面向操作的裝備虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)機(jī)理建模方法

賈晨星，朱元昌，邸彥強(qiáng)

（軍械工程學(xué)院 光學(xué)與電子工程系，河北 石家莊050003）

0 引 言

新型軍械裝備面臨著訓(xùn)練成本高，受空間、氣候、人員保障等因素制約等問題，基于實(shí)裝的傳統(tǒng)方法難以滿足教學(xué)訓(xùn)練的要求［1］。在應(yīng)用需求和支撐技術(shù)的推動(dòng)下，能實(shí)現(xiàn)裝備 “全任務(wù)”［2］訓(xùn)練的裝備虛擬訓(xùn)練系統(tǒng) （EVTS）［3］成為新一代教學(xué)訓(xùn)練模式。

裝備虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)為使用戶感覺到 “真實(shí)感”，需要解決兩個(gè) “像不像”的問題：①虛擬裝備與實(shí)裝的外觀 “像不像”；②能否像操作實(shí)裝那樣操作虛擬裝備，即工作原理“像不像”。機(jī)理模型［4］是對(duì)裝備工作特性和行為的相似描述，是解決第二個(gè)問題的關(guān)鍵。基于視景仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)和人機(jī)交互等技術(shù)的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)［5－7］雖然可以使用戶體會(huì)到身臨其境的沉浸感，但若脫離了機(jī)理模型，再真實(shí)的虛擬裝備都是孤寂的，沒有生命的。可見，機(jī)理模型是裝備虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的重要組成，不可或缺。

現(xiàn)有裝備虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中存在機(jī)理模型與外觀模型邊界不明確，緊密耦合的問題。另外，國內(nèi)對(duì)裝備操作虛擬訓(xùn)練的機(jī)理建模方法的研究［8－9］，大多針對(duì)具體仿真任務(wù)，只停留在應(yīng)用技術(shù)層面，缺乏深入的理論研究。本文對(duì)裝備仿真模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，介紹了一種面向操作的裝備機(jī)理建模方法及其實(shí)現(xiàn)工具。

1 裝備仿真模型結(jié)構(gòu)

仿真依據(jù)的是相似性原理［10］。根據(jù)相似性原理，裝備仿真模型的表現(xiàn)可分為幾何相似和數(shù)學(xué)相似。幾何相似指形狀、比例的相似，如飛機(jī)模型；數(shù)學(xué)相似根據(jù)數(shù)學(xué)表達(dá)式內(nèi)涵可進(jìn)一步劃分為特征相似和邏輯相似。前者是對(duì)象特征數(shù)據(jù)方程或參數(shù)含義的相似，后者是對(duì)獲取的信息進(jìn)行分析、歸納、綜合、判定、決策直至操作控制方式的相似。因此從特征上，我們可以將裝備仿真模型分為外觀模型和機(jī)理模型，如圖1所示。外觀模型是裝備視覺特征的直接映射，機(jī)理模型是對(duì)裝備動(dòng)力、機(jī)械、電氣等方面工作原理的近似描述［11］。

圖1 緊耦合式仿真模型結(jié)構(gòu)

如圖1所示，虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)將訓(xùn)練人員的動(dòng)作采集、信息解釋、數(shù)據(jù)處理，以及虛擬裝備的響應(yīng)、顯示等，這樣一個(gè)流程集中在一個(gè)模型里完成，造成機(jī)理模型與外觀模型的緊密耦合，給兩類模型的維護(hù)、擴(kuò)展和重用帶來極大的不便。松耦合式仿真模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，外觀模型中只包含虛擬裝備的基本動(dòng)作行為，機(jī)理模型則控制裝備內(nèi)各部件間的工作邏輯和部件響應(yīng)。兩類模型通過消息機(jī)制［12－13］相互作用。外觀模型將采集到的操作轉(zhuǎn)化為消息，傳遞給機(jī)理模型。機(jī)理模型在數(shù)據(jù)處理后返回仿真數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)外觀模型。

這種外觀模型與機(jī)理模型獨(dú)立開發(fā)的模式，降低了模型開發(fā)的難度。開發(fā)人員可以根據(jù)裝備仿真任務(wù)的不同，在外觀模型一定的情況下可實(shí)現(xiàn)多種機(jī)理控制，對(duì)外觀模型和機(jī)理模型實(shí)現(xiàn)了重用。

圖2 松耦合式仿真模型結(jié)構(gòu)

