動(dòng)力裝置虛擬協(xié)同訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

謝宜，高文杰，翦華軍，謝繼樂(lè)

(1. 海軍潛艇學(xué)院，山東 青島 266199；2. 中國(guó)人民解放軍91999部隊(duì)，山東 青島 266011；3. 中國(guó)人民解放軍92858部隊(duì)，浙江 寧波 315812)

0 引 言

模擬器一般分為虛擬仿真訓(xùn)練模擬系統(tǒng)和半實(shí)裝仿真訓(xùn)練模擬系統(tǒng)。前者用軟件模擬實(shí)裝，學(xué)員通過(guò)鍵盤鼠標(biāo)等工具操作電腦中的虛擬設(shè)備進(jìn)行訓(xùn)練，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備無(wú)磨損、個(gè)別設(shè)備升級(jí)換代后易于修改[1]；后者通過(guò)模擬實(shí)裝的外形、計(jì)算機(jī)模擬裝設(shè)備之間的邏輯關(guān)系，達(dá)到學(xué)員近似操作實(shí)裝的效果，缺點(diǎn)是設(shè)備有磨損、開(kāi)發(fā)成本高[2-3]。在設(shè)計(jì)虛擬仿真訓(xùn)練模擬系統(tǒng)時(shí)，主要通過(guò)CAD技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)[4-6]。

針對(duì)某型動(dòng)力裝置人員實(shí)裝訓(xùn)練時(shí)裝備損耗大且存在較大安全隱患等問(wèn)題，本文以該系統(tǒng)為仿真對(duì)象，以SimuWorks仿真平臺(tái)為基礎(chǔ)，采用SimuMMI進(jìn)行二維人機(jī)交互界面的開(kāi)發(fā)，通過(guò)圖片和動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)閥門、管路、儀表等設(shè)備的動(dòng)態(tài)邏輯實(shí)時(shí)交互功能；通過(guò)多流程的仿真設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)人員多崗位、全系統(tǒng)、多工況的虛擬協(xié)同訓(xùn)練模式。

1 總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)某型系統(tǒng)操作訓(xùn)練的崗位需求，系統(tǒng)采用多層結(jié)構(gòu)體系框架，主要包括任務(wù)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層和考評(píng)層，如圖1所示。

圖 1 總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1General structure

其中任務(wù)層主要由教練員下達(dá)訓(xùn)練科目及訓(xùn)練模式。平臺(tái)層由多臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，是人機(jī)交互終端，相互之間可以實(shí)現(xiàn)即時(shí)通信。應(yīng)用層是虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的核心，學(xué)員可以在此選擇學(xué)習(xí)模塊。考評(píng)層完成訓(xùn)練任務(wù)考核功能，并將訓(xùn)練成績(jī)反饋到任務(wù)層，教練員可根據(jù)學(xué)員訓(xùn)練成績(jī)定制訓(xùn)練任務(wù)，開(kāi)展有針對(duì)性的補(bǔ)差訓(xùn)練。

2 硬件組成

虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)硬件主要由教練監(jiān)控系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、學(xué)員客戶端和配電網(wǎng)絡(luò)組成，如圖2所示。

圖 2 系統(tǒng)組成圖Fig. 2System composition diagram

教練監(jiān)控系統(tǒng)主要是對(duì)學(xué)員訓(xùn)練過(guò)程、訓(xùn)練科目、訓(xùn)練流程進(jìn)行管理與評(píng)估。其中系統(tǒng)仿真平臺(tái)是整個(gè)仿真系統(tǒng)的核心單元，負(fù)責(zé)某型系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將計(jì)算出的仿真數(shù)據(jù)傳輸至其他學(xué)員客戶端，完成仿真系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)更新。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供各平臺(tái)之間通信。學(xué)員客戶端是設(shè)備操作訓(xùn)練終端，根據(jù)訓(xùn)練需要，可開(kāi)展單崗位的操作訓(xùn)練，也可根據(jù)某型系統(tǒng)各崗位為要素組成多崗位訓(xùn)練。為了保證設(shè)備供電安全，本系統(tǒng)設(shè)立獨(dú)立的配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行供電。

