3D一體消防衛星便攜站仿真訓練系統研究

劉加奇

（應急管理部消防救援局南京訓練總隊，江蘇南京 211113）

0 引言

隨著我國綜合國力的不斷增強，衛星通信已成為消防部門使用的一種重要通信保障手段［1］。其中，消防衛星便攜站不斷增長，對教學和訓練要求也不斷提高。但消防衛星便攜站造價昂貴，衛星通信鏈路資源緊缺，往往不能滿足訓練需求。目前衛星應用于消防研究較多，如文獻［2］為滿足窄帶通信需求，提出最低限通信保障的通信系統，設計了將音視頻業務融合調度的業務平臺；文獻［3］探討了目前衛星通信技術在消防救援中的應用，如語音業務、視頻業務、數據業務，對火災發生原因進行調查，研究人員逃生及救援工作最優路線選取等；文獻［4］提出利用北斗衛星導航系統在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務。但是單一的消防衛星便攜站仿真訓練設備不能模擬復雜條件下的真實救援環境，影響訓練效果，本文設計了3D 一體消防衛星通信仿真訓練設備彌補此項不足［5-6］。

Unity3D 作為3D 應用開發平臺廣泛應用于各種場景模擬中。文獻［7］提出利用Unity3D 實現虛擬傳播消防訓練；文獻［8］基于Unity3D 平臺，利用游戲場景的建模技術，模擬火焰煙霧，進行角色控制，實現消防演習；文獻［9］使用消防衛星通信便攜站作為一種機動衛星通信手段，經濟且安全可靠，滿足了消防衛星通信教學和訓練要求。在此基礎上，本文采用Unity3D 設計和開發了3D 一體消防衛星便攜站仿真訓練系統，滿足實訓人員仿真訓練需求。該系統真實地體現便攜站操作流程，包括衛星便攜站的信號流程原理、組裝天線、對星入網、建立衛星通信鏈路、音視頻會議、3D 虛擬訓練機同步自動操作、單兵圖傳設備操作等，使受訓人員通過操作仿真訓練便攜站實現各種科目的訓練及考核；同時，營造一個高真實感的虛擬仿真環境，模擬各類災害事故場景，讓實訓人員在一系列虛擬仿真救援環境中進行訓練，以提高訓練成效。

1 系統組成及工作原理

3D 一體消防衛星便攜站仿真訓練系統由3D 一體仿真消防衛星便攜站（仿真訓練便攜站）、3D 訓練虛擬機和模擬指揮中心3 部分組成，如圖1 所示。其中，3D 一體仿真消防衛星便攜站由3D 一體仿真圖傳雙向語音綜合平臺、仿真單兵圖傳發射機、3D 一體仿真衛星天線、3D 一體仿真尋星儀、羅盤儀、饋源頭等部分組成。

工作原理如下：

（1）3D 一體仿真圖傳雙向語音綜合平臺實現接收音視頻，與模擬指揮中心及其它綜合平臺互傳音視頻功能。

（2）仿真單兵圖傳發射機采集攝像機的音視頻和對講機語音，傳輸到3D 一體仿真圖傳雙向語音綜合平臺。

Fig.1 Structure of 3D integrated fire satellite portable station simulation training system圖1 3D 一體消防衛星便攜站仿真訓練系統結構

（3）3D 一體仿真天線包括仿真天線和仿真饋源兩部分，仿真饋源感知仿真天線對星的方位角、俯仰角和極化角，傳到3D 一體仿真圖傳雙向語音綜合平臺，利用仿真尋星儀檢測對星信號強度，完成對星訓練。3D 虛擬訓練機生成高真實感虛擬仿真環境，實現與仿真訓練便攜站同步拼裝訓練，逼真地展示設備，模擬訓練過程。模擬指揮中心裝有一套具有考核和管理消防衛星便攜站模擬訓練系統功能的軟件PC 機和路由器，對系統實訓人員進行考核并完成衛星固定站和指揮中心部分功能，實現互聯互通。

（4）3D 一體消防衛星便攜站仿真訓練系統包含3D 無線同步接收模塊和3D 無線同步發射模塊。3D 無線同步發射模塊又分為天線拼接同步發射模塊、饋源安裝同步發射模塊和綜合平臺連接同步發射模塊，模塊之間采用ZigBee通信技術進行通信。3D 無線同步接收模塊接收所有3D 無線同步發射模塊數據。各個系統的3D 同步模塊都設置了不同的接收頻率，以保證多套系統同時工作時不會相互干擾。

