艦炮火控設備虛擬維修訓練與考核系統*

傅茂聰　陳維義

(海軍工程大學兵器工程系　武漢　430033)

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艦炮火控設備虛擬維修訓練與考核系統*

傅茂聰陳維義

(海軍工程大學兵器工程系武漢430033)

摘要為提升海軍艦員級火控設備維修訓練水平,利用虛擬維修技術手段開發了針對艦炮火控設備的虛擬維修訓練與考核系統,設計確定了系統的基本功能以及軟件結構,建立了設備的數據模型,應用狀態機的方法對系統的主要功能加以實現,并結合具體實例對系統相關功能與界面進行了介紹。

關鍵詞虛擬維修技術; 訓練考核系統; 結構功能; 數據模型; 狀態機

Virtual Maintenance Training and Assessment System of Warship Cannon Fire Controls Equipment

FU MaocongCHEN Weiyi

(Dept. of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractTo promote the level of fire controls equipment maintenance training of marine crews, a training and assessment system of the warship cannon fire controls equipment which is to do the virtual operation and maintenance is developed by the means of virtual manufacturing technology. The basic function of the system and the soft-ware structure are designed and determined, so is the data structuring model. The method of state machine carries out the main function of system, the function and the interface are introduced with some concrete examples.

Key Wordsvirtual manufacturing technology, training and assessment system, structure and function, data structuring model, state machine

Class NumberTP391

1引言

隨著中國海軍現代化進程的不斷推進,新型裝備呈現出科技含量高、結構復雜、數量有限、價格高昂等特點。傳統的、基于實裝的維修訓練模式會造成大量的零部件消耗,導致裝備的嚴重磨損,影響裝備的完好性,嚴重時還會引起安全事故[1~3]。同時,受到裝備數量和維修場地等多種因素的限制,基于實裝的維修訓練無法大規模、常態化地開展,導致裝備的直接操作者對于簡單故障的實際修理能力較弱[4]。

近年來,虛擬現實技術快速發展,人們將其引入了裝備維修領域,提出了虛擬維修的概念。虛擬維修是實際維修過程在計算機上的本質實現,它以信息技術、仿真技術、虛擬現實技術為支撐,通過協同工作的模式,實現產品維修性的設計分析、維修過程的規劃與驗證、維修操作訓練與維修支持等產品維修的本質過程。其中,通過對維修訓練過程仿真,在支持維修訓練與維修的實施方面可以有效降低維修訓練費用,提高維修的準確性與效率[5~6]。虛擬維修訓練系統是用來支持實現虛擬維修訓練的軟硬件系統,為受訓人員提供仿真操作和維修的環境。以便在裝備維修訓練時獲取最佳的費效比和快速提高維修人員的維修知識和技能[7]。

艦炮火控設備作為火控系統的重要組成,主要完成信號和數據處理、輔助作戰指揮、武器控制、操控跟蹤器等基本任務。為有效提高艦員對艦炮火控設備操作及維修能力,同時配合并豐富海軍水面艦艇艦員維修技能競賽的比賽科目,針對組成艦炮火控設備的火控臺、接口機柜、配電箱、輸入輸出機柜等進行了虛擬仿真開發,以輔助艦員對艦炮火控設備進行操作和維修,增強艦員的火控設備操作熟練度,提高火控設備維修能力,并最終為相關火控設備虛擬訓練和維修平臺的開發探索合適方法。

2系統功能與結構

2.1系統功能

隨著虛擬維修技術的不斷發展,其在軍事裝備領域的應用越來越多,但是目前大部分虛擬維修系統都是基于視景仿真、三維建模、碰撞檢測等技術,以具體實裝的機械零部件拆裝過程為仿真對象進行搭建的。

本系統最大的特點是用軟件的方法達到對硬件電子設備的模擬,通過系統后臺數據和界面顯示數據的分離,實現了將“虛擬訓練”與“虛擬維修”兩大功能在同一個硬件平臺上的結合,以及操作訓練和維修訓練兩大過程的統一,最終達到在操作過程中發現故障、修理故障的目的,在提高艦員操作熟練度的同時提升對于突發狀況的處理能力。同時設備數據、故障設置可以通過編輯器隨時進行擴展和添加,為系統后期各項功能的不斷完善創造了條件。

系統的實現原理如圖1所示。

圖1　系統原理圖

操作訓練時,學員通過軌跡球、鍵盤、操作桿、觸摸屏等與實裝相同的人機交互設備進行操作,設備根據操作產生的邏輯數據確定設備的操作響應,完成后臺運行數據修改,使系統狀態發生躍遷。同時實時刷新設備狀態顯示界面,實現對用戶操作響應結果的顯示。通過不同參數的裝定實現在不同環境、不同目標類型條件下對艦炮火控設備基本操作流程的模擬訓練,使學員盡快熟悉相關操作流程。

