復雜虛擬訓練仿真系統設計研究*1

?

復雜虛擬訓練仿真系統設計研究*1

王赟

(北京機械設備研究所，北京100854)

摘要：為了滿足信息化條件下復雜裝備虛擬訓練的需求，在闡述了裝備虛擬訓練仿真系統的分類的基礎上，將訓練與試驗使能體系結構與高層體系結構進行對比分析，建立了基于二者相結合的系統運行支撐總體框架，描述了訓練系統所包含的崗位教學演示、單兵與協同崗位訓練、指揮視角監測等基本功能，設計了仿真系統的數據交互與工作流程，并結合虛擬訓練仿真系統的實例，說明系統的實現形式。

關鍵詞：復雜系統；虛擬訓練；高層體系結構；訓練與試驗使能體系結構；系統框架；交互設計

0引言

傳統的實裝訓練模式在信息化裝備訓練過程中存在2方面問題。一方面，裝備數量有限而受訓人員較多難以滿足訓練需要，并且裝備在反復操作過程中，人為因素導致裝備磨損，不利于其自身的維修與保養；另一方面，復雜大型裝備不能直觀展示內部組成、工程原理與維修流程，出現錯誤不存在挽回余地，嚴重影響了操作人員對技能的理解與掌握，制約了作戰部隊整體戰斗力的快速形成。

虛擬訓練與仿真技術克服了實裝訓練成本高、效率低、場地受限等缺點，具有安全、經濟、可重復、可分析、無條件制約等優勢[1]。通過建立虛擬訓練仿真系統，有效地降低了訓練成本，減少了武器裝備自身的損耗，對訓練數據的記錄實現了事后的分析與仿真回放，再現了裝備特定的狀態和操作的細節，通過現代化的訓練手段激發了受訓人員的濃厚興趣，訓練頻率的提升為崗位人員深入了解系統組成原理、快速掌握操作技能為完成作戰任務夯實了基礎。

1裝備虛擬訓練仿真系統分類

裝備虛擬訓練仿真是實際訓練過程在虛擬環境下的推演，反映的是裝備、操作人員和訓練環境之間的互操作行為與狀態，是計算機仿真環境中人在回路的模擬。人作為主體將支配和驅動虛擬環境中裝備部件的操作與響應，裝備與虛擬環境作為客體對人的行為具有一定的約束。

虛擬訓練根據虛擬對象和訓練目標的不同可分為載體操縱型、過程控制型和博弈決策型3種類型[2]。按照參與訓練人員數的不同分為裝備操作單兵訓練和裝備操作協同訓練2類模式。裝備操作單兵訓練主要依托仿真系統提供的操作流程來引導受訓人員，如航天器或者地面車輛的駕駛訓練等；裝備操作協同訓練提供多名操作手同時參與到一個虛擬場景中人在回路的協同配合交互過程，如跟蹤雷達、導彈、發射車、電源車、測發控設備等武器裝備完整過程的訓練。

裝備虛擬訓練仿真系統主要由訓練理論與教學科目設計、訓練內容管理、訓練數據集成存儲、訓練仿真程序與運行支撐平臺組成，其總體技術框架如圖1所示。

圖1　總體技術框架圖Fig.1　Overall technical framework

通過圖1的分析可以看出，裝備虛擬訓練仿真系統是結合裝備特性與操作特點搭建而成的具有人機交互訓練功能的培訓平臺。

2基于TENA-HLA的系統體系結構建立

為了促進仿真系統間的互操作，促進仿真組件化的重用，建立了建模仿真高層體系結構，為了滿足作戰試驗與訓練領域的快速高效地靶場的互操作與重用機制，建立了訓練與試驗使能體系結構。這2種體系結構已經成為現行虛擬仿真主流支撐平臺。

2.1高層體系結構

HLA是一種分布交互式仿真體系結構，由規則、對象模型模版和接口規范3部分組成[3-5]。在HLA框架下，為達到某一特定仿真目的而設計的分布仿真系統稱為聯邦，它由若干相互作用的聯邦成員構成，各聯邦成員之間通過運行支撐框架(run time infrastructure, RTI)進行通訊與互操作[6-8]。RTI是HLA規范的核心，也是聯邦執行的核心，其功能類似于分布式操作系統的總線，是聯邦執行的中間件。采用以RTI為核心的星形拓撲結構為聯邦成員提供運行的實時管理服務[9]。

