自行加榴炮系統(tǒng)反應(yīng)時間優(yōu)化研究

馮穎龍，王振明，王屹華，許耀峰，王曉冬

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

隨著武器裝備自動化、信息化水平不斷提高,現(xiàn)代戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)方式產(chǎn)生巨大變化,要求武器裝備快打快撤、縮短武器系統(tǒng)反應(yīng)時間。武器系統(tǒng)反應(yīng)時間[1]是武器系統(tǒng)重要性能指標(biāo),反映武器裝備火力反應(yīng)速度。縮短系統(tǒng)反應(yīng)時間可以減少火力周轉(zhuǎn)時間,使其迅速完成火力打擊并轉(zhuǎn)移陣地,快打快撤,進而攻擊下一批次目標(biāo)。縮短反應(yīng)時間還可以減少敵方作規(guī)避動作的時間,提高武器裝備快速反應(yīng)能力和戰(zhàn)場生存能力。

傳統(tǒng)大口徑加榴炮需要炮長、輸彈手、裝藥手、瞄準(zhǔn)手等戰(zhàn)斗人員人工操作[2],系統(tǒng)反應(yīng)時間遠大于1 min。為了調(diào)炮準(zhǔn)確,需要戰(zhàn)士多次瞄準(zhǔn)并采用儀器仔細查驗瞄準(zhǔn)精度是否符合要求;彈藥裝填時,需要戰(zhàn)士將大于50 kg的彈藥運送到裝彈位,進行手動推彈、推藥等動作,消耗體力和花費時間明顯,系統(tǒng)反應(yīng)時間較大。

自動化是縮短武器響應(yīng)時間的有效手段。采用自動化設(shè)備將動作中勞動強度大、計算難度高、重復(fù)性強的工作進行替代,可以減少戰(zhàn)士體力消耗和腦力消耗,并且有效減小反應(yīng)時間。現(xiàn)有的自動化多關(guān)注于片段的流程,而未對總體流程綜合考量。

張祥林[3]對高炮武器系統(tǒng)反應(yīng)時間進行了研究,提出了高炮武器系統(tǒng)反應(yīng)時間縮小的方法。涂二看見等[4]將語音識別技術(shù)引入高炮的系統(tǒng)反應(yīng)時間的測試方法中,以解決不同試驗條件下的系統(tǒng)反應(yīng)時間測試需求。許俊飛等[5-6]對艦炮作戰(zhàn)能力進行分析,構(gòu)建了艦炮的系統(tǒng)反應(yīng)時間模型。陳健等[7]從人機交互的角度對艦載指揮的反應(yīng)時間進行分析并提出提高人機交互效率的建議。上述文獻研究對象分別是高炮和艦炮,未對自行加榴炮進行研究。劉愛峰等[8-9]針對某中小口徑自行加榴炮,設(shè)計自動直瞄模型,采用自動直瞄替代傳統(tǒng)直瞄,有效提高直瞄反應(yīng)時間。但是該研究只關(guān)注于直瞄時彈道解算至調(diào)炮到位過程,忽略了大口徑加榴炮彈藥裝填動作對系統(tǒng)反應(yīng)時間的影響。

針對減少某大口徑自行加榴炮系統(tǒng)反應(yīng)時間的問題,將彈藥裝填動作納入系統(tǒng)反應(yīng)時間內(nèi)統(tǒng)一考量,采用操瞄調(diào)炮模型,優(yōu)化調(diào)炮與彈藥裝填動作工作流程,同步調(diào)炮動作與彈藥裝填中選彈、輸彈動作。有效減小某大口徑自行加榴炮系統(tǒng)反應(yīng)時間,顯著提升其自動化水平和作戰(zhàn)效率。

1 武器系統(tǒng)反應(yīng)時間

武器系統(tǒng)反應(yīng)時間包括諸元解算時間、操瞄調(diào)炮時間、彈藥裝填時間以及信息傳輸時延,如圖1所示。

1)諸元解算時間(tjs)是指根據(jù)射擊開始諸元(表尺、方位)求取調(diào)炮諸元(高低角、方位角)所用的時間,即操瞄解算模型運行時間。

2)操瞄調(diào)炮時間(tdp)是指利用慣導(dǎo)數(shù)據(jù)執(zhí)行操瞄解算,將表尺和方位轉(zhuǎn)換至炮塔坐標(biāo)系下,并調(diào)炮到目標(biāo)高低、方位所需時間。

3)彈藥裝填時間(tzt)是指從接到裝填指令開始到彈藥全部進入炮膛內(nèi)所用時間。彈藥裝填動作組包括彈線循環(huán)動作和藥線循環(huán)動作,如圖2所示。

