某艦航空保障虛擬仿真教學訓練系統開發

歐海英，王云翔，楊茂勝

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

某艦航空保障虛擬仿真教學訓練系統開發

歐海英，王云翔，楊茂勝

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

艦面航空保障的人才培養是某艦戰斗力形成的重要一環。研究如何開發虛擬仿真系統應用于某艦艦面航空保障人員教學訓練。通過分析艦面航空保障工作危險性大、戰位協同性高、任務時限性強的工作特點，確立了仿真系統研發要點。研究確定了虛擬漫游、理論學習、艦載機作業操作演練三大系統功能。確定了C/S系統結構和七大系統組成。突破了系統開發涉及的視景組件封裝、口令訓練模擬、人物手勢動作模擬、設備邏輯仿真、分布式信息同步與實時等關鍵技術。某艦航空保障虛擬仿真教學訓練系統的成功開發驗證了技術可行性、先進性和應用效果。

航空保障；虛擬仿真訓練；系統開發

0 引言

某艦是我海軍最新發展的戰略裝備，航空保障系統是實現某艦功能的核心系統。航空保障人員，對于艦載機在某艦上的正常運轉非常重要，其在某種程度上直接掌握著艦載機升空與降落、戰斗力形成以及安全保障的“生殺大權”。因此，航空保障的人才培養是某艦戰斗力形成的重要一環。

飛行期間航空保障工作具有工作危險性大、戰位協同性高、任務時限性強的特點，采用虛擬仿真技術開發某艦航空保障虛擬仿真教學訓練系統，訓練航空保障人員反復熟悉單戰位的工作內容，反復進行多站位的協同配合，從而建立大腦的重復性記憶，形成精準的條件反射，達到提高上艦后工作安全性、戰位協同性和工作效率的目的。

虛擬仿真訓練是近年來新興的普及性模擬訓練手段，被各國廣泛應用于各軍兵種裝備部隊的初始和持續訓練中。我國也開展了大量虛擬仿真技術和應用的研究[1-3］。在某艦航空保障虛擬仿真研究方面，系統工程部及704所等工業部門基于研發需求，開發了相應的研發平臺和原型系統。目前未見國內有針對某艦航空保障虛擬仿真訓練系統開發的報道。

本文通過分析某艦航空保障的工作特點，提煉系統開發應抓住的研發要點。在此基礎上，研究具體的系統結構、系統功能和系統組成，研究系統開發涉及的關鍵技術。

1 系統研發要點

開發裝設備的虛擬仿真訓練系統，首先應抓住所應用對象的工作特點，根據工作特點提煉研發要點。

1.1 工作特點

某艦航空保障系統涉及的站位多、保障、支援設備多，操作使用難度較大，為完成一項飛行任務需要多個戰位人員的緊密協同。同時，任務的危險性極大。甲板人員在飛行操作時非常危險，他們可能會被吸入噴射引擎，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的工作場所盡快將飛機放飛，責任重大，任何出錯可能毀了造價昂貴的飛機，更重要的是飛行員的安全。最后，任務時限性強。在一定的時間內可能要連續準備多架飛機的起飛和著艦保障，兩架艦載機的降落時間可能前后不到1 min。

1.2 研發要點

根據對某艦航空保障工作特點的分析，系統研發時首要關鍵就是抓住航空保障的工作特點。針對某艦航空保障系統涉及的站位多，保障、支援設備多的特點，開發虛擬仿真訓練系統時，需合理劃分子系統封裝粒度，合理使用計算機資源；針對飛行期間航空保障作業任務危險性大的特點，所開發的虛擬仿真訓練系統可用于個人對其工作內容的反復熟悉訓練和各戰位人員的密切協同訓練，通過對工作內容的熟悉，提高上艦后工作的安全性；針對任務時限性強的特點，要求仿真系統及時反應，沒有畫面停頓、交互滯后現象，并提供訓練計時和分段計時功能，以便對訓練過程和重點環節是否滿足所規定的時間要求進行評估和改進。

其次，信息表現形式要盡可能真實，包括場景、設施／設備、人與設備、人與人之間的交互等。

最后，所開發的系統應界面友好、交互自然，符合受訓人員使用習慣。

綜上所述，研發航空保障虛擬仿真訓練系統應抓住的關鍵點：粒度適中、高度協同、及時反應、仿真度高、交互自然。

2 系統開發

根據研發要點，設計相應的系統功能、系統結構和系統組成，最后研究系統實現技術。

2.1 系統功能

依據某艦航空保障人員所需掌握的內容，確立了三大系統功能。

（1）虛擬漫游功能。某艦艙室結構非常復雜，提供虛擬漫游功能，用于艦員提前熟悉航空保障作業環境。

（2）理論教學功能。系統提供對航空保障裝備多媒體學習課件供學員學習，滿足受訓者對裝設備的結構組成、工作原理、操作流程、維護保養等理論知識的學習；系統還可以提供部分主要裝備組成的拆裝演示。通過理論學習，有助于學員更好地掌握設備的操作使用和維護技能。

