數字化裝甲分隊嵌入式訓練系統設計

【信息科學與控制工程】

數字化裝甲分隊嵌入式訓練系統設計

彭文成,高韶祎,徐豪華

(裝甲兵工程學院 陸軍裝備作戰仿真重點實驗室，北京100072)

摘要：嵌入式訓練系統能夠滿足部隊不斷增長的訓練需求，大量的信息化裝備成體系列裝部隊，為嵌入式訓練提供了數字化的平臺和基礎；以陸軍數字化裝甲分隊為對象，在分析嵌入式訓練概念和特點的基礎上，闡述了嵌入式訓練系統的基本原理，研究了嵌入式訓練系統的主要需求；進行了系統框架設計和功能的具體分析，并對實現嵌入式訓練系統的關鍵技術進行了研究。

關鍵詞：數字化裝甲分隊;嵌入式訓練系統;系統設計

收稿日期：2015-03-25

作者簡介：彭文成(1966—)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事軍事裝備學和指揮自動化研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.023

中圖分類號：E952

文章編號：1006-0707(2015)09-0090-04

本文引用格式：彭文成,高韶祎,徐豪華.數字化裝甲分隊嵌入式訓練系統設計[J].四川兵工學報，2015(9):90-93.

Citation format:PENG Wen-cheng, GAO Shao-yi, XU Hao-hua.Design of Embedded Training System for Digital Branch[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(9):90-93.

Design of Embedded Training System for Digital Branch

PENG Wen-cheng, GAO Shao-yi, XU Hao-hua

(Key Laboratory of Army Equipment Operation Simulation,

Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072,China)

Abstract:Embedded training system can satisfy the growing training demand of the troops. Equipped with plenty of informationized equipment, the troops have the platform and foundation for embedded training. Based on the concept and characteristics of the embedded training ,this paper took digital armored branch as subject, and focused on the principles of embedded training system, and gave a research on the main requirements of the system, and analyzed its structure and function, and introduced key technologies of embedded training system.

Key words: digital armored branch; embedded training system; system design

隨著裝備更新速度的加快和訓練需求的多樣化，與實裝相分離的模擬訓練系統開始暴露出越來越多的弊端，人們開始關注嵌入實裝的訓練系統，并投入大量人力物力進行研究。嵌入式訓練(Embedded Training ET)是指將訓練系統嵌入到實際裝備中，在真實的裝備環境下實施的訓練[1]。它能結合模擬訓練和實裝訓練各自的優勢，滿足部隊日益多樣化的訓練需求，開發嵌入式訓練系統已經成為各軍事強國訓練轉型的主要方向之一。

當前，陸軍正朝著小型化、靈活化、模塊化的趨勢發展，作為陸軍基本作戰單元的數字化裝甲分隊，是進行地面突擊任務的主要力量，在基于信息系統的作戰體系中擔任地面指揮平臺，承擔連接溝通其他各兵種的核心作用，數字化裝甲分隊對嵌入式訓練系統的需求更為強烈。

1嵌入式訓練的概念及特點

1.1嵌入式訓練的概念

嵌入式訓練就是嵌入到裝備內部的訓練。它是指在作戰系統、子系統、或設備上嵌入或增加的能夠使操作人員更加熟練的掌握各項技能而進行的訓練[1]。它的實質是將訓練集成到裝備中，即通過對裝備軟硬件的改造，在裝備中嵌入一種能力，使得訓練人員能夠通過虛擬與仿真技術，在實裝中“看到”操作的效果，并通過與裝備其他子系統的交互實現訓練、任務轉換、戰場態勢顯示和評估等功能，從而使訓練人員獲得與實戰相符的心理與生理適應性，提升訓練質量。

1.2嵌入式訓練的特點

嵌入式訓練可以理解為模擬訓練系統與實裝的結合，它結合兩者各自的特點，具有較強的真實性和時效性，能在很大程度上滿足日益擴展的軍事訓練需求，具體來說，主要有以下優點：

