(zhàn)位密切協(xié)作配合下，完成保障流程的協(xié)同演練。通過(guò)教員控制臺(tái)的設(shè)置，全系統(tǒng)既可單人操作，也可多人協(xié)同操作。單人操作時(shí)只能練習(xí)本戰(zhàn)位設(shè)備的操作動(dòng)作、檢查方法；多人協(xié)同操作完成一次保障流程的全程演練。理論教學(xué)子系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，主要包括理論學(xué)習(xí)、工作原理、設(shè)備拆裝、故障檢測(cè)四個(gè)組成部分。主要采用基于瘦客戶端/服務(wù)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，便于在本機(jī)運(yùn)行和分布式服務(wù)器方式運(yùn)行，適合教室和訓(xùn)練室的學(xué)習(xí)，也適合單機(jī)便攜隨身式學(xué)習(xí)。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

研發(fā)某艦航空保障虛擬仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括視景組件封裝技術(shù)、口令訓(xùn)練／聲音模擬技術(shù)、人物手勢(shì)動(dòng)作模擬技術(shù)、設(shè)備邏輯仿真技術(shù)、分布式信息同步與實(shí)時(shí)技術(shù)等。

視景系統(tǒng)為受訓(xùn)人員提供虛擬的某艦環(huán)境、操作時(shí)艦面設(shè)備的變化和真實(shí)世界的天空和海洋景象。視景系統(tǒng)的圖形生成和顯示質(zhì)量直接影響訓(xùn)練的效果。系統(tǒng)采用Vega Prime（簡(jiǎn)稱VP）平臺(tái)作為視景開(kāi)發(fā)的技術(shù)平臺(tái)，并采用基于COM機(jī)制的組件，封裝VP軟件。這種方式突破VP平臺(tái)具體的編譯環(huán)境和編程語(yǔ)言，大大降低了編程難度。應(yīng)用程序、視景組件和視景仿真軟件SDK之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 COM組件、VP SDK與應(yīng)用程序之間的關(guān)系

在艦面航空保障過(guò)程中，口令是飛行員、塔臺(tái)指揮員、著艦指揮官等戰(zhàn)位間交互的重要方式之一，他們通過(guò)廣播、無(wú)線電通信、語(yǔ)音電話或語(yǔ)音命令等進(jìn)行信息交流。在艦面航空保障訓(xùn)練中，規(guī)范化的口令訓(xùn)練是必不可少的一部分。另外，環(huán)境中的海浪聲，設(shè)備操作聲，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、加力等聲音、飛機(jī)滑行、掛索等聲音的模擬也是增強(qiáng)受訓(xùn)者身臨其境感受的重要組成部分。采用數(shù)字音響合成技術(shù)，通過(guò)錄制不同角色的語(yǔ)音命令和各種環(huán)境音，經(jīng)過(guò)音效軟件的各種技術(shù)加工處理，轉(zhuǎn)換成高保真波形數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，形成音源庫(kù)。用DirectSound編程技術(shù)，編制聲音組件，鑲嵌于主控程序之中加以控制。每次啟動(dòng)程序之前，將存儲(chǔ)在硬盤上的音源文件讀入內(nèi)存，根據(jù)主控程序的命令和音量播放，既可以是循環(huán)的或不循環(huán)的單獨(dú)使用，也能有序的連接起來(lái)順序使用，保證了連接處的平滑無(wú)跳躍感覺(jué)。同時(shí)響應(yīng)速度極快，完全達(dá)到了與主控解算的同步，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真。

在艦面航空保障指揮流程中，各戰(zhàn)位人員的交互很多通過(guò)人物的手勢(shì)進(jìn)行。譬如甲板引導(dǎo)員引導(dǎo)飛機(jī)在甲板上按預(yù)定路線運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，甲板引導(dǎo)員、飛行員、系留員等之間的信息交流是通過(guò)固定手勢(shì)完成的，包括指揮系留員解除系留、去除輪檔，引導(dǎo)飛行員駕駛飛機(jī)向前滑行、剎車、停止等。艦面航空保障人員必須熟悉如何打手勢(shì)，打手勢(shì)的時(shí)機(jī)，以及收到手勢(shì)指令后如何及時(shí)做出正確的反應(yīng)。映射到艦面航空保障虛擬仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，就體現(xiàn)為對(duì)人物手勢(shì)進(jìn)行正確的模擬，同時(shí)在程序化的保障流程中按正確的步驟實(shí)施和反應(yīng)。人物手勢(shì)的模擬，采用creator軟件制作人物動(dòng)作手勢(shì)動(dòng)畫，并在程序化保障流程中通過(guò)VP組件進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載的方法實(shí)現(xiàn)了某艦艦載機(jī)起降保障中各航空保障人員的手勢(shì)動(dòng)作的逼真模擬，取得了滿意的模擬效果。手勢(shì)模擬效果如圖2所示。