基于HLA的仿真主要解決仿真逼真性和仿真全面性2方面問題[10]。結合操作手、虛擬樣機與仿真管控之間的內在聯系，在聯邦成員過程仿真模型設計的基礎上得到系統聯邦成員的結構如圖2所示。

裝備虛擬訓練系統聯邦成員結構式在單兵操作裝備虛擬訓練子系統的基礎上增加了聯邦成員間交互模型，對各個聯邦成員間的交互作出及時的處理，并同步更新各個聯邦成員的虛擬環境，仿真數據庫則增加了分布交互數據的存儲，為聯邦成員間的交互提供數據支持。

2.2訓練與試驗使能體系結構

TENA的設計促進了試驗與訓練的互操作、重用和可組合性, 可以根據具體的任務需要將分布在各靶場、設施中的試驗、訓練、仿真、高性能計算能力集成起來, 構成一個試驗和訓練的邏輯靶場整體[11]。

邏輯靶場的開發是以C4ISR體系結構框架為參照，從功能、運作、 技術3個角度分析裝備虛擬訓練背景下的邏輯靶場需求，明確各組成部分之間的信息交互關系，邏輯靶場系統體系結構總體框圖如圖3所示。

圖3中，TENA兼容的靶場資源應用程序是由開發人員建立，附屬添加到邏輯靶場中，通過中間件的交互設計，執行和實現各種仿真功能的。與HLA類似，靶場資源應用的功能主要包含數據采集、數據處理、訓練環境、信息顯示、運行控制、信息傳輸等6個基本要素[12]，即TENA總體框架的主要內容所在；TENA工具是指通用的、可重用的應用或者組件，是復雜系統高效仿真的重要特點；TENA中間件是高性能、實時、低延遲的通信基礎設施，中間件與邏輯靶場對象模型(LROM)的對象定義一起鏈接到每一個TENA應用中，完成對對象管理、靶場管理、資源回調、發布訂購聲明等的支持[13]；TENA倉庫是一個數據的倉庫，更是邏輯的倉庫，它包含實現邏輯靶場應用級可組合所必須的信息，包括LROM、與對象定義和實現有關的元數據、狀態分布對象(SDO)方法的標準實現、對象代碼、TENA 中間件的軟件庫、TENA 實用程序和工具的可執行版本、TENA 文檔、邏輯靶場運行的歷史數據信息等；TENA網關則是兼容與不兼容系統的過渡橋梁，借助于TENA網關形成時空統一的整體。

圖2　聯邦成員結構圖Fig.2　Structure of federation members

圖3　邏輯靶場系統體系結構總體框圖Fig.3　Overall architecture of logic range system

2.3基于TENA的平臺HLA的接口組件

TENA與HLA側重點有所不同，但是主要目的都是完成仿真系統的互操作性與重用性，兩者之間存在相互集成關系[14]。TENA 針對試驗與訓練領域的特定需求對HLA 進行了擴展，提供了試驗和訓練所需的更多特定的能力。HLA 比TENA 更靈活，適用范圍更廣，而TENA更專用，在HLA的基礎上擴展，對試驗和訓練提供了更多的支持[15]。對于大量已有的HLA 兼容的仿真試驗或訓練資源的重用與互操作，TENA 則通過TENA-HLA 網關來特別加以解決，完成系統之間的兼容。

針對復雜裝備虛擬訓練仿真系統既貼近靶場應用集成性訓練，又需要借助仿真系統框架建模，則將TENA-HLA相結合，將邏輯靶場理念融入仿真框架與建模設計之中，實現兼容與非兼容系統之間的聯合操作。

3基于TENA-HLA裝備虛擬訓練仿真系統設計

3.1系統功能描述

復雜裝備虛擬訓練仿真系統主要完成與實現對相應崗位受訓人員的操作培訓，針對按照設備、系統的級別不同，從不同角度與側面對受訓人員進行培訓，使受訓操作者理解系統的工作原理、熟悉系統的操作流程，掌握系統的維修使用調試等相關內容。虛擬訓練仿真系統基本功能包括如下幾個部分：