1.2.1降低了訓練門檻

現有模擬訓練器材大都與實裝相分離，單獨放置在模擬教室或是訓練場，移動比較困難，極大地限制了部隊訓練的時間和空間。嵌入式訓練系統與實裝一體，擺脫了模擬器的限制，使得部隊可以在野外、在陌生地域隨時隨地進行訓練，降低了訓練門檻。

1.2.2減少了開發成本

隨著裝備門類的增多和自動化智能化程度的提高，模擬器的開發也更加復雜，每研制一種新裝備，就開發一套模擬訓練系統，耗資巨大，而且存在一定的浪費[2,3]。利用計算機的軟件模擬和實裝的硬件環境，安裝嵌入式的訓系統，可以大幅降低成本，提高了訓練的效費比。

1.2.3拓展了訓練的范圍

由于訓練地域和實裝本身的限制，實際訓練環境比較固定，與作戰地域有一定差距，且不便于開展多地形的訓練。利用仿真和虛擬技術搭建的嵌入式訓練系統，可以根據想定設定各類作戰環境參數，獲得逼真的訓練效果，可以仿真各類環境和敵情，提高模擬目標的逼真程度，從而減少訓練空間的限制，獲得更好的效果。

1.2.4便于實時評估

嵌入式訓練系統更多的依賴計算機的仿真和模擬，因此對訓練人員操作和效果的記錄、對各項訓練數據的實時共享與處理更加便捷，可以對訓練效果進行實時評估反饋，從而準確的掌握訓練的真實情況，為下一步訓練決策提供有效的數據支持。

2數字化裝甲分隊嵌入式訓練系統的基本原理

數字化裝甲分隊嵌入式訓練系統就是通過對裝甲車輛的軟硬件設備進行改造和升級，將原來獨立的模擬訓練系統嵌入到實裝中，實現兩者功能的結合。其原理如圖1所示。

硬件部分一方面是對車載計算機、電源等部件進行升級，提高計算機的處理能力，另一方面是為數據采集提供接口，其采集來源是信息系統中的通用傳輸服務部分。

數據庫部分主要是按照車載計算機的平臺與標準，對數據庫進行改造和升級，并以此為基礎搭建各類訓練和評估數據庫，為系統功能的實現提供基礎支撐。

主控軟件改造主要是以實裝的原有軟件平臺為基礎，加入模擬訓練模塊，主要包括訓練模式選擇，數據采集管理軟件、數據處理共享軟件、虛擬環境仿真軟件和戰場態勢生成軟件等，為受訓人員搭建逼真的戰場環境；通過評估軟件，實現對訓練效果的實施評估反饋；通過對受訓人員操作的記錄與存儲，實現對訓練過程的回放；戰場態勢、訓練效果的評估和過程回放都通過人機交互界面實時顯示出來。

圖1　嵌入式訓練系統原理

3系統需求分析

近年來，通過大規模的整體換裝和綜合集成改造，數字化裝甲分隊的信息化程度已經有了大幅提高，嵌入式訓練系統以此為基礎進行改造。

3.1功能性需求

嵌入式訓練系統，就是通過改造車載計算機的軟硬件設備，加入模擬訓練模塊，將車外模擬訓練系統搬到車載計算機中，實現成員在實裝中、在實際的操作席位上的訓練，并進行實時的態勢顯示和效果評估。其主要功能有：