2 面向操作的裝備機(jī)理建模

2.1 面向操作的裝備虛擬訓(xùn)練概述

面向操作的裝備虛擬訓(xùn)練，也叫裝備操作虛擬訓(xùn)練，是指以培訓(xùn)裝備使用者掌握裝備操作流程為仿真任務(wù)的虛擬操作仿真。虛擬操作仿真是實(shí)際操作過程在虛擬環(huán)境下的再現(xiàn)或預(yù)演，將真實(shí)反映與描述裝備、操作人員和維修、檢測(cè)工具之間所發(fā)生的各種行為和經(jīng)歷的各種狀態(tài)。裝備操作過程實(shí)際上是 “人－虛擬裝備－工具/設(shè)備”三者之間發(fā)生交互作用的過程，其中人是主體，虛擬裝備和工具是客體。作為主體，人將支配和驅(qū)動(dòng)虛擬裝備部件與檢測(cè)、維修工具的運(yùn)動(dòng)。虛擬裝備和工具作為客體，對(duì)人的行為具有一定的約束，亦即人的行為必須服從于裝備結(jié)構(gòu)、裝配特點(diǎn)以及工具使用特點(diǎn)所產(chǎn)生的客觀約束條件。

不論是裝備的戰(zhàn)斗操作還是檢測(cè)維修操作，都具有過程邏輯性。所謂過程邏輯性，是指裝備的使用操作嚴(yán)格遵守先后順序，錯(cuò)誤操作將導(dǎo)致裝備損壞。為延長裝備的使用壽命，發(fā)揮最佳的作戰(zhàn)效能，操作過程是固定的。這種固定的操作過程就是對(duì)主體的客觀約束條件，也是虛擬操作訓(xùn)練的研究重點(diǎn)。面向操作的機(jī)理建模的目的就是根據(jù)相似性原理，建立裝備操作過程的抽象表述。

2.2 面向操作的機(jī)理建模方法

在裝備固定的操作過程中，每進(jìn)行一步操作，裝備的工作狀態(tài)都會(huì)發(fā)生變化。因此，對(duì)應(yīng)操作步驟集合，可將裝備的工作過程劃分為可數(shù)的工作狀態(tài)，把操作事件作為引起工作狀態(tài)改變的原因。

隨著不同操作事件的發(fā)生，裝備工作狀態(tài)間斷的發(fā)生變化，呈現(xiàn)出離散事件動(dòng)態(tài)特性；另一方面，裝備內(nèi)部的一些狀態(tài)變量，表現(xiàn)為隨著時(shí)間變化而連續(xù)變化，體現(xiàn)出連續(xù)時(shí)間動(dòng)態(tài)系統(tǒng)特征。由此可見，裝備的工作狀態(tài)表現(xiàn)為離散控制與系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行的相互作用，即具有混雜性。

狀態(tài)圖 （Statecharts）［14－15］是 David Harel于 1987年 提出的一種可視化建模語言，針對(duì)傳統(tǒng)有限狀態(tài)機(jī)的不足，增加了層次、并發(fā)、廣播通訊等概念，適用于大型復(fù)雜裝備系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)操作過程建模。本文基于狀態(tài)圖理論，采用將系統(tǒng)連續(xù)變量的描述嵌入到描述離散事件的符號(hào)系統(tǒng)中的思想，提出了一種針對(duì)混雜系統(tǒng)的可視化建模方法，本質(zhì)在于描述裝備操作過程中不同工作狀態(tài)下可進(jìn)行的操作。

機(jī)理模型中包含4個(gè)建模元素 〈S，L，T，J〉：S是最基本的建模單元——工作狀態(tài)；L是工作狀態(tài)遷移標(biāo)簽；T是工作狀態(tài)遷移；J是工作狀態(tài)節(jié)點(diǎn)，包括分支節(jié)點(diǎn)和歷史節(jié)點(diǎn)。

工作狀態(tài)S包括 〈q，x，f，Inv，as，λ，φ〉7個(gè)元素。q和x分別代表工作狀態(tài)中的離散變量和連續(xù)變量；f是工作狀態(tài)中連續(xù)變量的演化規(guī)則；Inv是工作狀態(tài)中連續(xù)變量的不變集。當(dāng)系統(tǒng)處于某個(gè)工作狀態(tài)Si，若其連續(xù)變量xi保持在相應(yīng)的不變集Inv（Si）內(nèi)部，即xi∈Inv（Si）時(shí)，連續(xù)變量xi按照相應(yīng)演化規(guī)則fi進(jìn)行演化。如果連續(xù)變量超出不變集Inv（Si），則將發(fā)生工作狀態(tài)遷移；as是工作狀態(tài)內(nèi)部的動(dòng)作，包括進(jìn)入動(dòng)作Entry、保持動(dòng)作During、退出動(dòng)作Exit；λ是層次函數(shù)，定義狀態(tài)及其子狀態(tài)的關(guān)系；φ是工作狀態(tài)的類型，分別為 ｛BASIC，OR，AND｝。若某工作狀態(tài)Si中有子狀態(tài)，即λ（Si）≠Φ，且狀態(tài)類型φ（Si）＝OR，則當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)Si時(shí)，它僅能處于Si的某一個(gè)子狀態(tài)。若λ（Si）≠Φ且φ（Si）＝AND，則當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)Si時(shí)，它同時(shí)處于Si的每一個(gè)子狀態(tài)。若λ（Si）＝Φ，則φ（Si）＝BASIC。