維修訓練時,教員通過設備故障數據編輯器生成故障數據,包括故障觸發時機、故障觸發條件、故障類型等內容。當學員對指定維修科目進行訓練時,系統加載故障數據,用戶操作滿足故障觸發條件時,系統將根據故障數據對設備的實時動態數據進行修改,顯示故障現象。學員根據故障現象,在設備維修界面操作檢查、測量等虛擬維修工具,確定故障位置并利用相應的虛擬工具對故障部件、面板進行更換。通過這種方法既可以實現對某一維修訓練科目的練習,也可以完成對正常操作過程中突發故障的修理與排除,達到貼近現實,提升訓練效果的目的。

2.2體系結構

本系統采用基于客戶端/服務器(C/S)模式的三層分布式體系結構,將整個系統分成表示層、應用邏輯層和數據層三部分。系統具有邏輯相對獨立,有較高的可維護性、可擴展性、可升級性以及安全性等特點[8~9]。另外還有交互性強,在出錯提示、在線幫助等方面有較強功能等優勢。

本系統具體分為虛擬訓練教員臺和虛擬訓練學員臺兩個子系統,分別對應了結構中的服務端與客戶端。其結構如圖2所示。

圖2　系統體系結構圖

依據體系結構將系統具體層次結構分為表示層、應用邏輯層和數據層,如圖3所示。

圖3　系統層次結構圖

教員臺子系統面向的用戶主要為教員和管理員,用于在訓練和考核過程中相關設備數據的管理以及對學員考核成績的管理,功能結構及相應的子功能如圖4所示。

圖4　教員臺功能結構

學員臺子系統面向的用戶主要為學員,用于學員對設備仿真操作、維修訓練和考核。功能結構如圖5所示。兩個子系統通過局域網與數據層實現數據交換。

圖5　學員臺功能結構

學員臺中的操作維修訓練模塊包括操作訓練和維修訓練。訓練模塊主要用于學員對設備操作的自我練習。操作訓練主要是用戶通過虛擬設備操作界面進行操作并觀察設備的操作響應,讓學員熟悉系統設備的正常操作流程;維修訓練主要用于學員對設備在故障條件下,根據操作的響應診斷故障的類型、位置,并完成維修過程。

操作維修考核模塊包括操作考核和維修考核?？己诉^程中,用戶操作方式及系統響應與訓練模塊基本相同,系統還將記錄初始環境和用戶所有的操作及相關參數,并以二進制格式存儲到文件中。教員可以通過該文件查看學員的每一個操作步驟,以完成相應的考核評價。

3關鍵技術

3.1基于狀態機思想的操作邏輯描述

本系統功能實現的邏輯思路是人員在對虛擬設備進行操作時,每操作一步系統都會根據當前狀態、前置狀態等約束條件決定系統將躍遷至的下一狀態,再通過屏幕反饋給操作人員。而基于狀態機模型的方法是解決軟件中狀態劃分、狀態遷移等問題的有效途徑。

狀態機也稱為有限狀態自動機(finite state machine,FSM),是具有離散輸入和輸出的一種數學模型。系統可以處于任意有限個狀態,系統的狀態概括了關于過去輸入的信息,而這些信息是確定系統以后行為所必需的[10]。

傳統的有限狀態自動機(FSM)一般用一個五元組FSM=(Q,Σ,δ,q0,F)進行表示,其中Q為一個有限的狀態集合,Σ為一個有限輸入字母表,q0在Q中為初始狀態,F?Q是終結狀態集合,δ是轉移函數,將Q×Σ映射到Q,即對于每個狀態q和輸入符號a,δ(q,a)是q將轉移至的下一狀態。這類狀態機多應用于語言識別和語法分析等問題[11]。

本系統將狀態機的思想與面向對象的程序設計方法相結合,通過對各模擬面板上不同控件的操作,觸發相應的事件和方法,進入或退出狀態,并執行相應的響應信息。從而使狀態機的思想更好地適應軟件開發的過程。

本系統中關于狀態機模型的具體實現方法如下:將系統狀態集合中的不同狀態以ID號的形式進行索引,以便于狀態機對于不同狀態的快速識別,提高其響應速度。對系統的每一步操作都相當于向系統輸入ID,指示將要進入的狀態,系統依據前置狀態信息、故障信息等內容進行判定是否執行相應的狀態響應或故障響應。

現以火控設備的解題過程為例,結合狀態機思想的應用對系統加以說明。圖6中,為該過程涉及到的狀態名稱和ID編號,以及相互之間的狀態轉移關系和條件。

圖6　火控設備解題過程狀態轉移圖

其中,圖中的各狀態響應及狀態轉移條件如表1所示。

以上狀態的退出響應均為將進入狀態時修改的參數值直接設置為初始值。

另外,在應用狀態機思想接進行相關開發過程中,還有一個環節十分重要,即進入或退出狀態的實現方法。

如圖7~圖8所示,為進入和退出狀態方法流程圖。

表1　各狀態響應及轉移條件

圖7　進入狀態方法流程圖

圖8　退出狀態方法流程圖

與進入狀態時一樣,退出狀態時,也主要經歷狀態檢測、故障信息檢測、觸發準備退出狀態事件等步驟,其不同點在于,當處于故障觸發狀態時,根據故障觸發時機的不同,故障現象退出響應的觸發時機也會發生變化。最后,每進入和退出一個狀態后,對其相應的后置狀態進行數據更新,確定下一步操作可能到達的狀態。