（5）3D 無線接收模塊在接收到發射模塊數據后進行數據解析和校驗，數據校驗無誤后通過串口將該數據發送到3D 虛擬訓練機，3D 虛擬訓練機再通過該數據同步顯示。

本方案通過Wi-Fi 技術和TCP 協議代替實際裝備的衛星通信［10］，實現會議功能；采用高精度陀螺儀傳感器感知天線對星的方位角、俯仰角和極化角，代替衛星通信進行對星過程，使訓練不受地域和時間影響；采用Unity3D 技術生成樓宇、山坡以及模擬雨、云、霧、白天、夜晚等各種虛擬場景［11］，并根據具體環境設置不同的參數，實現同一地點不同救援環境下的訓練；基于ZigBee 技術的同步模塊和霍爾傳感器［12］安裝在3D 一體仿真消防衛星便攜站上，實時采集數據并傳到3D 虛擬訓練機，使3D 虛擬訓練機可以和仿真訓練便攜站同步拼裝，實訓人員可在3D 虛擬訓練機和仿真訓練便攜站上分別獨立訓練，也可二者同步綜合訓練，大大提高了訓練效果。

2 3D 一體仿真樣機設計

2.1 3D 一體仿真圖傳雙向語音綜合平臺

3D 一體仿真圖傳雙向語音綜合平臺設備架構設計與實裝一致，結構如圖2 所示。

Fig.2 The structure of 3D integrated simulation graphic transmission bidirectional voice integrated platform圖2 3D 一體仿真圖傳雙向語音綜合平臺結構

3D 一體仿真圖傳雙向語音綜合平臺與3D 虛擬訓練同步，分為軟件同步和硬件同步兩部分。內置軟件同步模塊，實現與3D 虛擬訓練機音視頻會議的同步；外置硬件同步模塊，利用嵌入式技術和ZigBee 技術感知線纜的安裝狀態并實時上傳給3D 虛擬訓練機實現同步安裝。

3D 一體仿真圖傳雙向語音綜合平臺線纜連接包含發射和接收射頻線纜連接、音視頻天線連接、麥克風線纜連接、本地云臺攝像機線纜連接、電源線纜連接。綜合平臺連接同步發射模塊將線纜上的傳感器獲得的組裝信息通過Zigbee 通信技術實時發送到3D 虛擬訓練機。

2.2 3D 一體仿真單兵圖傳發射機

3D 一體仿真單兵圖傳發射機外觀與實裝高度一致，尺寸比例為1∶1，按鍵和信息指示以及操作與實裝完全一致，3D 一體仿真圖傳雙向語音綜合平臺如圖3 所示。

Fig.3 3D integrated simulation graphic transmission bidirectional voice integrated platform圖3 3D 一體仿真圖傳雙向語音綜合平臺

2.3 3D 一體仿真衛星天線

天線及饋源采用等比例制作，實現外觀與實裝天線完全一致，其中天線部分與實裝完全一致，以便實現拆裝訓練，如圖4 所示。

Fig.4 3D integrated simulation satellite antenna圖4 3D 一體仿真衛星天線

天線組裝包括支桿旋鈕螺絲固定和天線面板拼裝。通過在天線反射板上的ZigBee 通信模塊和霍爾傳感器同步發送模塊進行傳輸，實現自動識別天線并把結果實時傳送到3D 虛擬訓練機。支桿旋鈕螺絲固定信息傳輸通過ZigBee 模塊實現。ZigBee 通信模塊分為發送模塊和接收模塊。其中發射模塊安裝在待安裝天線上，接收模塊與3D 虛擬訓練機相連接。在支桿旋鈕螺絲固定后，將天線主反射面板后的對應按鍵按下（每一次組裝前都要確保所有按鍵均是抬起狀態），這時天線拼接同步發射模塊會將組裝信息通過Zigbee 通信技術發射到同步接收模塊，接收模塊接收到數據并校驗解析后通過串口傳到3D 虛擬訓練機，3D虛擬訓練機接收到信息后會做出同步組裝顯示；通過霍爾傳感器和ZigBee 通信模塊實現天線面板安裝，霍爾傳感器識別過程全自動，不需要操作按鍵，傳輸過程由ZigBee 通信模塊實現。組裝兩片天線面板之間的一個霍爾傳感器及一塊小磁體，霍爾傳感器通過感知磁鐵的遠近判斷是組裝還是拆卸，并將該信號告知天線發射模塊，天線拼接同步發射模塊會將組裝狀態發送到3D 虛擬訓練機，3D 虛擬訓練機接收到信息后同步顯示天線拼接。