4)傳輸時延(Δτ)是指發(fā)送指令至各分系統(tǒng)接受到指令所需要的通信時間。

諸元計算、操瞄調(diào)炮、彈藥裝填這3個動作對武器系統(tǒng)反應(yīng)時間具有較大影響。采用自動化手段分別縮短操瞄解算時間、調(diào)炮時間、裝填時間,并且綜合考慮各動作的互不干涉性,進一步壓縮各動作組合在對整體時間的消耗,從而縮短系統(tǒng)反應(yīng)時間。

2 操瞄解算模型

操瞄解算模型為求解大地坐標(biāo)系下的空間點在炮塔坐標(biāo)系下的坐標(biāo),從而得到調(diào)炮諸元(表尺β2和方向ε2)。

定義坐標(biāo)系和各參數(shù)符號如下：

1)大地坐標(biāo)系{OXdYdHd}：O為炮塔回轉(zhuǎn)中心,OXd、OYd分別指向大地正北方向和正東方向,OHd鉛錘向上,如圖3所示。

2)炮塔水平坐標(biāo)系{OXpYpHp}：O為炮塔回轉(zhuǎn)中心,令火炮高低角為零(ε=0)和方位角為零(β=0),OXp身管軸線方向,OYp、OHp按左手準(zhǔn)則分別與OXp兩兩垂直。

3)炮塔坐標(biāo)系{OXepYepHep}：O為炮塔回轉(zhuǎn)中心,在炮塔水平坐標(biāo)系下,定義θx為橫傾角,θy為縱傾角,θh為定向角,令橫傾角與縱傾角分別為0,此時的坐標(biāo)系即炮塔坐標(biāo)系,其中OXep軸為當(dāng)前狀態(tài)下的身管軸線方向。

根據(jù)剛體空間坐標(biāo)變換關(guān)系[10],取大地坐標(biāo)系中諸元單位方向為e,表尺為ε1,方向為β1,則大地坐標(biāo)下空間點P的坐標(biāo)表達式為

(1)

基于搭載于炮塔上的慣性導(dǎo)航裝置得到的炮塔姿態(tài)角(θx,θy,θh),將空間點變換至炮塔坐標(biāo)系下,可得點P的坐標(biāo)表達式為

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Rx(θx)為左手坐標(biāo)系中,繞大地坐標(biāo)系X軸旋轉(zhuǎn)θx的變換矩陣;Ry(θy)為繞大地坐標(biāo)系Y軸旋轉(zhuǎn)θy變換矩陣;Rh(θh)為繞大地坐標(biāo)系H軸旋轉(zhuǎn)θh變換矩陣。

操瞄解算出的炮塔坐標(biāo)系下方位角β2和高低角ε2的定義式為

(6)

將式(1)、(2)代入式(6),可得式(7)中的諸元(β2,ε2)。完成操瞄解算后,隨動系統(tǒng)根據(jù)解算出的諸元(β2,ε2)執(zhí)行操瞄調(diào)炮動作。

(7)

3 系統(tǒng)聯(lián)動的分步并行方法

3.1 傳統(tǒng)方法

某型自行加榴炮系統(tǒng)聯(lián)動時,傳統(tǒng)方法采用串聯(lián)方式,如上文圖1所示,即串接操瞄解算過程、調(diào)炮動作和裝填機構(gòu)動作,3個動作組按照時間序列依次完成,每個動作完成后,方可開始下一個動作。系統(tǒng)反應(yīng)時間為

(8)

傳統(tǒng)的串聯(lián)方法對各部分動作解耦,可以最大程度避免調(diào)炮動作與裝填動作的干涉。但串聯(lián)動作時,一段時間內(nèi)只能完成1個動作,時間利用效率不高。

3.2 分步并行方法

根據(jù)對某大口徑自行加榴炮機構(gòu)動作的研究,發(fā)現(xiàn)操瞄調(diào)炮動作與裝填動作組中選彈、推彈、交彈、接彈等動作互不干涉,可以同步進行。其他動作需要調(diào)炮完成后方可執(zhí)行,否則會在機構(gòu)動作時發(fā)生碰撞,產(chǎn)生機械形變,引發(fā)故障。因此,對裝填動作組進行分解,將子動作中不影響調(diào)炮動作的機構(gòu)動作分為A組,將子動作中干涉調(diào)炮動作的部分列為B組。裝填動作A組在諸元解算完成后,與調(diào)炮動作同時開始。裝填動作B組等待調(diào)炮完成信號,在調(diào)炮完成后執(zhí)行。此外,令裝填的“輸藥機移出”動作與“關(guān)閂”動作同步操作,如圖4所示。

分步并行方法的系統(tǒng)反應(yīng)時間為

(9)

相較于式(8)中的傳統(tǒng)方法,分步并行方法系統(tǒng)反應(yīng)時間減少了Δt：

Δt=tc-tb=tdp+tgs+τ2.