以上為應用狀態機模型實現系統功能的核心環節即:狀態進入、狀態退出、后置狀態的更新以及狀態信息和故障信息的檢測等內容。通過上述方法實現了當系統接受并識別到不同的輸入信息時,系統依據相應的約束條件進行狀態的躍遷,并表現出不同的響應,操作人員則根據操作反饋,繼續后續的操作和維修訓練。

3.2設備數據模型的建立

本訓練模擬系統采用的是用軟件的方法對于實際硬件功能、邏輯包括故障信息進行模擬,需要使用不同功能、類型的數據對系統進行組織與管理,對系統的數據層建立設備的數據模型,更好地完成對設備的模擬與仿真。

將運行于系統中的相關數據組織分為三大部分,即:設備數據、邏輯數據和運行數據。

設備數據包含兩部分內容:設備的資料數據主要為課件、音視頻以及部分部件的說明信息和相關操作的提示信息;硬件結構數據主要為設備的結構樹模型,其中以具體型號的設備為根節點,自頂而下各層依次為機柜信息、面板信息、部件信息和引腳信息。結構數據信息主要體現于與用戶進行交互的界面層中,各結構主要以圖片為表現形式,另外包括相應的名稱、文字說明、字符串編碼等內容。對于可以與用戶進行交互的部分,則直接在圖片相應位置用C#中自定義控件的方法添加控件,以完成對于用戶操作的響應。

邏輯數據中則主要涉及狀態機的相關應用,首先將系統操作或維修過程中的各個環節劃分為相應的狀態,確定不同狀態之間轉移的邏輯關系和轉移條件,并根據實際情況設定各狀態的操作響應,通過響應參數的設定,對相應控件的屬性進行修改,以完成對不同操作的仿真。故障狀態數據還包括了故障類型、觸發時機、故障響應等信息,用于維修訓練過程中的故障顯示。

運行數據主要包括系統在運行過程中產生的數據,指修改界面顯示和運行于后臺的相關數據,主要以各種類型的數據變量為主。系統在運行過程中主要存在兩個線程,當用戶進行了某項操作后,其中一個線程用于將操作響應數據讀取并存放入一個任務列表之中,而另一個線程則不斷讀取任務列表中的數據,對界面做不斷地修改。同時應用數據鎖技術以防止兩個線程在讀寫過程中相互沖突。

4應用實例

基于以上結構功能以及關鍵技術,搭建完成了某型艦炮火控設備虛擬維修訓練與考核系統。

圖9所示為學員臺上系統的模式選擇界面。

圖9　模式選擇界面

圖10為系統的主界面,由五個屏幕進行分別顯示,其中設備狀態顯示界面和設備操作界面根據設備的不同而顯示不同的內容。設備狀態顯示界面主要用于顯示設備的操作響應和狀態顯示,如果有可操作部件,通過鼠標點擊可以實現交互。設備操作界面為觸摸屏,主要包括虛擬的操作按鈕、開關等操作部件,通過觸摸操作可以實現交互。設備操作界面旁還有手柄和摸球,手柄操作和實裝相同,摸球和鼠標操作相同。設備的狀態顯示以及進行人機交互的輸入設備與實際裝備完全一樣。維修操作界面以列表的形式顯示不同的火控設備機柜,用于對設備結構觀察、選擇和操作,也可以對故障部件進行測量、更換等維修操作。綜合顯示界面則主要顯示了訓練或考核的相關信息、操作計時、設備信息等內容。

在對設備進行虛擬操作時,如果操作部件處于設備狀態顯示界面或設備操作界面,則在相應界面中直接操作,此時對在維修操作界面中對應的操作部件操作無效,如果操作部件不處于設備狀態顯示界面,則需要在維修操作界面中進行操作。

圖10　系統界面顯示

圖11　維修訓練模式示意圖

5結語

本系統利用虛擬仿真技術,采用先進的軟件總體技術,利用狀態機模型思想對系統邏輯進行組織,建立了系統虛擬設備的數據模型,實現了艦炮火控設備的操作使用訓練和維修訓練的一體化,能夠在操作使用中發現故障、排除故障,最大程度貼近裝備實際。本系統的開發是在基于實際裝備的基礎之上,對部分功能(考核評價、教學提示等)進行擴展和提升,為有效降低訓練成本、提高訓練效益、降低訓練的安全風險、更好地開展裝備操作維修技能訓練探索新的途徑。

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中圖分類號TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.03.024

作者簡介:傅茂聰,男,碩士研究生,研究方向:武器系統運用與保障工程。陳維義,男,教授,博士生導師,研究方向:武器系統仿真與實驗技術,武器系統總體與核心子系統設計,軍用光電技術。

收稿日期:2015年9月7日,修回日期:2015年10月21日