(1) 崗位教學演示

通過動畫或者視頻演示系統級、分系統級、設備級與組合級裝備的物理結構、工作原理、操作流程等。

(2) 單兵操作訓練

根據不同的崗位操作職責，結合操作崗位所在的分系統開展人在回路的單閉環訓練，訓練只允許一個崗位操作人員參與，余下內容通過仿真環境生成，實現崗位操作的強化訓練。

(3) 協同操作訓練

將不同崗位操作人員進行集成的多閉環訓練，按照某個特定的情況，完成崗位人員相互配合的操作，達到協同訓練的目的。

(4) 指揮視角監測

從教練員的角度對受訓人員進行操作監測，進而指導受訓人員，最終提高受訓人員的操作水平。

3.2系統框架設計

通過對復雜裝備虛擬訓練仿真系統功能進行分解，結合裝備內在的邏輯結構，融合TENA靶場訓練理念，采用基于HLA的高層體系結構設計如圖4所示仿真系統聯邦框架。

圖4　仿真系統聯邦框架Fig.4　Federation framework for simulation system

訓練系統采用虛擬現實的形式模擬真實戰場環境條件下的作戰過程，各分系統操作崗位人員根據設備工作原理與條件根據實時虛擬圖像展示完成設備的單兵操作與系統的協同操作。通過TENA-HLA網關相連的各系統設備主要功能為：

仿真管理聯邦成員：提供RTI運行環境和監控RTI服務器、RTI 運行狀態等。

崗位操作聯邦成員：實施各個崗位的操作訓練，通過實物操作面板和軟件界面模擬參數設置、技術狀態調試、故障排除等操作過程。

視景顯示聯邦成員：以二維或三維可視化的方式顯示戰場態勢，演示系統工作流程，工作狀態以及訓練效果等。

數據庫：存儲模擬訓練過程中涉及的各類數據，如訓練科目表、訓練參數表、故障參數表、訓練操作記錄表、訓練狀態表、訓練結果表等。

3.3系統流程與交互設計

系統對于操作人員的訓練主要包括教學演示、單兵訓練、協同訓練3部分，系統流程如圖5所示。利用TENA-HLA支撐平臺設計的仿真系統的核心是通過軟總線實現信息在聯邦成員之間的流通，也就是HLA對象模型中發布訂購數據的設計。HLA對象模型是仿真對象模型 (SOM)和聯邦對象模型 (FOM)的集合。SOM是描述單個仿真成員的自身功能，以及如何與其他仿真成員進行互操作的規范說明。FOM是對聯邦成員間信息交互的規范化描述。在建立基于TENA-HLA的聯邦成員組成的基礎上，根據各成員的屬性和交互關系設計和開發聯邦和仿真對象模型(FOM/SOM)，并完成FOM 中對象類、交互類及屬性的映射，最后利用RTI 軟件工具實現仿真系統中各聯邦成員的信息交互。

4仿真系統實現

以某型號虛擬裝備仿真系統為例，采用上述仿真系統設計方法，結合先進的虛擬現實技術和分布式交互式仿真技術構建了基于TENA-HLA的具有沉浸感的支持多人協同訓練的靶場虛擬訓練系統。受訓者通過鼠標，鍵盤和操縱桿等人機交互設備在虛擬訓練系統中進行作戰操作等科目訓練，掌握了系統的基本原理，熟練操作程序，積累了操作經驗，大大增加了訓練頻度，提高的武器系統駕馭能力。

圖5　仿真系統流程Fig.5　Simulation system process

(1) 演示模塊

演示模塊主要通過菜單選點，為受訓人員展示被訓練科目的動畫，使其對培訓內容有一個直觀、深刻地了解，便于操作內容的掌握。

(2) 單兵模塊

某型號裝備主要由供配電機柜、轉塔控制機柜、武器系統控制操作臺以及發射轉塔四大部分組成。以供配電機柜為例，單兵模塊主要訓練了供配電機柜加電、供電全過程以及不同開關的時序邏輯關系。仿真系統利用Virtools圖形引擎進行制作，給予受訓人員友好的操作感、真實的畫面感與沉浸感。HLA中采用基于事件的時間推進機制，將人為對仿真平臺中按鈕的按動響應為仿真系統的實際狀態。圖6為裝備虛擬訓練仿真系統中供配電機柜的人機交互界面，為了更加直觀展示出操作流程而注明了操作步驟。操作手借助于鼠標按照使用說明書要求， 依