狀態(tài)遷移標(biāo)簽L用于標(biāo)明引起工作狀態(tài)遷移的操作事件e、使能條件c和遷移動(dòng)作at。狀態(tài)遷移T用于標(biāo)示工作狀態(tài)間的遷移方向，它包括源狀態(tài)、目標(biāo)狀態(tài)和標(biāo)簽三元素 （注：源狀態(tài)和標(biāo)簽可為空缺）。如圖3所示，從“工作狀態(tài)A”到 “工作狀態(tài)B”的狀態(tài)遷移TA－B，它的源狀態(tài)是 “工作狀態(tài)A”，目標(biāo)狀態(tài)是 “工作狀態(tài)B”。遷移標(biāo)簽為E［C］/A，表示當(dāng)系統(tǒng)處于 “工作狀態(tài)A”時(shí)發(fā)生事件E，若滿足使能條件C，則狀態(tài)遷移，同時(shí)有遷移動(dòng)作A。

圖3 狀態(tài)遷移

考慮到裝備系統(tǒng)機(jī)理模型復(fù)雜，在此僅以某型高炮武器系統(tǒng)的幾個(gè)操作步驟為例，對(duì)上述建模方法進(jìn)行講解。

訓(xùn)練科目的操作流程：①車長打開總電源，總電源指示燈亮；②駕駛員腳踩油門或者手拉油門操縱桿，使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1800r/min以上；③車長打開電站開關(guān)；④炮手打開火控開關(guān)，同時(shí)車長打開炮塔開關(guān)。兩個(gè)操作為異步并行關(guān)系，完成后進(jìn)入下面的操作。

機(jī)理模型如圖4所示。系統(tǒng)首先進(jìn)入初始化狀態(tài) （initial）并等待操作事件。當(dāng)有打開總電源開關(guān)事件 （open power switch）發(fā)生，工作狀態(tài)遷移至駕駛員狀態(tài)（driver），并伴隨有遷移動(dòng)作——總電源燈亮 （light1on）。

圖4 機(jī)理模型

工作狀態(tài)Driver的類型為OR，包含3個(gè)互斥子狀態(tài)。進(jìn)入工作狀態(tài)Driver后，首先處于默認(rèn)初始子狀態(tài)PowerOn。當(dāng)腳踩油門操作事件 （step accelerator pedal）發(fā)生，且滿足 “總電源開 （power on）”使能條件時(shí)，狀態(tài)遷移至子狀態(tài)SubState1。當(dāng)處于子狀態(tài)SubState1時(shí)，有保持動(dòng)作 （During）油門加速指示燈亮 （light2on）。手拉油門操作桿事件 （pull accelerator pole）的響應(yīng)原理與其類似，不再贅述。應(yīng)當(dāng)注意的是，兩個(gè)操作事件是互斥事件，即當(dāng)其中一個(gè)事件發(fā)生后，狀態(tài)遷移至對(duì)應(yīng)的目的狀態(tài)，另一個(gè)事件在之后將不能產(chǎn)生狀態(tài)遷移。

不論系統(tǒng)處于狀態(tài)Driver的任何一個(gè)子狀態(tài)，如果發(fā)生關(guān)閉總電源事件 （close power switch），系統(tǒng)將退出狀態(tài)Driver并遷移至初始化狀態(tài) （Initial）。當(dāng)系統(tǒng)因?yàn)榇蜷_電源開關(guān)事件 （OpenPowerSwitch）再次進(jìn)入工作狀態(tài)Driver時(shí)，通過狀態(tài)中的歷史節(jié)點(diǎn)H，系統(tǒng)直接進(jìn)入之前退出狀態(tài)Driver時(shí)的活動(dòng)子狀態(tài)。

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速Speed是狀態(tài)Driver的連續(xù)變量，有不變集Inv（State2）＝［0，1800）。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于1800r/min時(shí)，系統(tǒng)狀態(tài)遷移至State1。當(dāng)發(fā)生打開電站開關(guān)事件 （open PowerStation switch）后，系統(tǒng)遷移至工作狀態(tài)Parallel Operation。