帶有按鍵和ZigBee 通信模塊的饋源同步發射模塊實現檢測饋源的安裝過程，并把結果實時向3D 虛擬訓練機發送。饋源的同步過程需要手動操作，饋源的某一組件安裝完成后需要手動按下對應部件安裝檢測按鈕。饋源安裝同步發射模塊將該組件信息通過Zigbee 通信技術發射到3D 虛擬訓練機，3D 虛擬訓練機實時同步饋源安裝動作。

2.4 3D 一體仿真尋星儀

3D 一體仿真尋星儀是以微控制器STM32F103ZET6 為控制核心的一套嵌入式系統，利用微控制器的USART 接口與3D 一體仿真天線上的高精度陀螺儀傳感器通信，實現與實裝尋星儀的液晶顯示、按鍵和功能等完全一致的操作，如圖5 所示。

2.5 3D 虛擬訓練機

為營造一個高真實感的虛擬仿真環境，讓實訓人員能夠在各種虛擬救援環境中進行實戰化訓練，結合現有消防衛星便攜站訓練需求，本文設計并實現了一套3D 虛擬訓練機。

Fig.5 3D integrated simulation star finder圖5 3D 一體仿真尋星儀

該3D 虛擬訓練機使用Unity3D 引擎作為虛擬仿真環境構建的開發平臺。Unity3D 又稱Unity，是由Unity Tech?nologies 公司開發的一款跨平臺游戲開發引擎，它使用C#作為主要編程語言，開發者可在短時間內輕松構建出絢麗的3D 立體場景，廣泛應用于游戲開發、虛擬現實、電影特效、建筑設計、工程研究等領域。該3D 虛擬訓練機模擬消防衛星便攜站、樓宇、山坡、雨、云、霧、白天、夜晚等真實場景，視角可以隨機調整，滿足了真實感和沉浸感需求，操作界面如圖6 所示。

Fig.6 Interface of 3D virtual training machine圖6 3D 虛擬訓練機界面

系統采用多層結構體系作為架構形式，從架構分層劃分主要包括數據層、驅動層、應用層、展示層，其結構如圖7所示。

其中，展示層可向用戶直觀展示系統操作菜單以及虛擬救援環境界面。在訓練過程中，展示層會根據接收到的同步信息實時渲染虛擬救援環境中3D 虛擬部件狀態；應用層實現系統的主要業務邏輯功能，包括系統菜單功能、虛擬救援環境控制、3D 虛擬部件操作等；驅動層維護所有3D虛擬部件的狀態，模擬所有3D 虛擬部件功能；數據層主要用于同步數據的發送與接收。

Fig.7 System structure of 3D virtual training machine圖7 3D 虛擬訓練機系統結構

3D 虛擬訓練機一方面通過USB 串口與基于ZigBee 技術的同步接收模塊相連，并通過同步接收模塊接收仿真訓練便攜站傳來的同步信息，實現組裝的不同訓練，通過Wi-Fi 技術與3D 一體仿真圖傳雙向語音綜合平臺通信。系統流程如圖8 所示。

Fig.8 Execution flow of 3D virtual training machine圖8 3D 虛擬訓練機執行流程

將系統硬件組裝完成后，按下主機開關即可給主機加電。加電后，3D 虛擬訓練機將進行自檢，確保3D 虛擬訓練機連接模擬指揮系統中的Wi-Fi 并和3D 一體仿真消防衛星便攜站處于同一個網段內。用戶在3D 虛擬訓練機的界面中按下鍵盤上的Enter 鍵就可對3D 一體仿真消防衛星便攜站進行正常的訓練操作。3D 一體仿真消防衛星便攜站主機會將對星、入網的信息及3D 一體仿真消防衛星便攜站列表信息，通過TCP/IP 協議實時發送給3D 虛擬訓練機。3D 虛擬訓練機將數據解析后可同步顯示到對應的界面，并在界面左邊顯示在線的3D 一體仿真消防衛星便攜站列表。此后，3D 一體仿真消防衛星便攜站主機在創建會議分組、添加便攜站到會議分組、組建會議、視頻拖拽及音視頻測試，都會通過Wi-Fi 技術將同步信息實時上傳到3D 虛擬訓練機，3D 虛擬訓練機根據同步信息實現顯示。最后，當3D一體仿真消防衛星便攜站主機退網關機時，3D 虛擬訓練機也會轉到硬件組裝完成界面。

2.6 模擬指揮中心

基于Visual C#平臺設計并實現了一款模擬指揮中心教學軟件系統，其界面如圖9 所示。

Fig.9 Main interface of simulation command center圖9 模擬指揮中心主界面

該軟件具有教學、培訓、考核、鑒定和模擬故障功能，可將該軟件安裝在具有無線路由器的高性能計算機上組成模擬指揮中心。該軟件主要功能模塊如圖10 所示，可完成實訓人員的考核、衛星固定站操作和指揮中心鏈路分配功能，實現互聯互通。考核軟件可自動為考核對象的操作進行評判、分析及上傳，并將考核成績存入數據庫。

