某遠火武器系統操作與維修訓練模擬器設計

黃少羅,陳 爍,曹立軍

(陸軍工程大學石家莊校區,河北 石家莊 050003)

某型遠程火箭炮武器系統(簡稱遠火武器系統)是我軍的重要裝備之一,用于打擊敵戰役、戰術、縱深內的各種集群器材和面積目標。其武器系統裝備數量多、信息化程度高、操作規程嚴格,因此要發揮大威力遠程壓制作用,必須熟練掌握操作及維修技能。傳統培訓方式普遍存在訓練效率低、裝備損耗大、訓練內容少等局限。利用模擬器可以營造一個逼真的訓練環境,通過人為地設置各種訓練科目,可實現安全、高效、不受各種條件限制地培訓人員[1]。因此,設計遠火武器系統操作與維修訓練模擬器,對提升部隊訓練成效、強化維修人員技術保障能力,提高裝備完好率,以及院校教學水平都具有重要意義[2]。

1 訓練需求分析與功能結構

1.1 訓練需求分析

為解決遠火武器系統實裝訓練中場地、經費、人員、時間等限制,并盡可能地貼近實戰、貼近部隊裝備保障實際,短時間內迅速提高基層官兵的操作使用水平和維修保障能力。遠火武器系統操作與維修訓練模擬器訓練科目的確定是在詳細分析遠火武器系統作戰使用流程的基礎上進行的,按照集結地域準備、開進、技術陣地準備、展開、發射陣地發射和撤出發射陣地六個階段對操作訓練、維修訓練和武器系統聯動訓練的具體內容進行合理劃分，并通過訓練狀態監控實時掌握操作人員的訓練情況,采取量化打分評估方式,客觀反映訓練模擬器的綜合效果。

1.2 模擬器功能

該模擬器可以完成對遠火武器系統的操作訓練、維修訓練、系統聯動訓練、數據記錄與訓練評估等功能,是集戰術指揮、射擊指揮、作戰保障指揮于一體的模擬訓練平臺[3]。

1)操作訓練功能

模擬器能夠完成武器系統的作戰裝備、保障裝備等戰前準備、開關機操作、戰斗操作等操作訓練內容,包含集結地域、技術陣地和發射陣地技術分隊、戰炮分隊和指揮分隊的全部技術檢查、戰斗操作等項目。操作訓練符合裝備訓練大綱要求,使炮手熟練掌握發射操作規程,鍛煉炮手協同配合的能力。

2)維修訓練功能

通過主控分系統設置故障,維修人員在實裝面板、終端顯示器上觀察、判斷故障現象;在實裝操作分系統及虛擬維修訓練分系統進行故障分析和定位排除訓練。訓練深度定位在部隊(基層)級維修,以換件、換板、換組合維修為主。

3)系統聯動訓練功能

通過仿真交互平臺將遠火武器系統操作與維修模擬器各分系統進行互聯,實現遠火武器系統間的通信組網、目標信息的引導與傳輸、遠火的標定與隨動、射擊諸元的輸出與開火控制等聯動訓練。

4)數據記錄與訓練評估

模擬器能對受訓人員訓練過程中的操作動作、操作時間和操作效果進行記錄,通過任務下達和訓練初始化、判斷故障、交互式測量與故障診斷、提交訓練報告4個環節,判斷使用者的分析思路和診斷方法,結合用時長短、操作狀態判定、操作信息的邏輯關系等綜合確定各種因素的權重,給出合理的定量評估結果。

1.3 模擬器結構

遠火武器系統操作與維修訓練模擬器由主控分系統、實裝操作分系統、虛擬裝備分系統和聯動分系統組成,各分系統通過主控分系統連接形成一個有機的整體,在主控分系統的統一協調控制下工作,主控分系統通過局域網的方式完成與各分系統交互平臺相通,其組成框圖如圖1所示。

圖1 遠火武器系統操作與維修訓練模擬器體系結構框圖

模擬器通過分布式交互平臺接收連射擊指揮車模擬器發送的射擊口令并計算諸元后,采用與實裝相同的彈道解算模型解算火炮射擊諸元,并進一步根據解算得到的射擊諸元進行調炮并射擊。

2 模擬器功能實現

2.1 主控分系統

主控分系統是遠火武器系統操作與維修訓練模擬器的控制核心。由于遠火武器系統工作狀態復雜、故障現象多樣、控制關系復雜,相互聯系緊密且具有嚴格的邏輯關系,因此必須全面準確地在各個分系統上將遠火武器系統正常工作狀態和故障現象等同步實時地模擬出來。根據各分系統之間的控制、邏輯關系,將整個模擬器以各個分系統為單位分成多個部分,每部分相對獨立,以主控分系統為核心,通過中央控制板及相應的網絡接口,實現對各個分系統面板開關量、可調控變量等的監控,完成遠火控制系統各分系統的控制及整體工作狀態的協調[4]。

2.2 實裝操作分系統

對于遠火武器系統這樣的復雜裝備,其操作訓練及維修訓練過程十分復雜,故障涉及的電路復雜,元器件繁多,要達到較好的訓練效果,必須提供接近實裝的物理環境。實裝操作分系統是裝備操作使用訓練的平臺,為保證操作訓練的真實性,按照1∶1的比例進行研制,其結構布局、工作過程、工作狀態以及軟件界面應與實裝完全一致。實裝操作分系統采用半實物仿真,其操作面板與遠火控制系統的物理面板完全一致,作為基本硬件環境,建立一個逼真的人機交互操作界面(環境)。