圖6　供配電機柜虛擬系統訓練圖Fig.6　Training diagram for virtual distribution system

次扳動主開關→撥動觀察三相電壓→扳動機柜加電開關→扳動各分系統加電開關→扳動觀察直流電壓輸出組合電壓指示值→通過指示燈確定分系統加電狀態，完成供配電機柜加電操作，完成該項目的操作培訓。

(3) 協同模塊

系統的協同操作訓練模塊主要是完成一個整體任務的不同分系統協同配合過程訓練。以完成某次防御作戰為例，仿真系統模擬生成來襲目標信息，在各分系統工作正常情況下，在武器系統發現目標之后，操作手1在轉塔控制機柜處本地解鎖轉塔，之后操作手2在武控臺為轉塔施加使能，并選取自動加電、 自動發射模式， 完成自主防御對來襲目標的攻擊，具體流程如圖7所示。仿真系統采用基于事件的時間推進機制，每一個操作步驟在后臺都有記錄，便于后續的訓練評估考核。

圖7　自主防御對來襲目標的操作訓練Fig.7　Operation training for selfdefense

訓練完畢后對受訓人員操作情況進行考核。以單兵配電機柜加電項目為例，記錄S1～S5每個步驟時戳，相鄰步驟間隔需小于10 s，超時一次扣10分，步驟錯誤一次扣20分，求助一次扣5分，滿分100分。從數據庫中截取101號手5次操作訓練數據記錄如表1所示。

表1　操作訓練數據

通過101號手操作訓練數據記錄，可以看出，選手在經過一段時間訓練之后，雖時間推移，操作技能呈上升趨勢，如圖8所示，說明虛擬裝備訓練實現了對崗位人員培訓以盡快掌握技能的目的。

圖8　操作數據分析Fig.8　Operation Data Analysis

5結束語

裝備虛擬訓練是軍隊裝備水平日益提高的產物。本文闡述了復雜裝備虛擬訓練需求，結合虛擬訓練仿真系統分類的基礎上，將訓練與試驗使能體系結構與高層體系結構加以對比，并最終建立了TENA-HLA系統運行支撐的總體框架。在對虛擬訓練系統功能進一步分解和探索的前提下，對系統交互與運行流程進行設計。最后以某型號虛擬裝備仿真系統為例，探討了仿真系統中單兵、協同崗位操作的實現形式，說明系統能給予受訓人員良好的技能訓練與能力提高。本文提出的系統設計方法可為類似訓練仿真系統的構建提供一定程度上的借鑒。

參考文獻：

[1]李慧翔,楊清文,房施東,等.某裝填車操作訓練綜合模擬系統[J].兵工自動化,2010,29(8):91-94.

LI Hui-xiang,YANG Qing-wen,FANG Shi-dong,et al.Integrated Training Simulator for Certain Type Loader Vehicle[J].Ordnance Industry Automation,2010,29(8):91-94.

[2]談斌,郭士波,傅彬.基于HLA的裝備操作訓練仿真系統設計研究[J].系統仿真學報,2011,23(S1):177-179.

TAN Bin,GUO Shi-bo,FU Bin.Design of Equipment Operation Training Simulation System Based on HLA[J].Journal of System Simulation,2011,23(S1):177-179.

[3]IEEE Standard for Modeling and Simulation (M&S) High Level Architecture (HLA): Framework and Rules.[EB](IEEE Standard 1516-2000)USA：The Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc.,2000.

[4]IEEE Standard for Modeling and Simulation (M&S) High Level Architecture (HLA): Federate Interface Specification.[EB](IEEE Standard 1516.1-2000)USA：The Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc.,2001.