Fig.10 Simulation command center function module圖10 模擬指揮中心功能模塊

（1）教學功能。通過模擬指揮中心，教員可以將內置的教學資源在大屏幕上顯示，對實訓人員進行課堂講解，做到理論與實踐同步。同時，由于模擬指揮中心訓練界面與圖傳雙向語音綜合平臺界面完全一致，因此可以同步操作。

（2）訓練配置功能。可以模擬指揮中心部分功能，實現與3D 一體仿真消防衛星便攜站組網互聯互通進行音視頻會議，從而實現指揮中心與3D 一體仿真消防衛星便攜站統一訓練功能。同時，模擬指揮中心還配置消防衛星便攜站所在城市通信衛星，從而實現在同一地點進行不同經緯度的對星訓練。

（3）考核功能。考核功能采取一對一模式，即模擬指揮中心每次只能考核一臺3D 圖傳雙向語音綜合平臺，模擬指揮中心根據模擬圖傳雙向語音綜合平臺傳來的考核人員考點操作信息自動打分。考核時提前將考核內容和考核人員信息輸入到指揮中心，考核流程包括申請考試、允許考試、時間控制、打分等步驟，考試成績可以打印輸出。

（4）模擬故障功能。在3D 一體仿真圖傳雙向語音綜合平臺和仿真單兵圖傳發射機中添加故障模擬模塊，利用單片機和工控板結合方式對實裝訓練中經常出現的故障進行仿真，模擬故障由指揮中心控制觸發，如果反饋回來的解決方法正確，則解除相應故障。

常見故障包括以下幾種：①對星成功5975LOCK 燈已鎖定，570 設備指示燈無法顯示上線成功；②570 上線成功后，申請衛星鏈路時，部局衛星網管看不到；③設備網絡問題；④無線單兵傳輸，綜合一體機接收不到圖像；⑤會議終端登錄不了；⑥綜合一體機加電后無法正常工作；⑦VOIP網關插上電話后，無法正常撥打IP 電話；⑧570 設備顯示面板上顯示“IP NOT EXIST”報警提示，并且無法進入任何570 菜單選項；⑨接通電源線纜并完成對星后，IRD 接收機5975 上的E-LINK 燈有紅色報警；⑩5975 上的LOCK 燈沒有亮起；○1CDM570L 衛星MODEM 上UNIT STATE 燈沒有變綠；○12570TX 燈沒有由閃亮變長亮。

3 教學應用

結合消防救援隊伍應急通信骨干業務培訓內容，將該系統應用到培訓教學實踐中，如圖11 所示。這種有針對性的教學手段給實訓人員創造一種虛擬災害現場環境，實訓人員有身臨其境的沉浸感，可以掌握在不同環境下的衛星便攜站使用方法和注意事項，激發學習興趣；通過虛擬訓練、仿真訓練和實裝訓練3 種層次遞進式教學訓練，加深了設備原理和安裝過程的理解，提高了教學質量。從仿真裝備訓練無障礙過渡到實裝裝備訓練，這種虛實相結合的教學方法取得了良好的教學效果。

Fig.11 Simulation training system using site圖11 仿真訓練系統使用現場

4 結語

本文設計并實現了3D 一體消防衛星便攜站仿真訓練系統。該系統研發具有替代實裝教學訓練功能，解決了實裝衛星便攜站價格昂貴、裝備數量少、鏈路資源緊缺等問題，該項目創新性研究成果如下：

（1）研究了三維建模技術。利用Unity3D 將虛擬現實技術應用于消防領域，營造了高真實感的虛擬學習場景，對指導便攜站訓練具有極為重大的現實意義。

（2）利用Wi-Fi 技術和ZigBee 技術將系統中的仿真訓練便攜站和3D 虛擬訓練機結合在一起，實現二者同步訓練，既增強了訓練設備的真實性，又提高了訓練環境的真實性。

（3）創造性提出虛擬訓練、仿真訓練和實裝訓練3 種層次遞進式訓練模式，有效解決了消防衛星便攜站操作訓練和教學的困難，達到降低訓練費用、提高訓練效率、縮短訓練周期等目的。

后續研究要結合VR、AR、MR 等技術，將虛擬仿真系統現實化，運用智能交互、傳感等技術手段，使學員在虛擬訓練環境與現實訓練環境中互動，全身心融入到虛擬環境中，達到與虛擬訓練環境全方位交互的效果。