新裝備模擬訓練器的研制

【后勤保障與裝備管理】

新裝備模擬訓練器的研制

黃葵，朱興動

(海軍航空工程學院 青島校區(qū)六系，山東 青島266041)

摘要：為滿足新裝備教學訓練需求，通過半物理仿真和虛擬場景相結(jié)合的方式，研制了某型新裝備訓練模擬器；介紹了該訓練模擬器的設(shè)計思想，詳細論述了仿真機柜功能模型的建立和故障仿真方法，對新裝備訓練模擬器的開發(fā)具有較強的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：模擬器；裝備訓練；故障模擬；功能模型

收稿日期：2014-06-27

作者簡介：黃葵(1967—)，女，碩士，副教授，主要從事裝備保障、交互式電子技術(shù)研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.01.021

中圖分類號：TJ83

文章編號：1006-0707(2015)01-0075-03

本文引用格式：黃葵，朱興動.新裝備模擬訓練器的研制[J].四川兵工學報，2015(1):75-77.

Citationformat:HUANGKui，ZHUXing-dong.DevelopmentofNewEquipmentforTrainingSimulator[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(1):75-77.

DevelopmentofNewEquipmentforTrainingSimulator

HUANGKui，ZHUXing-dong

(The6thDepartment,QingdaoBranchofNavalAeronauticalEngineeringAcademy,Qingdao266041,China)

Abstract:The model X equipment training simulator was developed with a combination of semi-physical simulation and virtual scene in order to satisfy the demands of the new equipment training. The design philosophy and system layout were introduced, and both the method of establishing the functional model and fault simulation based on the construction experience were discussed in detail, which will serve as a reference for other equipment training simulators.

Keywords：simulator;equipmenttraining；faultsimulation;functionalsimulation

隨著部隊現(xiàn)代化建設(shè)的推進，越來越多的新型裝備投入使用。新裝備的技術(shù)復(fù)雜程度普遍較高，綜合性強，維修成本高[1]，要求技術(shù)保障人員具備較高的技術(shù)保障水平。然而，新裝備大多價格昂貴，實裝數(shù)量較少，往往不能及時配發(fā)院校，院校培訓只能以理論教學為主，嚴重影響了學員第一崗位任職能力的形成。模擬訓練是計算機技術(shù)和仿真技術(shù)融合的產(chǎn)物，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為軍事領(lǐng)域重要的訓練手段，研制新裝備訓練模擬器，開展裝備模擬訓練，已成為任職教育院校培養(yǎng)學員第一崗位任職能力的一項重要舉措。本文通過實裝仿真和虛擬場景相結(jié)合的方式，研制了具備操作訓練和維修訓練功能的某型新裝備訓練模擬器，較好地滿足了學員第一任職崗位的需求，有效促進了新裝備技術(shù)保障能力的形成。

1模擬器設(shè)計思想

新裝備訓練模擬器的基本功能是代替實裝開展裝備操作和維修訓練[2]，使受訓者快速掌握裝備操作使用技能。因此，訓練模擬器并不簡單地追求與真實設(shè)備的一致，而是在滿足訓練需求的前提下，盡可能簡化[3]，以虛代實、以軟代硬。確定操作維修項目多、控制關(guān)系復(fù)雜的機柜進行半物理仿真，為受訓者提供逼真的工作站位，使受訓者最大限度得到近似實戰(zhàn)化的訓練；對于價格昂貴、操作維修項目少、技術(shù)復(fù)雜程度高的分機或部件，建立三維實體模型，通過虛擬方式顯示在三維場景中；其他如配電柜、轉(zhuǎn)接箱等與訓練相關(guān)度低的分機部件視情去除或簡化。

2模擬器總體方案

某型裝備由控制系統(tǒng)、設(shè)備本體和執(zhí)行機構(gòu)3部分組成，控制系統(tǒng)提供了1個本地操作戰(zhàn)位和2個遠程操作戰(zhàn)位，完成裝備的操作控制和狀態(tài)監(jiān)視，并為設(shè)備本體和執(zhí)行機構(gòu)提供控制信號；設(shè)備本體作為被控制對象，用來顯示該設(shè)備的工作狀態(tài)；執(zhí)行機構(gòu)與設(shè)備本體機械耦合在一起，由執(zhí)行電機帶動設(shè)備本體運動。根據(jù)操作規(guī)程，該裝備共有5大類26個操作項目，全部集中在控制系統(tǒng)，艦員級維修手冊中明確的32個部件更換項目和11個故障排查項目，也有29個屬于控制系統(tǒng)。因此，根據(jù)虛實結(jié)合、軟硬結(jié)合的原則，對控制機柜采取半物理仿真，仿真機柜外觀與布局、操作(如按鈕、開關(guān)、控制閥等)和顯示界面(如儀表、指示器、信號燈、顯示屏等)與真實設(shè)備完全一致，提供與真實設(shè)備相同的監(jiān)控界面，具備與真實設(shè)備相同的操作反應(yīng)與結(jié)果；對控制機柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行簡化，保留可更換件，并對連接部分進行特別加固設(shè)計，以滿足反復(fù)拆裝訓練的需要；確保仿真機柜內(nèi)部關(guān)鍵點信號與實際工作信號相符，為故障定位提供依據(jù)；增加故障仿真單元，進行故障現(xiàn)象的仿真。執(zhí)行機構(gòu)和設(shè)備本體的技術(shù)復(fù)雜程度較高，訓練項目相對較少，為了降低訓練成本，采用虛擬仿真方式，在三維場景中進行顯示。為了更好地體現(xiàn)模擬器的訓練功能，增加教學控制臺，作為模擬器的控制管理中心[4]，對訓練過程進行實時監(jiān)控，并進行故障設(shè)置。