工作狀態(tài)Parallel Operation的類型為AND，包含兩個(gè)并行的子狀態(tài)ArtillerMan和Conductor。系統(tǒng)狀態(tài)遷移至狀態(tài)Parallel Operation后，兩個(gè)子狀態(tài)中的默認(rèn)初始狀態(tài)Wait＿1和Wait＿2被激活，等待各自的遷移事件的發(fā)生。打開火控開關(guān)事件 （open fire control switch）和打開炮塔開關(guān)事件 （open artillery turret switch）互為并行事件，發(fā)生先后互不影響。當(dāng)兩個(gè)事件均已發(fā)生，則滿足下一遷移的使能條件 ［Fire Ready ＆Turret Ready］，系統(tǒng)狀態(tài)從Parallel Operation遷移至后續(xù)的工作狀態(tài)。

2.3 實(shí)現(xiàn)方法

面向操作的裝備機(jī)理模型雖然可以詳盡的表述裝備的工作原理，但是為了進(jìn)一步對(duì)裝備系統(tǒng)仿真，需要將此圖形化模型轉(zhuǎn)換為能夠被計(jì)算機(jī)所識(shí)別的形式。

Matlab/Stateflow作為Statecharts的一個(gè)建模工具，已經(jīng)得到了學(xué)術(shù)界廣泛的認(rèn)可。Stateflow中的狀態(tài) （State）對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)S，每個(gè)狀態(tài)中同樣包含3種動(dòng)作 （entry，during，exit）。轉(zhuǎn)移 （Transition）和默認(rèn)轉(zhuǎn)移 （Default Transition）對(duì)應(yīng)狀態(tài)遷移T，歷史節(jié)點(diǎn) （history junction）和連接節(jié)點(diǎn) （connective junction）對(duì)應(yīng)工作狀態(tài)節(jié)點(diǎn)J。Stateflow中的轉(zhuǎn)移標(biāo)簽 （transition label）由4部分組成，分別為事件 （event）、條件 （condition）、條件動(dòng)作 （condition action）和轉(zhuǎn)移動(dòng)作 （transition action）［16］。

用Stateflow對(duì)圖4模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，建立如圖5所示的仿真模型。這個(gè)仿真模型既可以在Matlab/Simulink中進(jìn)行可視化仿真，也可以通過Stateflow Coder將其轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)程序代碼，如C、C＋＋等。

圖5 Stateflow仿真模型

3 應(yīng)用驗(yàn)證

“某型高炮虛擬操作訓(xùn)練系統(tǒng)”采用上述面向操作機(jī)理建模方法，并結(jié)合目前先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和分布交互式仿真技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)具有沉浸感的，支持多人協(xié)同訓(xùn)練的桌面式虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)。受訓(xùn)者通過鼠標(biāo)、鍵盤和操縱桿等人機(jī)交互設(shè)備，在虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中進(jìn)行戰(zhàn)斗操作和故障檢測(cè)維修等訓(xùn)練科目，掌握基本理論，熟練操作程序，累積操作經(jīng)驗(yàn)，大大縮短了訓(xùn)練時(shí)間、提高了訓(xùn)練質(zhì)量和效益。

系統(tǒng)的開發(fā)基于當(dāng)前主流虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Virtools和三維建模軟件3DMAX，并采取了機(jī)理模型與外觀模型獨(dú)立開發(fā)的設(shè)計(jì)思想。外觀模型中只包含虛擬部件的基本動(dòng)作行為，如指示燈的亮滅，車門的開關(guān)動(dòng)作等。機(jī)理模型負(fù)責(zé)控制虛擬裝備的操作過程和裝備外觀模型的響應(yīng)。如圖6所示，整個(gè)系統(tǒng)用一個(gè)完備的機(jī)理模型，部署在獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)上，由同一個(gè)機(jī)理模型完成對(duì)外觀模型的控制。機(jī)理模型與外觀模型的之間的消息交互通過中間件HLA/RTI完成。虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)運(yùn)行畫面如圖7所示。

圖6 機(jī)理模型與外觀模型分布交互

4 結(jié)束語

本文提出的機(jī)理模型與外觀模型獨(dú)立開發(fā)的設(shè)計(jì)思想，解決了既有裝備虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)中機(jī)理模型與外觀模型緊密耦合的現(xiàn)象，降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度，實(shí)現(xiàn)了模型的重用。面向操作的裝備機(jī)理建模方法基于圖形化、層次化的建模形式，具備標(biāo)準(zhǔn)的語義、語法，可以完備的描述大型混雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)操作過程，實(shí)現(xiàn)了 “一張圖頂百句話”的效果。基于該機(jī)理建模方法開發(fā)的 “某型高炮虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)”，已推廣至軍事院校教學(xué)訓(xùn)練使用，驗(yàn)證了建模方法的可行性和實(shí)用性。希望本文可以對(duì)虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。

圖7 某高炮虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)仿真畫面

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