基于云理論的坦克駕駛模擬器訓(xùn)練效果評估

孟 輝,薛 青

(1.裝甲兵工程學(xué)院, 北京 100072； 2. 68304部隊, 陜西 渭南 715200)

【后勤保障與裝備管理】

基于云理論的坦克駕駛模擬器訓(xùn)練效果評估

孟 輝1,2,薛 青1

(1.裝甲兵工程學(xué)院, 北京 100072； 2. 68304部隊, 陜西 渭南 715200)

運用裝備作戰(zhàn)仿真技術(shù)進行模擬訓(xùn)練是解決實戰(zhàn)化訓(xùn)練問題的突破口，而對于模擬訓(xùn)練來說，評估問題一直是比較棘手的難題。針對該問題，以坦克駕駛模擬器訓(xùn)練效果評估問題為主要研究對象，在確定了評價指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，運用云理論知識，建立云模型對定性數(shù)據(jù)進行了處理和綜合評估，通過實例驗證了該方法的可行性，為處理定性-定量指標(biāo)綜合評價問題以及仿真系統(tǒng)的效果評估問題提供了有意義的探索和借鑒。

模擬器；云理論；評估

運用裝備作戰(zhàn)仿真技術(shù)進行模擬訓(xùn)練是解決實戰(zhàn)化訓(xùn)練問題的一個突破口。它具有代入感強、經(jīng)濟效益好、可重復(fù)度高等優(yōu)點，而且能夠克服天氣、地形等客觀不良因素的影響，模擬不同的戰(zhàn)術(shù)背景，對訓(xùn)練進行全時掌控和調(diào)整，進而大大地提升訓(xùn)練效果，能夠滿足當(dāng)前部隊以任務(wù)為牽引的訓(xùn)練要求。

以坦克駕駛模擬器為例，它是通過模擬真實坦克的駕駛性能，為訓(xùn)練對象提供可靠的駕駛環(huán)境的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。當(dāng)前建設(shè)中的坦克駕駛模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，在功能上能夠較好地模擬真實坦克的性能，使受訓(xùn)對象能通過訓(xùn)練掌握駕駛的基本動作要領(lǐng)和技能，提升實車訓(xùn)練的效率。 但是，“以模擬仿真器為主的訓(xùn)練在多大程度上能夠代替實際的訓(xùn)練?”、“如何對模擬器的訓(xùn)練效果進行評估？”這兩個問題一直在仿真領(lǐng)域是一個解決不好而且也不好解決的問題。因為基于模擬器的訓(xùn)練更多時候是在定量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行開發(fā)和利用的，而實際的訓(xùn)練要求和評估結(jié)果分析卻又必須通過自然語言這種具有高度不確定性的形式進行體現(xiàn)。而云理論在解決此類定性-定量指標(biāo)綜合評價問題具有得天獨厚的優(yōu)勢，可以用來作為解決上述問題的有效方法。

1 坦克駕駛模擬器訓(xùn)練效果評價指標(biāo)體系

對坦克駕駛模擬器的訓(xùn)練效果的評估需要考慮很多的指標(biāo)，包括一些很具體的性能指標(biāo)和一些不確定性指標(biāo)，而這些不確定性指標(biāo)的重要性在專家進行評價的時候表現(xiàn)的更為明顯[1]，通過在實踐中總結(jié)分析，建立基于專家系統(tǒng)，坦克駕駛模擬器訓(xùn)練效果評價指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 坦克駕駛模擬器訓(xùn)練效果評價指標(biāo)體系

1) 操作感覺評價。主要是對駕駛模擬器操作部件的性能是否與實車感覺相一致進行評價。包括駕駛操作的基本流程是否正確、操作部件的力感、系統(tǒng)響應(yīng)是否與實車的感覺相一致。

2) 模擬性能評價。主要是對駕駛模擬器的動力學(xué)性能和運動學(xué)性能是否與實車相符進行評價。動力學(xué)性能主要包括：發(fā)動機的性能、通過不同地形障礙物時車輛的轉(zhuǎn)速、整個車輛的狀態(tài)以及其他性能指標(biāo)的變化；運動學(xué)指標(biāo)主要是指在不同的情況之下車輛的速度、轉(zhuǎn)向性能等。