3 軟件組成

虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的軟件主要由仿真支撐平臺(tái)、通信軟件、教控臺(tái)軟件、系統(tǒng)設(shè)備仿真軟件、環(huán)境聲響模擬軟件等組成，如圖3所示。

圖 3 軟件結(jié)構(gòu)圖Fig. 3Software structure diagram

整個(gè)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)以SimuWorks仿真支撐平臺(tái)。該平臺(tái)由仿真引擎SimuEngine、圖形化自動(dòng)建模軟件SimuBuilder、模塊資源管理器SimuManager、人機(jī)界面軟件SimuMMI和模塊庫(kù)SimuLib五部分組成。其中仿真引擎SimuEngine提供實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)及完整的仿真運(yùn)行支撐功能，結(jié)合圖形化建模工具SimuBuilder，形成圖形化的建模環(huán)境，為仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和運(yùn)行提供支持。SimuBuilder為圖形化自動(dòng)建模系統(tǒng)，采用面向?qū)ο蟮哪K化建模方法，支持系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)、模型建立、運(yùn)行以及調(diào)試等各個(gè)階段。SimuBuilder提供通用算法和成熟的模塊（模塊庫(kù)SimuLib）。在系統(tǒng)已提供大量模塊庫(kù)的基礎(chǔ)上，利用系統(tǒng)提供的模塊資源管理器SimuManager，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池、閥門等特殊模型庫(kù)進(jìn)行修改和擴(kuò)充，以符合實(shí)際需求。仿真實(shí)時(shí)圖形系統(tǒng)SimuMMI是面向仿真領(lǐng)域的二維人機(jī)界面軟件。該軟件不僅有完善的繪圖功能，而且具有圖形的動(dòng)態(tài)定義和顯示功能。在設(shè)計(jì)某型動(dòng)力系統(tǒng)虛擬設(shè)備時(shí)，利用SimuMMI的動(dòng)態(tài)功能將編輯的圖形與仿真的動(dòng)態(tài)模型數(shù)據(jù)相聯(lián)系，成為一個(gè)人機(jī)操作界面的重要工具。

教控軟件負(fù)責(zé)整個(gè)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的組織、控制、調(diào)度，主要分為教控與管理兩大模塊。教控模塊包括虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)教控臺(tái)教控軟件和計(jì)算機(jī)初始化教控軟件兩部分。前者用于某型系統(tǒng)單崗位訓(xùn)練流程、多崗位訓(xùn)練流程、以及全系統(tǒng)訓(xùn)練流程的教控與管理。后者實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程啟動(dòng)/關(guān)閉仿真引擎SimuEngine、遠(yuǎn)程啟動(dòng)/關(guān)閉虛擬訓(xùn)練終端人機(jī)界面任務(wù)程序等功能。管理模塊主要包括訓(xùn)練檔案管理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、任務(wù)的加載等。

在模擬系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中進(jìn)行設(shè)備噪聲環(huán)境模擬必不可少。設(shè)備運(yùn)行環(huán)境聲響模擬軟件主要營(yíng)造真實(shí)訓(xùn)練環(huán)境，包括設(shè)備運(yùn)行噪聲和艙室鈴聲，使訓(xùn)練人員有身臨其境的感覺(jué)。該系統(tǒng)采用某型系統(tǒng)實(shí)裝環(huán)境聲音，通過(guò)采樣進(jìn)行數(shù)字化存儲(chǔ)和處理，嵌入到SimuEngine中，播放時(shí)機(jī)根據(jù)實(shí)際設(shè)備運(yùn)行情況設(shè)定，音頻文件采用WAVE格式。

4 虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 數(shù)學(xué)模型仿真程序

為了降低建模的復(fù)雜性，提高模型的可移植性，采用模塊化的建模方法將該型動(dòng)力裝置按照系統(tǒng)組成分成基本設(shè)備和部件進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，如圖4所示。