1) 訓練任務計劃編輯

將大綱中的各個訓練科目以想定的形式存儲在電腦中，供訓練者選擇。按照不同的想定，選擇對應的訓練任務，包括作戰環境選擇、作戰任務選擇、虛擬兵力生成、時間列表設置等。

2) 戰場態勢模擬與顯示

訓練系統能夠根據想定的訓練場景和任務計劃，實時仿真生成真實作戰環境下的地形、氣候、地面/空中威脅、友鄰等數據信息，并能夠實時進行顯示。

3) 實時評估反饋

能夠對訓練人員的操作和決策信息進行實時評估，對其效果進行顯示，支持操作回放，能以鳥瞰視角觀察訓練全階段的戰場態勢。

4) 自由對抗訓練

可將已有較為成熟的坦克分隊對抗游戲加載到訓練系統中，作為其中的一個子模塊，訓練人員在完成基礎的科目后，可以進行自由對抗訓練，增加訓練的趣味性。

3.2性能需求

1) 系統兼容性

嵌入式訓練系統以車載計算機的操作系統為基礎，采用Oracle8.1.7數據庫管理系統。

2) 可靠性

系統可靠性應不低于改裝前系統可靠程度，訓練系統46h任務可靠度不低于95%。

3) 可維護性

便于日常管理和維護，即使系統出現錯誤也能人工或自動的方法得到解決。

4) 環境適應性

符合GJB367A中有關裝甲車載設備嚴酷等級規定的要求，在各種復雜條件下滿足使用要求。

5) 易操作性

環境界面友好，便于操作使用。

4系統框架設計

根據實裝平臺的基本構架和嵌入式訓練系統的主要需求，數字化裝甲分隊嵌入式訓練系統的功能結構由應用層、功能層、運行支撐環境層和數據層組成，具體結構如圖2所示。

應用層為教練員和受訓人員直接操作的系統，包括管理維護系統、基礎訓練系統、組網訓練系統、綜合演練系統和自由對抗系統5個部分，依托運行支撐環境層，集成功能層的各類軟件，滿足不同的訓練需求。其中管理維護系統主要為教練員和管理人員分發想定內容、導調訓練進程、講評訓練效果、維護系統運營提供支持；受訓人員根據訓練進度安排和自身實際，可以選擇基礎訓練、組網訓練、綜合演練或自由對抗等模式進行訓練。

功能層主要是支持系統具體功能的應用軟件的集合，是應用層的組成部分[4]。包括運行監護、隨機導調、進程控制、模式選擇、想定分發、態勢顯示、操作數據采集、數據處理共享、實施評估、效果反饋、態勢回放和管理維護等應用軟件。

仿真運行支撐環境提供了一系列由“接口規范”定義的服務[5]，系統運行時，通過標準接口和通信機制實現交互，達到各模型之間信息的交互，并保證時鐘的統一。仿真運行支撐環境分為3層，第1層操作系統和網絡環境層，根據不同車型，分為Windows 和VxWorks 操作系統，第2層的數據引擎主要保證各軟件間的信息交換，第3層為應用軟件實現運行提供各類公共服務。

數據層主要功能是完成數據的采集存儲和處理，包括基礎數據庫、想定數據庫、評估數據庫和自由對抗數據庫等。此外，系統應按照有關裝甲車載設備嚴酷等級的規定，滿足可靠性、安全性等要求，安全保密與系統管理貫穿整個過程。

圖2　嵌入式訓練系統的功能結構

5系統關鍵技術研究

嵌入式訓練技術是以電子和信息技術為基礎，涉及計算機、圖形顯示、訓練、裝備運用等多種技術的綜合技術。本文所研究的坦克嵌入式訓練系統主要包括以下關鍵技術。

5.1主控軟件改造的技術路線

嵌入式訓練是在實際裝備內部的嵌入，改造后的裝備既要保持原有的作戰效能不受影響，又能夠進行逼真的模擬訓練。因此在作戰模式和訓練模式切換的過程中，必須保證系統與外部的交互和控制不受影響，確保系統的安全性[6,7]。對主控軟件的改造是實現嵌入式訓練系統的核心環節。