(10)

4 試驗與分析

4.1 試驗條件

試驗基于某大口徑自行加榴炮,在調(diào)試工房進行。參試人員2名：一名為駕駛員,負責(zé)啟動發(fā)動機為全炮電氣供電;另一名為炮長,負責(zé)操作炮長終端和電氣操作面板。

調(diào)炮范圍為方位300 mil、高低300 mil。采用操瞄解算模型解算火炮在炮塔坐標(biāo)系下的方位角和高低角,使用隨動系統(tǒng)進行自動調(diào)炮。平均調(diào)炮速度為3(°)/s,裝填次數(shù)為1次。

便捷式計算機與控制箱之間采用USB連接,使用標(biāo)準(zhǔn)CAN數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集總線中CAN數(shù)據(jù)。基于Python語言編寫數(shù)據(jù)分析腳本,對接收的報文進行ID號解析,自動統(tǒng)計系統(tǒng)反應(yīng)時間。

4.2 試驗結(jié)果分析

在某大口徑自行加榴炮試驗平臺上分別采用傳統(tǒng)方法和分步并行方法進行試驗,過程如下：

步驟1人工為彈倉、藥倉補給彈藥。

步驟2模擬本炮坐標(biāo)、目標(biāo)坐標(biāo)、氣象條件等信息,通過炮長終端裝定諸元信息。

步驟3駕駛員啟動發(fā)動機,使底盤為全炮供電。

步驟4炮長點擊炮長終端“開始”按鈕,啟動系統(tǒng)反應(yīng)時間測試指令;

步驟5炮長終端軟件自行控制各機構(gòu)動作。

步驟6待所有動作結(jié)束后,導(dǎo)出CAN數(shù)據(jù),使用數(shù)據(jù)分析軟件統(tǒng)計各動作時間及系統(tǒng)反應(yīng)時間。

進行6次試驗,測試得到的反應(yīng)時間如表1所示。

表1 武器系統(tǒng)反應(yīng)時間對比試驗結(jié)果

采用傳統(tǒng)方法進行操瞄調(diào)炮和裝填動作時,平均系統(tǒng)反應(yīng)時間為21.75 s。采用分步并行方法時,在操瞄模型解算完成后,同時進行操瞄調(diào)炮和裝填動作,平均系統(tǒng)反應(yīng)時間為14.73 s,減少了7.02 s。表1中傳統(tǒng)方法和分布并行方法的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.48 s和0.69 s,表明6組試驗系統(tǒng)反應(yīng)時間在均值附近波動較小,試驗數(shù)據(jù)一致性較好,如圖5所示。

分步并行方法的系統(tǒng)反應(yīng)時間標(biāo)準(zhǔn)差略大于傳統(tǒng)方法,原因在于分布并行方法的第1、3、4、5、6組試驗中,彈筒初始位置位于出彈口,但第2組試驗中,彈筒初始位置距離出彈口較遠,選彈動作行程更長,該動作耗時較多,導(dǎo)致此次系統(tǒng)反應(yīng)時間較長,最終使得標(biāo)準(zhǔn)差略高。對第2組試驗各分步動作時間進行記錄,如表2所示。將傳統(tǒng)方法中的調(diào)炮時間tdp、傳輸時延τ2、關(guān)閂時間tgs代入式(10)中,計算得Δt為6.19 s。即該傳統(tǒng)方法的系統(tǒng)反應(yīng)時間具有減少6.19 s的可能性。在實際試驗中,分步并行方法的系統(tǒng)反應(yīng)時間為16.12 s,比傳統(tǒng)方法的22.64 s減少了6.52 s,與預(yù)測減少的時間(Δt=6.19 s)基本一致。

表2 第2組試驗反應(yīng)時間結(jié)果 s

綜上所述,通過筆者提出的操瞄解算模型進行解算,分解裝填動作組,優(yōu)化調(diào)炮動作與裝填動作,系統(tǒng)反應(yīng)時間較傳統(tǒng)方法顯著減少。

5 結(jié)束語

筆者以某大口徑自行加榴炮為研究對象,針對傳統(tǒng)自行加榴炮系統(tǒng)反應(yīng)時間過長,自動化水平較低的問題,設(shè)計了分步并行方法,推導(dǎo)了其操瞄解算模型,應(yīng)用于操瞄調(diào)炮的解算過程中;考慮了裝填動作對武器系統(tǒng)反應(yīng)時間的影響,優(yōu)化操瞄調(diào)炮與裝填動作時序。試驗表明,采用分步并行方法優(yōu)化后的系統(tǒng)反應(yīng)時間為14.73 s,較傳統(tǒng)方法(21.75 s)提升32.3%。該方法較傳統(tǒng)方法作戰(zhàn)效率更高,能夠滿足軍事中對首群覆蓋的時間要求,具有較高的工程應(yīng)用價值。