3) 環(huán)境逼真度評價。主要是指對視景仿真的逼真度、訓(xùn)練障礙物的設(shè)置是否準(zhǔn)確進行評價。在實際的評估過程中發(fā)現(xiàn)，視景仿真的逼真度直接影響受訓(xùn)對象駕駛技能的形成和掌握。

2 云模型評估方法

2.1 云模型的基礎(chǔ)理論

2.1.1 云的概念

人們常常用自然語言對事物給出評價，云模型指的是用語言值表示的定性的概念和其定量表示之間的不確定性轉(zhuǎn)換模型。

比如，設(shè)U是一個用精確數(shù)值量表示的論域，與U相對應(yīng)的定性概念是A，那么，對于任意一個論域中的元素x，都有一個具有比較穩(wěn)定傾向的隨機數(shù)y∈[0，1]，y也叫做x對A的隸屬度，將隸屬度在論域上的分布稱為隸屬云，簡稱為云。云由大量的云滴組成，它的形狀體現(xiàn)著定性概念的關(guān)鍵特性。每一個云滴都是對相應(yīng)定性概念的定量描述。云滴的生成，表征著相應(yīng)的定性概念與定量值之間存在著的不確定性映射。根據(jù)論域U的維數(shù)進行分類，一維云、二維云、多維云等多種不同類型[2]。

2.1.2 云的數(shù)字特征

云的數(shù)字特征反映了定性知識的定量特性，用期望值Ex、熵En、超熵He3個指標(biāo)來表征，如圖2所示[2-3]。

圖2 云的數(shù)字特征示意圖

期望值Ex:是最能代表這個定性概念的值也是概念在論域中的中心值，100%地隸屬于這個概念[2]。

熵En:反映了在論域中可被這個概念所接受的數(shù)值范圍，是定性概念模糊度的度量，熵越大，概念所接受的數(shù)值范圍也越大，概念越模糊[2]。

超熵He:是熵En的熵，反映了云滴的離散程度。超熵越大，云滴離散度越大，隸屬度的隨機性越大，云的“厚度”也越大[2]。

可見，云模型的3個數(shù)字特征值把模糊性和隨機性完全集成到一起，構(gòu)成定性概念和定量數(shù)值之間的映射關(guān)系，并以此作為知識表示的基礎(chǔ)。

2.2 基于云模型評價的基本方法

2.2.1 相關(guān)各指標(biāo)的云模型表示

在一個給定的系統(tǒng)性能評價指標(biāo)體系中，首先，提取n組樣品，然后將這n個精確數(shù)值型的指標(biāo)通過云模型來表示。其中[3]

Ex=(Ex1+Ex2+…Exn)/n

(1)

(2)

每個語言型值的指標(biāo)都可以用對應(yīng)的一個云模型來表示，因此對于n個語言值表示的一個指標(biāo)，可以用一維綜合云來表示[2]

(3)

En=(En1+En2+...Enn)

(4)

2.2.2 用綜合云表征系統(tǒng)狀態(tài)

對于系統(tǒng)的多個性能指標(biāo)，可以用多個云模型來表征，由于每個指標(biāo)都有相應(yīng)的權(quán)重，因此系統(tǒng)的狀態(tài)可以用綜合云來刻畫[4-5]。綜合云產(chǎn)生方法如下。

定義：給定論域上的兩個云C1和C2，分別描述為C1(Ex1,En1,HE1),C2(Ex2,En2,HE2)[2],假設(shè)有常數(shù)λ，則

(5)

λC=(λEx,λEn,λHe)

(6)

2.2.3 評測的評語集

根據(jù)分析和實際需求，采用由5個評語組成的評語集：

V=(v1,v2,…，v5)=(Vt|t=1,2,…，5) =(差、較差、一般、較好、好)構(gòu)成了一個定性評測的云發(fā)生器。

3 坦克駕駛模擬器訓(xùn)練效果評估實例分析

1) 根據(jù)上面提出的坦克駕駛模擬器訓(xùn)練效果評價指標(biāo)體系，采用專家評估的方法，對3項指標(biāo)(操作感覺評價E1、模擬性能評價E2、環(huán)境逼真度評價E3)分別進行評價，結(jié)果如表1所示。