[5]IEEE Standard for Modeling and Simulation (M&S) High Level Architecture (HLA) : Object Model Template[EB](IEEE Standard 1516.2-2000)USA：The Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc.,2001.

[6]GONG Jian-xing,HUANG Jian,HAO Jian-guo,et al.Research on Flexibly Extensible Simulation System Framework [C].Beijing: Asia Simulation Conference,2008:316-321.

[7]YANG Hu,CHEN Hang.A Dynamic Reconfigurable Adaptive Software Architecture for Federate in HLA-Based Simulation[J].IEEE Computer Society,2007:682-687.

[8]JU Ru-sheng.A Novel Test and Evaluation Method of C4ISR System Based on HLA[C].Beijing:Asia Simulation Conference,2005: 1565-1569.

[9]CHEN Yi,BAI Shao-hua,LIANG Bing-cheng,et al.HLA-Based 3D Virtual Environment for Synthetic Simulation System[C]∥Proceedings of Asian Simulation Conference/the 5th International Conference on System Simulation and Scientific Computing,2002.

[10]馬立元.大型復雜裝備虛擬操作訓練系統設計方法研究[D].南京:南京理工大學,2006.

MA Li-yuan.Research on the Design Method of Virtual Operation Training System for Large Complex Equipment[D].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology,2006.

[11]馮潤明,王國玉,黃柯棣.TENA及其與HLA的比較[J].系統工程與電子技術,2005,27(2):288-291.

FENG Run-ming,WANG Guo-yu,HUANG Ke-di.TENA and Its Comparison with HLA[J].System Engineering and Electionics,2005,27(2):288-291.

[12]劉高峰,陳佳俊,程志鋒,等.裝備虛擬試驗系統體系結構及其互聯技術[J].計算機工程,2012,38(1):284-287.

LIU Gao-feng,CHEN Jia-jun,CHENG Zhi-feng,et al.Equipment Virtual Test System Architecture and Its Interconnection Technology[J].Computer Engineering,2012,38(1):284-287.

[13]關萍萍,翟正軍.虛擬靶場運行支撐體系結構研究[J].計算機測量與控制,2009,17(12):2475-2478.

GUAN Ping-ping,ZHAI Zheng-jun.Research on the Architecture of Runtime Infrastructure Middleware for Virtual Range[J].Computer Measurement and Control,2009,17(12):2475-2478.

[14]龔立,劉忠,劉高峰.海戰場環境仿真系統的三維建模與實時仿真[J].計算機仿真,2010,27(8):5-8.

GONG Li,LIU Zhong,LIU Gao-feng.3D Modeling and Real Time Simulation of Environment Simulation System of Sea Battlefield[J].Computer Simulation,2010,27(8):5-8.

[15]高桂清,李治,施旭鑫,等.基于FLAMES和HLA的導彈分隊作戰仿真系統[J].現代防御技術,2012,40(1):171-176.

GAO Gui-qing,LI Zhi,SHI Xu-xin,et al.Missile Element Operation Simulation System Bades on FLAMES and HLA[J].Mordern Defence Technology, 2012,40(1):171-176.

Complex Virtual Training Simulation System Design

WANG Yun

(Beijing Institute of Mechanical Equipment, Beijing 100854, China)

Abstract:In order to meet the demands of virtual training for complex equipment under the information conditions, in the expatiation of different kinds of virtual training for complex equipment, high level architecture and test and training enabling architecture are compared, the overall framework of high level architecture and test and training enabling architecture for run time infrastructure is presented. Four kinds of system functions are introduced, including teaching demo, operation training for individual soldier, operation training for collaborative soldiers, detecting by commands etc., data interaction and simulation flow are designed. Based on one virtual training simulation system, the realization for simulation system is given.

Key words:complex system; virtual training; high level architecture (HLA); trainingand test enabling architecture (TENA); system framework; interaction design

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-06-0215-08

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.06.038

通信地址：100854北京市142信箱208分箱E-mail：wangyunbihu@163.com

作者簡介：王赟(1988-)，男，遼寧大連人。工程師，碩士，研究方向為復雜系統仿真與軍事運籌。

*收稿日期：2014-09-23；修回日期：2014-12-21