2.3 虛擬裝備分系統

虛擬裝備分系統是模擬器的虛擬仿真系統,以虛擬式裝備結構為基礎,配合虛擬測試儀器、真實測試儀器和專用信號發生器構成[5],主要包括火箭炮和裝填車裝備結構原理動畫、虛擬裝備操作、虛擬裝備維修、考核評估、系統使用幫助等單元。該系統由計算機模擬仿真火箭炮和裝填車組合內部結構、電路板結構以及實現各組合的邏輯控制,從而構成系統完整的工作環境[6]。利用系統提供的虛擬測量工具,對計算機顯示器上的三維組合電路、電路板進行模擬測量,能夠對故障進行診斷、隔離和定位,實現維修訓練。利用計算機數據庫技術,實現對訓練過程的記錄,為判定和分析提供數據。其功能結構如圖2所示。

圖2 虛擬分系統功能結構圖

2.4 聯動分系統

聯動分系統功能用于完成各單裝模擬訓練系統與其它裝備模擬訓練系統的互聯、信息傳輸控制和轉換,主要包括各單裝模擬訓練系統之間的通信協議和接口。信息傳輸控制器接收主控分系統指令,完成系統互聯鏈路的狀態控制和信道控制。

3 硬件與軟件設計

3.1 系統硬件設計

遠火武器系統操作與維修訓練模擬器的硬件設計主要指的是實裝操作分系統的硬件設計。實裝操作分系統設計的主要任務是構造和真實火箭炮控制系統相同的物理面板。系統必須構造一個真實的火箭炮控制系統物理環境,而火箭炮控制系統物理環境主要是火箭炮控制系統物理面板及相應的器件。面板控制系統由模擬器各個組合內的面板控制電路組成,負責各個組合面板上的開關、旋鈕、電位器、手輪、儀表、指示燈等狀態信息的獲取和控制,以實現實裝功能的模擬。實裝操作分系統硬件部分結構如圖3所示。

3.2 軟件設計

系統硬件層與軟件層之間的關聯關系如圖4所示。

1)駕駛子系統,包括駕駛硬件設備和駕駛軟件模擬模塊。駕駛硬件設備采用模擬方向盤,用于實現駕駛操作的輸入;駕駛模擬軟件模塊用于實現在虛擬場景中進行駕駛,并采集實施的發動機轉速、行駛速度、油量等數據。

圖3 實裝操作分系統的硬件結構框圖

圖4 系統硬件層與軟件層之間的關系

2)火控數據模擬子系統,包括空間信息轉換模塊和火控數據模擬模塊。空間信息轉換模塊用以將在虛擬場景中采集的火箭炮坐標、速度、等數據轉換為車載軟件能識別的數據格式,并傳遞給火控數據模擬模塊;火控數據模擬模塊可模擬各種測量設備的測量數據、火控計算數據及通訊傳輸數據等。

3)炮長、地控模擬軟件模塊子系統,用于實現與火控計算機及指揮系統的通信,讀取飛行任務數據和操作開關信息,包括接收火箭彈回路檢測、飛行任務參數、發射方式、發射彈數、參數裝訂、發射倒計時等各種地面發射控制系統目前狀態信息, 并能實時接收彈道解算、用炮、調炮、收炮等各種火控系統目前狀態信息,并加以顯示并過濾設置的數據,只把無故障的數據以串口通信的形式傳遞給通信設備。

4)通信模擬子系統,包括操作臺操作面板、通信設備和通信測試軟件。操作臺操作面板用以模擬實裝上的操作臺操作面板,它將對云臺的操作信號發送給通信設備;通信設備包括通信服務器、通信線纜,其中通信服務器采用和原裝備通信服務器一樣的型號,是系統的通信樞紐。

5)車載軟件,用于為載體實時提供方向和位置信息,引導車輛行駛達到指定位置。

6)仿真系統的軟件系統,以編程工具Broland C++Builder為平臺實現。

遠火控制系統維修訓練模擬器設計時采用分層次樹形軟件體系結構及面向對象的編程方法,構成整個軟件框架模式。

3.3 軟件組成及工作流程圖

系統軟件是模塊式結構,它由如下若干程序塊共同組成。

1)系統管理軟件;

2)開關機操作訓練模塊;

3)操作訓練模塊;

4)檢查調整訓練模塊;

5)故障現象顯示模塊;

6)故障診斷訓練模塊;

7)遠火控制系統組合、電路板結構視圖庫的建立與管理;

8)測試點參數數據庫的建立與管理;

9)虛擬測量工具的管理程序;

10)故障現象和故障點的設置程序;

11)通信程序;

12)測試過程控制程序;

13)操作過程記錄程序。

系統軟件組成及工作流程圖如圖5所示。

圖5 虛擬分系統功能結構圖

進入系統主界面后,首先進行網絡連接,然后選擇系統工作方式,可選擇分系統單獨工作方式、自主工作方式或聯動工作方式，然后選擇訓練題目,包括操作訓練、維修訓練和聯動訓練可供選擇。如選擇操作訓練科目,主要在實裝操作分系統上完成,編制了開關機順序、方法和步驟,訓練人員開關機操作;設置裝備檢查調整科目;設置了快速測試檢查科目及功能測試科目;產生模擬戰場,進行開進展開訓練。

4 結束語

本文從遠火武器系統操作與維修訓練需求出發,綜合運用半實物仿真與虛擬現實技術,詳細闡述了訓練模擬器的實現過程。該模擬器研制完成后,基于實裝操作分系統和虛擬裝備分系統能完成相關科目的操作訓練以及維修訓練。依據本文給出的方法,我們已經建立了初步的遠火武器系統操作與維修訓練模擬器。

基于虛擬仿真技術的遠火武器系統操作與維修訓練系統作為一種重要的配套設備,提供了通用、優良的的維修平臺,符合武器裝備信息化建設的需求,對探索武器裝備維修工作新途徑有一定參考作用。同時在其他相關領域也具有廣闊的發展前景,值得開展深入細致的研究。