設(shè)備邏輯仿真技術(shù)主要完成設(shè)備的輸入輸出仿真和設(shè)備之間的交聯(lián)仿真（包括故障邏輯現(xiàn)象的仿真），如各種操控面板的使用邏輯和它們之間信號(hào)的傳遞關(guān)系等。仿真邏輯的編寫涉及到很強(qiáng)的專業(yè)使用維護(hù)知識(shí)。一般的邏輯解算的分析與設(shè)計(jì)過(guò)程如下：由專業(yè)人員描述一個(gè)系統(tǒng)的物理操作過(guò)程，并寫成物理過(guò)程描述腳本。系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)人員經(jīng)過(guò)閱讀專業(yè)物理過(guò)程，提煉出涉及到的設(shè)備輸入輸出之間的數(shù)據(jù)、時(shí)間、邏輯關(guān)系，描述成一個(gè)概念類。輸入包括直接的使用操作輸入、交連數(shù)據(jù)輸入和故障信息輸入。輸出則包括設(shè)備正常的數(shù)據(jù)顯示和故障數(shù)據(jù)顯示。在設(shè)備輸入輸出清楚的前提下，設(shè)計(jì)出設(shè)備概要類，然后細(xì)化為設(shè)備類的詳細(xì)設(shè)計(jì)文檔。最后，由程序員實(shí)現(xiàn)設(shè)備類的代碼。設(shè)備邏輯仿真的設(shè)計(jì)過(guò)程如圖3所示。

某艦航空保障系統(tǒng)的任務(wù)時(shí)限性強(qiáng)，在一定時(shí)間內(nèi)要保障多架艦載機(jī)的連續(xù)起飛和著艦。因此，該系統(tǒng)要求有較高的實(shí)時(shí)性，各戰(zhàn)位之間的操作交互必須及時(shí)、準(zhǔn)確。這是一個(gè)典型的分布交互式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，其中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是該系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，是各組成部分聯(lián)系的橋梁和紐帶。同時(shí)由于該系統(tǒng)涉及的戰(zhàn)位多，設(shè)備多，因此將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)交互，要解決數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、同步性和?shí)時(shí)性問(wèn)題。

在現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下總線數(shù)據(jù)傳輸方式在系統(tǒng)中分兩種形式。

（1）人機(jī)交互輸出中主控元件（如開(kāi)關(guān)、按鈕等）通過(guò)Windows窗口的消息傳輸，經(jīng)過(guò)TCP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒庋b類中，存儲(chǔ)設(shè)備狀態(tài)，減少網(wǎng)絡(luò)帶寬占用率，并保證主控元件數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

（2）其他設(shè)備的輸出結(jié)構(gòu)以UDP方式作為輸入數(shù)據(jù)，輸入到封裝類中進(jìn)行計(jì)算。系統(tǒng)中被控設(shè)備計(jì)算結(jié)果（如顯示設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)）和主控元件狀態(tài)通過(guò)定義良好的結(jié)構(gòu)，以結(jié)構(gòu)方式反饋到主邏輯、主框架。主框架通過(guò)UDP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送，輸入虛擬設(shè)備操作面板后進(jìn)行解析。保證了狀態(tài)的同步和設(shè)備系統(tǒng)的封裝性。但要注意輸出的狀態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)定義盡可能優(yōu)化，建議使用short型數(shù)據(jù)（int、double盡可能不用），避免網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量過(guò)大。

圖2 手勢(shì)模擬效果

圖3 設(shè)備邏輯仿真的設(shè)計(jì)過(guò)程

3 結(jié)論

通過(guò)分析某艦航空保障工作的特點(diǎn)，確立了艦面航空保障虛擬仿真系統(tǒng)的研發(fā)要點(diǎn)，研究了系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)、組成及實(shí)現(xiàn)技術(shù)。某艦航空保障虛擬仿真教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)可用于某艦航保人員的理論教學(xué)培訓(xùn)、初始訓(xùn)練，以及部隊(duì)的日常訓(xùn)練學(xué)習(xí)和技能保持練習(xí)，對(duì)某艦戰(zhàn)斗力生成有促進(jìn)作用。

［1］歐海英,于輝.基于HLA和組件技術(shù)的仿真訓(xùn)練系統(tǒng)擴(kuò)展[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，（11）.

［2］李向陽(yáng)，張志利，黃先祥，等.大型武器裝備故障診斷訓(xùn)練系統(tǒng)仿真開(kāi)發(fā)研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，（21）.

［3］韓志軍，孫少斌，陳璐，等.某新型坦克綜合設(shè)計(jì)訓(xùn)練仿真系統(tǒng)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，（11）.

〔編輯 凌瑞〕

E953

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.53