圖 4 系統(tǒng)分層模塊圖Fig. 4System hierarchical module diagram

各個(gè)設(shè)備模型在模塊資源管理器SimuManager中建立，通過(guò)SimuBuilder進(jìn)行系統(tǒng)建模。系統(tǒng)仿真服務(wù)器可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)數(shù)學(xué)模型程序，并使之自動(dòng)保持同步。仿真引擎SimuEngine軟件最小仿真步長(zhǎng)為10 ms，數(shù)據(jù)刷新時(shí)間步為50 ms，可滿足該型艇某型系統(tǒng)仿真的要求。

設(shè)備的數(shù)學(xué)模型是整個(gè)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的核心，要求真實(shí)、準(zhǔn)確。在虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)實(shí)裝原始數(shù)據(jù)預(yù)處理后采用樣條插值等方法進(jìn)行擬合運(yùn)算形成初步數(shù)學(xué)模型，再對(duì)其進(jìn)行數(shù)字仿真，根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行修正，得到最后的仿真模型。以該型動(dòng)力裝置發(fā)動(dòng)機(jī)為例，主要計(jì)算運(yùn)行過(guò)程中機(jī)組功率、轉(zhuǎn)速，耗氧率、耗油率、水溫、機(jī)油溫度、燃燒室溫度、排氣量以及工質(zhì)壓力等參數(shù)的實(shí)時(shí)變化情況。

由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，接受的控制指令僅為功率檔位設(shè)定和起停操作，其它輸入輸出參數(shù)在控制系統(tǒng)下自動(dòng)調(diào)整。因此，本文只對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率控制過(guò)程進(jìn)行仿真，仿真模型如圖5所示。

在仿真模型中，結(jié)合實(shí)裝穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率和油量的擬合關(guān)系為：

圖 5 功率調(diào)整仿真模型框圖Fig. 5Power regulation simulation model diagram

供氧閥的調(diào)節(jié)特性采用簡(jiǎn)單的線性調(diào)節(jié)，穩(wěn)態(tài)工況下供氧量與供油量的比例系數(shù)常數(shù)為，值根據(jù)機(jī)組額定功率下，機(jī)組耗氧率與耗油率的比值推算，即

4.2 人機(jī)交互界面程序

人機(jī)交互界面是仿真操作、數(shù)據(jù)顯示的主要載體，為保證人機(jī)交互界面的專業(yè)性及準(zhǔn)確性，界面的設(shè)計(jì)與實(shí)際裝備一致。界面的開(kāi)發(fā)主要在3ds Max 中繪制。完成底圖繪制后，通過(guò)SimuMMI軟件實(shí)現(xiàn)閥門、管路、儀表等設(shè)備的動(dòng)態(tài)邏輯實(shí)時(shí)交互功能。

4.3 網(wǎng)絡(luò)通信程序

在虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，各終端之間的網(wǎng)絡(luò)通信采用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。虛擬終端計(jì)算機(jī)安裝SimuEngine客戶端。在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中為每臺(tái)虛擬終端計(jì)算機(jī)設(shè)定一個(gè)控制字，每臺(tái)虛擬終端計(jì)算機(jī)都定時(shí)通過(guò)SimuEngine客戶端軟件獲取服務(wù)器上控制字的值，控制字的值不同則虛擬終端軟件所處狀態(tài)不同。

當(dāng)虛擬終端軟件處于“操作”狀態(tài)時(shí)，虛擬終端軟件定時(shí)通過(guò)SimuEngine客戶端獲取服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)的當(dāng)前值，根據(jù)當(dāng)前值將虛擬終端軟件界面上的指示、顯示類元件置為相應(yīng)的狀態(tài)。同時(shí)，虛擬終端軟件實(shí)時(shí)采集鼠標(biāo)動(dòng)作，根據(jù)鼠標(biāo)在不同元件上的不同動(dòng)作將相應(yīng)的值通過(guò)SimuEngine客戶端寫入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，供模型計(jì)算。

當(dāng)虛擬終端軟件處于“跟隨”狀態(tài)時(shí)，虛擬終端軟件定時(shí)通過(guò)SimuEngine客戶端獲取服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)數(shù)據(jù)的當(dāng)前值，根據(jù)值將虛擬終端軟件界面上的指示、顯示類元件置為相應(yīng)的狀態(tài)。