3模擬器結(jié)構(gòu)組成

訓練模擬系統(tǒng)由模擬控制系統(tǒng)、虛擬場景顯示系統(tǒng)和教學控制臺三部分組成(圖1)。模擬控制系統(tǒng)包括實裝所有控制機柜，提供操作和維修站位；虛擬場景顯示系統(tǒng)包括圖形工作站、投影系統(tǒng)和音響系統(tǒng)，用于三維場景和設(shè)備狀態(tài)的顯示；教學控制臺用來組織實施教學訓練，并進行訓練過程的管理。

圖1　某型裝備訓練模擬器組成

為了保證與實裝的高仿真度，同時兼顧訓練功能的拓展，針對信息流量的大小以及對信息實時性的要求，訓練模擬器選用不同類型的總線網(wǎng)絡(luò)。仿真機柜之間采用與實裝完全一致的現(xiàn)場總線構(gòu)成現(xiàn)場測控網(wǎng)，完成底層數(shù)據(jù)的采集與控制，滿足實時性、容錯性、安全性的要求。教學控制臺與仿真機柜之間基于以太網(wǎng)和UDP協(xié)議構(gòu)成管理信息網(wǎng)，實現(xiàn)大容量的通信，提高仿真數(shù)據(jù)和邏輯指令等信息的I/O速度，滿足訓練管理要求。

4模擬器技術(shù)實現(xiàn)

4.1功能模型的建立

模擬器的功能大多是通過軟件來實現(xiàn)的[5]，例如實裝控制柜面板上的電壓表顯示的是某處電壓的實時值，而仿真機柜通過單片機軟件對當前的操作輸入與教學控制臺的設(shè)置狀態(tài)進行綜合，控制電壓表頭的顯示值，呈現(xiàn)與實裝相同的結(jié)果。因此，模擬器設(shè)計階段一項重要的工作是建立實體對象的仿真模型[6]，將實裝機柜的功能轉(zhuǎn)化為計算機能夠處理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)信號的不同，仿真機柜面板上的輸入輸出設(shè)備可分為數(shù)字量和數(shù)據(jù)量兩類，數(shù)字量輸入設(shè)備(如按鈕)產(chǎn)生開關(guān)量信號Di1,…,Din，數(shù)據(jù)量輸入設(shè)備(如旋鈕)產(chǎn)生模擬量信號Mi1,…,Mim；數(shù)字量顯示設(shè)備(如指示器)接收開關(guān)量信號Do1,…,Dol，數(shù)據(jù)量顯示設(shè)備(如表頭)接收模擬量信號Mo1,…,Mok。根據(jù)實裝控制柜的功能，建立仿真機柜功能模型如下：

(1)

單片機不停采集輸入設(shè)備的狀態(tài)，根據(jù)式(1)解算得到輸出設(shè)備的控制信號，從而呈現(xiàn)出與當前操作動作對應(yīng)的顯示狀態(tài)，實現(xiàn)操作功能的模擬。

4.2故障的生成與嵌入

故障的處理能力是裝備保持戰(zhàn)斗力和性能恢復(fù)的基礎(chǔ)，屬于較高層級的技術(shù)保障能力，也是艦員級維修能力的重要組成部分。單個部組件的故障通過系統(tǒng)間的信息流通，在各部分之間相互影響，故障現(xiàn)象通過控制柜面板、執(zhí)行機構(gòu)和設(shè)備本體的運行狀態(tài)反映出來。訓練模擬器根據(jù)故障和功能相分離的原則，通過物理仿真和虛擬仿真相結(jié)合的方式，對故障進行仿真，確保故障產(chǎn)生的原因和故障表象與真實情況相同[7]。

故障的物理仿真，是在原電路上增加故障仿真單體，通過開關(guān)芯片或繼電器控制回路通斷，顯示正常和故障兩種現(xiàn)象。如圖2為燈故障產(chǎn)生電路，CPLD綜合控制柜面板的操作動作和教學控制臺的故障設(shè)置信息生成控制信號，控制繼電器的通斷，使LED的狀態(tài)和端電壓都與真實故障相同。

圖2　燈故障仿真單體

故障的虛擬仿真方式，是指建立故障類型與故障點狀態(tài)S1,…,SP的邏輯模型，將故障點狀態(tài)與輸入信號綜合后，驅(qū)動故障現(xiàn)象的再現(xiàn)。式(1)是正常工作狀態(tài)下的功能模型，考慮到故障現(xiàn)象的模擬，輸出設(shè)備的狀態(tài)應(yīng)該由輸入狀態(tài)和故障設(shè)置信息共同決定。因此，修正式(1)，得出仿真機柜完整功能模型如下：

(2)

例如，仿真機柜接收到教學控制臺發(fā)送的“燈故障”類型后，根據(jù)故障模型得出故障點狀態(tài){S}，再由式(2)得出輸出設(shè)備控制信號{D}，點亮面板上的告警指示燈，驅(qū)動蜂鳴器鳴響，顯示與實際故障相同的效果。

5結(jié)束語

某型新裝備模擬器采用半物理仿真與虛擬場景相結(jié)合的方式，構(gòu)建了裝備操作維修訓練平臺，實現(xiàn)了高逼真度仿真。訓練內(nèi)容不僅局限于基本的操作程序訓練，更可以通過故障現(xiàn)象的仿真，使受訓者熟悉典型故障現(xiàn)象，形成識別、判斷、排除故障的能力，為裝備深度維修奠定基礎(chǔ)。該訓練模擬器現(xiàn)已應(yīng)用于我校裝備教學，經(jīng)過三期使用，效果較好，有效促進了學員崗位任職能力的形成。

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(責任編輯周江川)