（3）艦載機作業操作演練功能。系統通過構建某艦航空保障裝備模型及相應操作面板，利用各操作面板及口令、手勢等媒介，航空保障部門各戰位人員多人協作配合，可模擬演練艦載機從出庫、轉運、放飛到回收、轉運、入庫保障的全過程，以使各戰位的指揮人員和技術保障人員熟練掌握整個保障流程。

2.2 系統結構

前面提到某艦航空保障系統涉及的站位多、保障、支援設備多的特點，因此，在系統結構設計時需合理劃分子系統封裝粒度，合理使用計算機資源。子系統封裝有兩種方案。一種是按操作面板和設備進行封裝，第二種是按戰位進行封裝。按操作面板進行封裝，看似可重用性很強，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有上百塊操作面板，這樣的劃分將使分系統間數據交互顯得特別復雜，系統很零碎，也不好維護管理。第二種按戰位進行封裝。每艘某艦航空保障系統包含的基本戰位都是一致的，如止動裝置、噴氣偏流板、阻攔裝置等的控制戰位。一艘某艦的航空保障系統包含戰位數十個，這樣按戰位封裝成組件，子系統的可重用性強，子系統之間交互也可控。

系統采用Client／Sever結構，視景仿真顯示放在客戶端，邏輯仿真計算放在服務器端。服務器端Server與客戶端Client交互通過TCP和UDP進行，所有交互命令通過命令號ComID和命令值ComValue來傳輸。這種方式可充分利用各客戶端計算機資源，又通過服務器端統一解算保證各客戶端顯示的同步性。

2.3 系統組成

在系統結構基礎上，需研究系統組成，即系統內部的具體內容。航空保障虛擬仿真訓練系統包括七大子系統：教員控制臺、理論教學子系統以及五大訓練子系統（如調運訓練子系統、起降訓練子系統等）。教員控制臺用于教員和技術保障人員控制整個虛擬仿真訓練系統的運行，包括系統總流程仿真和系統控制管理服務。系統總流程仿真包括五大訓練子系統的設備操作邏輯和艦載機出庫、轉運、機務準備、放飛、回收、入庫等全仿真流程。五大訓練子系統均與教員控制臺通過以太網連接，在各戰位密切協作配合下，完成保障流程的協同演練。通過教員控制臺的設置，全系統既可單人操作，也可多人協同操作。單人操作時只能練習本戰位設備的操作動作、檢查方法；多人協同操作完成一次保障流程的全程演練。理論教學子系統是相對獨立的子系統，主要包括理論學習、工作原理、設備拆裝、故障檢測四個組成部分。主要采用基于瘦客戶端/服務器的系統結構，便于在本機運行和分布式服務器方式運行，適合教室和訓練室的學習，也適合單機便攜隨身式學習。

2.4 關鍵技術

研發某艦航空保障虛擬仿真教學訓練系統涉及的關鍵技術主要包括視景組件封裝技術、口令訓練／聲音模擬技術、人物手勢動作模擬技術、設備邏輯仿真技術、分布式信息同步與實時技術等。

視景系統為受訓人員提供虛擬的某艦環境、操作時艦面設備的變化和真實世界的天空和海洋景象。視景系統的圖形生成和顯示質量直接影響訓練的效果。系統采用Vega Prime（簡稱VP）平臺作為視景開發的技術平臺，并采用基于COM機制的組件，封裝VP軟件。這種方式突破VP平臺具體的編譯環境和編程語言，大大降低了編程難度。應用程序、視景組件和視景仿真軟件SDK之間的關系如圖1所示。

圖1 COM組件、VP SDK與應用程序之間的關系

在艦面航空保障過程中，口令是飛行員、塔臺指揮員、著艦指揮官等戰位間交互的重要方式之一，他們通過廣播、無線電通信、語音電話或語音命令等進行信息交流。在艦面航空保障訓練中，規范化的口令訓練是必不可少的一部分。另外，環境中的海浪聲，設備操作聲，發動機啟動、加力等聲音、飛機滑行、掛索等聲音的模擬也是增強受訓者身臨其境感受的重要組成部分。采用數字音響合成技術，通過錄制不同角色的語音命令和各種環境音，經過音效軟件的各種技術加工處理，轉換成高保真波形數據儲存，形成音源庫。用DirectSound編程技術，編制聲音組件，鑲嵌于主控程序之中加以控制。每次啟動程序之前，將存儲在硬盤上的音源文件讀入內存，根據主控程序的命令和音量播放，既可以是循環的或不循環的單獨使用，也能有序的連接起來順序使用，保證了連接處的平滑無跳躍感覺。同時響應速度極快，完全達到了與主控解算的同步，實現實時仿真。