當(dāng)虛擬終端軟件處于“禁操”狀態(tài)時(shí)，虛擬終端軟件不從服務(wù)器獲取有效數(shù)據(jù)，也不向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)仿真平臺(tái)提供仿真數(shù)據(jù)庫(kù)管理功能，一方面將系統(tǒng)設(shè)備仿真軟件中的所有變量、常量進(jìn)行管理，另一方面將整個(gè)系統(tǒng)（包括教控軟件、系統(tǒng)設(shè)備仿真軟件、環(huán)境聲響模擬軟件等）中的命令字進(jìn)行管理，保證系統(tǒng)各個(gè)部件之間的命令傳輸以及狀態(tài)的一致。虛擬協(xié)同訓(xùn)練系統(tǒng)具有以下數(shù)據(jù)庫(kù)：

1）故障數(shù)據(jù)庫(kù)

在訓(xùn)練過(guò)程中，結(jié)合模擬對(duì)象的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行故障設(shè)置。故障數(shù)據(jù)變量嵌套在系統(tǒng)設(shè)備仿真軟件中，仿真支撐平臺(tái)提供同實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)聯(lián)的故障數(shù)據(jù)庫(kù)，教練員通過(guò)管理故障組、故障頁(yè)，設(shè)置故障程度、設(shè)置故障延遲時(shí)間等方式使用故障數(shù)據(jù)庫(kù)。故障數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)相關(guān)聯(lián)，教練員通過(guò)設(shè)置故障，可直接操作模型中的數(shù)據(jù)。

2）評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)

評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)變量嵌套在系統(tǒng)設(shè)備仿真軟件中，由教練員通過(guò)教控臺(tái)軟件進(jìn)行管理，系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)累積評(píng)估。

3）訓(xùn)練工況數(shù)據(jù)庫(kù)

訓(xùn)練工況數(shù)據(jù)庫(kù)由教控臺(tái)教控軟件通過(guò)仿真支撐平臺(tái)的接口函數(shù)以文本形式（后綴名為.blk）進(jìn)行保存或加載管理。

4）訓(xùn)練流程數(shù)據(jù)庫(kù)

訓(xùn)練流程數(shù)據(jù)庫(kù)由仿真支撐平臺(tái)自動(dòng)管理，教控臺(tái)軟件通過(guò)仿真支撐平臺(tái)的接口函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。

4.5 訓(xùn)練模式設(shè)計(jì)

1）崗位設(shè)計(jì)

該型動(dòng)力裝置所含設(shè)備較多，根據(jù)裝備屬性分成多個(gè)子系統(tǒng)。每個(gè)系統(tǒng)設(shè)定一定數(shù)量的崗位，人員負(fù)責(zé)操作每個(gè)崗位上的具體設(shè)備。如圖6所示。

圖 6 崗位設(shè)計(jì)Fig. 6Post design

2）流程設(shè)計(jì)

為了解決不同人員訓(xùn)練需求，訓(xùn)練模式采用多流程設(shè)計(jì)方法，受訓(xùn)人員可根據(jù)需要選擇單個(gè)系統(tǒng)或多個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，也可選擇某一個(gè)崗位或多個(gè)崗位操作相應(yīng)設(shè)備。如果涉及多個(gè)崗位則需要多個(gè)人員協(xié)同配合。整個(gè)流程的設(shè)計(jì)思路如圖7所示。

圖 7 訓(xùn)練流程設(shè)計(jì)Fig. 7Training flow chart

5 結(jié) 語(yǔ)

本文以某型動(dòng)力裝置為仿真對(duì)象，基于SimuWorks仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)了虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。采用SimuMMI進(jìn)行二維人機(jī)交互界面的開(kāi)發(fā)，通過(guò)圖片和動(dòng)畫實(shí)現(xiàn)閥門、管路、儀表等設(shè)備的動(dòng)態(tài)邏輯實(shí)時(shí)交互功能；通過(guò)多流程的仿真設(shè)計(jì)模式實(shí)現(xiàn)人員多崗位、全系統(tǒng)、多工況的訓(xùn)練模式。試用表明，該系統(tǒng)與實(shí)際裝備具有高度相似性，能夠?qū)崟r(shí)仿真某型系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，可滿足多人多崗位協(xié)同訓(xùn)練要求。