表1 坦克駕駛模擬器訓(xùn)練效果評價表

2) 運用云理論，將語言值用相應(yīng)的3個數(shù)字特征值來表征。Ex的值作為表1中語言值的定量表達式，由此實現(xiàn)從定性表述到定量表示的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化結(jié)果如表2所示。

3) 由表2、式(3)、式(4)可以求得坦克駕駛模擬器訓(xùn)練效果3項評價指標(biāo)分別的云模型的參數(shù)Ex、EN，超熵He的值通常依據(jù)評語的模糊程度來調(diào)整，這里取值0.03。求得各指標(biāo)云模型參數(shù)如表3所示。

表2 評價值定量表

表3 各指標(biāo)云模型參數(shù)表

4) 對3個指標(biāo)的云模型進行一個綜合，最終形成對整個坦克駕駛模擬器訓(xùn)練效果評估的云模型E0，利用層次分析法，根據(jù)圖1中的評價指標(biāo)體系計算權(quán)重，由于篇幅有限，權(quán)重計算過程在此略去，經(jīng)計算求得操作感覺評價E1、模擬性能評價E2、環(huán)境逼真度評價E33個指標(biāo)的權(quán)重為(0.4,0.4,0.2)，將權(quán)重代入式(5)進行計算，得出綜合評價云模型E0(0.712 5, 0.042 51, 0.013 41)。

通過分析綜合云模型的云圖，如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)，評價結(jié)果云模型的大部分云滴被 “較好”的評價云所占有，因此可以判斷對該型號的坦克駕駛模擬器的訓(xùn)練效果綜合評價結(jié)果為“較好”。

圖3 評估結(jié)果云圖

4 結(jié)束語

從評價結(jié)果看出，云理論提供了一個很好的方法，在不損失其模糊性的基礎(chǔ)上，通過將定性的語言和指標(biāo)量化，較好地表征了評價結(jié)果的隨機性和模糊性，能夠很好地反映真實系統(tǒng)的重要特性。本研究結(jié)合項目研究所得，提出了坦克駕駛模擬器訓(xùn)練效果評價指標(biāo)體系，在此基礎(chǔ)上運用云模型對采集到的定性數(shù)據(jù)進行了處理和綜合評估，對處理定性-定量指標(biāo)綜合評價問題以及仿真系統(tǒng)的效果評估問題提供了有意義的探索和提高。

[1] 周梅軍，朱宏.軍用訓(xùn)練模擬器綜合評估的模糊層次模型[J].兵工自動化，2009,28(5)：41-42.

[2] 秦昳，盧強，黃士坦.基于云理論和信息融合理論的系統(tǒng)性能評估方法研究[J].計算機工程與科學(xué)，2012,34(2)：181-185.

[3] 鄧建軍，楊建軍，高峰.基于云理論的地空導(dǎo)彈武器假目標(biāo)逼真度評價[J].火力與指揮控制，2013,38(3)：92-94.

[4] 薛青.裝備作戰(zhàn)仿真基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[5] 馬亞龍，邵秋峰.評估理論和方法及其軍事應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社,2012.

(責(zé)任編輯 楊繼森)

Research for Training Effectiveness Evaluation of Tank Driving Simulator Based on Cloud Theory

MENG Hui1, 2, XUE Qing1

(1.Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China; 2.The No. 68304thTroop of PLA, Weinan 715200, China)

The simulation training is the key technology for solving the problem of actual military training. To solve the difficult problem of evaluating the simulation training, the cloud theory was applied in evaluating the tank driving simulator. Based on establishing the index system of training effectiveness evaluation of tank training simulator, the cloud models of each sub-index were proposed with cloud theory. The practical calculation result shows that the method is feasible. It provides meaningful exploration for dealing with comprehensive evaluation and effectiveness evaluation of simulator.

simulator; cloud theory; effectiveness evaluation

2015-03-09

孟輝(1988—)，男，碩士，助理工程師，主要從事裝備作戰(zhàn)仿真研究。

10.11809/scbgxb2015.08.020

孟輝,薛青.基于云理論的坦克駕駛模擬器訓(xùn)練效果評估[J].四川兵工學(xué)報，2015(8):82-84.

format:MENG Hui,XUE Qing.Research for Training Effectiveness Evaluation of Tank Driving Simulator Based on Cloud Theory[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(8):82-84.

TP391；TJ811

A

1006-0707(2015)08-0082-03