對原有軟件系統的改造，主要是在新版主控系統中加入仿真模型板塊。系統在作戰模式下軟件的運行控制與原有系統相同，控制信號輸入到對應的執行機構，完成相應的控制。在訓練模式下，根據受訓人員選擇的不同訓練模塊，操作面板輸入的控制信號輸出到仿真模塊，模擬出產生的效果，并生成實時態勢進行顯示。在軟件改造過程中，在每個控制器上增加額外的通信模塊，完成操作信號在執行機構與訓練仿真模塊之間的屏蔽，從而在作戰模式下，能夠按照實際戰場態勢進行顯示和評估，實現在訓練和操作模式下的安全切換。

5.2車載計算機的升級

嵌入式計算機是硬件改造的核心。坦克車載計算機受車內空間限制，體積較小，計算機的內存、處理速度、存儲空間、圖形顯示等性能與車外獨立的計算機還有較大差距，需要大幅度升級改造[8-10]。因此，在遵守車載設計要求的基礎上，應該升級內存、處理器等計算機的核心部件，滿足高速運算和存儲要求；加裝足夠的外設接口，能實時生成復雜的虛擬態勢目標，并支持多接口的數據傳輸；為滿足逼真的視景仿真需求，還應該配備專門的圖形處理器，支持圖形加速和DirectX渲染引擎，在顯示虛擬場景時，評估刷新率要達到至少25幀/s。

5.3數據的采集與處理

嵌入式訓練系統的功能，主要是通過由訓練系統產生的虛擬效果與實際裝備運行模式的結合來實現，其關鍵技術就是在訓練系統與實際裝備之間搭建起一個穩定的信息交互通道，實現信息的收集、處理和傳輸等[11-13]。具體功能包括短報文信息采集、文電信息采集、實時報文信息采集、數據采集管理、數據傳輸等。

數據采集管理主要是對數據采集功能進行配置，對采集的狀態進行監控，提供采集的訪問接口，對所采集的作業信息進行控制和記錄，并將傳輸到數據管理端，寫入采集數據庫。嵌入式訓練系統所處裝備環境的特殊性，對信息采集提出了更高的要求，既要滿足各個功能對數據實時共享的要求，又要防止數據在復雜電磁環境下的失真和紊亂，因此，數據的實時采集與處理，是實現嵌入式指揮訓練的一個難點。

5.4實時評估顯示

依托數字化裝備中信息系統提供的軟硬件環境和支撐數據，完成對受訓人員操作指揮能力的評估是嵌入式指揮訓練中最重要的環節，其結果的準確與否將直接影響教練員對真實訓練情況的掌握，從而對后續訓練的決策產生影響。難點在于運用復雜系統和辯證法的思想，建立起適應指揮訓練特點的指標體系，進行科學有效地評估，并不斷應用新技術實現評估和反饋功能的智能化。

評估效果和戰場態勢的實時顯示負責根據想定生成戰場環境，生成虛擬作戰目標，實時匯集參訓武器平臺的訓練數據，通過二維和三維的形式實時顯示敵方目標、友鄰目標、作戰過程和打擊效果，使受訓人員獲得類似實際戰場的心理感受；能夠實時顯示評估效果并進行保存，為指揮訓練事后講評回放提供依據。

6結束語

依托數字化裝備的信息系統，將模擬訓練系統嵌入到主戰裝備中，實現兩者功能的優化組合，已經成為今后重點發展的訓練模式之一。本研究以陸軍數字化裝甲分隊為對象，在分析嵌入式訓練概念和特點的基礎上，重點闡述了嵌入式訓練系統的基本原理，研究了嵌入式訓練系統的主要需求，進行了系統框架設計和功能的具體分析，并對實現嵌入式訓練系統的關鍵技術進行了研究。

本研究僅對數字化裝甲分隊嵌入式訓練系統的改造做了原理性的探索，達到實際應用目標還有許多技術和機制方面的工作，主要包括裝甲車輛內部設施的改造、計算機等硬件設施的升級、軟件系統的改裝等，還需要大量深入細致的研究。

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(責任編輯唐定國)