在艦面航空保障指揮流程中，各戰位人員的交互很多通過人物的手勢進行。譬如甲板引導員引導飛機在甲板上按預定路線運動過程中，甲板引導員、飛行員、系留員等之間的信息交流是通過固定手勢完成的，包括指揮系留員解除系留、去除輪檔，引導飛行員駕駛飛機向前滑行、剎車、停止等。艦面航空保障人員必須熟悉如何打手勢，打手勢的時機，以及收到手勢指令后如何及時做出正確的反應。映射到艦面航空保障虛擬仿真訓練系統的開發中，就體現為對人物手勢進行正確的模擬，同時在程序化的保障流程中按正確的步驟實施和反應。人物手勢的模擬，采用creator軟件制作人物動作手勢動畫，并在程序化保障流程中通過VP組件進行動態加載的方法實現了某艦艦載機起降保障中各航空保障人員的手勢動作的逼真模擬，取得了滿意的模擬效果。手勢模擬效果如圖2所示。

設備邏輯仿真技術主要完成設備的輸入輸出仿真和設備之間的交聯仿真（包括故障邏輯現象的仿真），如各種操控面板的使用邏輯和它們之間信號的傳遞關系等。仿真邏輯的編寫涉及到很強的專業使用維護知識。一般的邏輯解算的分析與設計過程如下：由專業人員描述一個系統的物理操作過程，并寫成物理過程描述腳本。系統的模塊設計人員經過閱讀專業物理過程，提煉出涉及到的設備輸入輸出之間的數據、時間、邏輯關系，描述成一個概念類。輸入包括直接的使用操作輸入、交連數據輸入和故障信息輸入。輸出則包括設備正常的數據顯示和故障數據顯示。在設備輸入輸出清楚的前提下，設計出設備概要類，然后細化為設備類的詳細設計文檔。最后，由程序員實現設備類的代碼。設備邏輯仿真的設計過程如圖3所示。

某艦航空保障系統的任務時限性強，在一定時間內要保障多架艦載機的連續起飛和著艦。因此，該系統要求有較高的實時性，各戰位之間的操作交互必須及時、準確。這是一個典型的分布交互式實時仿真系統，其中網絡系統是該系統運行的基礎，是各組成部分聯系的橋梁和紐帶。同時由于該系統涉及的戰位多，設備多，因此將產生大量的數據交互，要解決數據傳輸的可靠性、同步性和實時性問題。

在現有系統結構下總線數據傳輸方式在系統中分兩種形式。

（1）人機交互輸出中主控元件（如開關、按鈕等）通過Windows窗口的消息傳輸，經過TCP網絡傳輸到封裝類中，存儲設備狀態，減少網絡帶寬占用率，并保證主控元件數據傳輸的可靠性。

（2）其他設備的輸出結構以UDP方式作為輸入數據，輸入到封裝類中進行計算。系統中被控設備計算結果（如顯示設備狀態數據）和主控元件狀態通過定義良好的結構，以結構方式反饋到主邏輯、主框架。主框架通過UDP網絡進行發送，輸入虛擬設備操作面板后進行解析。保證了狀態的同步和設備系統的封裝性。但要注意輸出的狀態結構數據定義盡可能優化，建議使用short型數據（int、double盡可能不用），避免網絡數據量過大。

圖2 手勢模擬效果

圖3 設備邏輯仿真的設計過程

3 結論

通過分析某艦航空保障工作的特點，確立了艦面航空保障虛擬仿真系統的研發要點，研究了系統功能、結構、組成及實現技術。某艦航空保障虛擬仿真教學訓練系統可用于某艦航保人員的理論教學培訓、初始訓練，以及部隊的日常訓練學習和技能保持練習，對某艦戰斗力生成有促進作用。

［1］歐海英,于輝.基于HLA和組件技術的仿真訓練系統擴展[J].系統仿真學報，2009，（11）.

［2］李向陽，張志利，黃先祥，等.大型武器裝備故障診斷訓練系統仿真開發研究[J].系統仿真學報，2009，（21）.

［3］韓志軍，孫少斌，陳璐，等.某新型坦克綜合設計訓練仿真系統[J].系統仿真學報，2008，（11）.

〔編輯 凌瑞〕

E953

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.01.53