動力裝置虛擬協同訓練系統設計

謝宜，高文杰，翦華軍，謝繼樂

(1. 海軍潛艇學院，山東 青島 266199；2. 中國人民解放軍91999部隊，山東 青島 266011；3. 中國人民解放軍92858部隊，浙江 寧波 315812)

0 引 言

模擬器一般分為虛擬仿真訓練模擬系統和半實裝仿真訓練模擬系統。前者用軟件模擬實裝，學員通過鍵盤鼠標等工具操作電腦中的虛擬設備進行訓練，其優點是設備無磨損、個別設備升級換代后易于修改[1]；后者通過模擬實裝的外形、計算機模擬裝設備之間的邏輯關系，達到學員近似操作實裝的效果，缺點是設備有磨損、開發成本高[2-3]。在設計虛擬仿真訓練模擬系統時，主要通過CAD技術、虛擬現實技術和網絡技術進行開發[4-6]。

針對某型動力裝置人員實裝訓練時裝備損耗大且存在較大安全隱患等問題，本文以該系統為仿真對象，以SimuWorks仿真平臺為基礎，采用SimuMMI進行二維人機交互界面的開發，通過圖片和動畫實現閥門、管路、儀表等設備的動態邏輯實時交互功能；通過多流程的仿真設計模式實現人員多崗位、全系統、多工況的虛擬協同訓練模式。

1 總體結構

根據某型系統操作訓練的崗位需求，系統采用多層結構體系框架，主要包括任務層、平臺層、應用層和考評層，如圖1所示。

圖 1 總體結構圖Fig. 1General structure

其中任務層主要由教練員下達訓練科目及訓練模式。平臺層由多臺計算機組成，是人機交互終端，相互之間可以實現即時通信。應用層是虛擬訓練系統應用實現的核心，學員可以在此選擇學習模塊。考評層完成訓練任務考核功能，并將訓練成績反饋到任務層，教練員可根據學員訓練成績定制訓練任務，開展有針對性的補差訓練。

2 硬件組成

虛擬訓練系統硬件主要由教練監控系統、網絡系統、學員客戶端和配電網絡組成，如圖2所示。

圖 2 系統組成圖Fig. 2System composition diagram

教練監控系統主要是對學員訓練過程、訓練科目、訓練流程進行管理與評估。其中系統仿真平臺是整個仿真系統的核心單元，負責某型系統數學模型的計算，并通過網絡系統將計算出的仿真數據傳輸至其他學員客戶端，完成仿真系統狀態的實時更新。網絡系統提供各平臺之間通信。學員客戶端是設備操作訓練終端，根據訓練需要，可開展單崗位的操作訓練，也可根據某型系統各崗位為要素組成多崗位訓練。為了保證設備供電安全，本系統設立獨立的配電網絡進行供電。

3 軟件組成

虛擬訓練系統的軟件主要由仿真支撐平臺、通信軟件、教控臺軟件、系統設備仿真軟件、環境聲響模擬軟件等組成，如圖3所示。

圖 3 軟件結構圖Fig. 3Software structure diagram

整個虛擬訓練系統以SimuWorks仿真支撐平臺。該平臺由仿真引擎SimuEngine、圖形化自動建模軟件SimuBuilder、模塊資源管理器SimuManager、人機界面軟件SimuMMI和模塊庫SimuLib五部分組成。其中仿真引擎SimuEngine提供實時網絡數據庫及完整的仿真運行支撐功能，結合圖形化建模工具SimuBuilder，形成圖形化的建模環境，為仿真系統的開發和運行提供支持。SimuBuilder為圖形化自動建模系統，采用面向對象的模塊化建模方法，支持系統模型設計、模型建立、運行以及調試等各個階段。SimuBuilder提供通用算法和成熟的模塊（模塊庫SimuLib）。在系統已提供大量模塊庫的基礎上，利用系統提供的模塊資源管理器SimuManager，對發動機、發電機、蓄電池、閥門等特殊模型庫進行修改和擴充，以符合實際需求。仿真實時圖形系統SimuMMI是面向仿真領域的二維人機界面軟件。該軟件不僅有完善的繪圖功能，而且具有圖形的動態定義和顯示功能。在設計某型動力系統虛擬設備時，利用SimuMMI的動態功能將編輯的圖形與仿真的動態模型數據相聯系，成為一個人機操作界面的重要工具。

教控軟件負責整個虛擬訓練系統的組織、控制、調度，主要分為教控與管理兩大模塊。教控模塊包括虛擬訓練系統教控臺教控軟件和計算機初始化教控軟件兩部分。前者用于某型系統單崗位訓練流程、多崗位訓練流程、以及全系統訓練流程的教控與管理。后者實現遠程啟動/關閉仿真引擎SimuEngine、遠程啟動/關閉虛擬訓練終端人機界面任務程序等功能。管理模塊主要包括訓練檔案管理、數據庫管理、任務的加載等。

在模擬系統開發中進行設備噪聲環境模擬必不可少。設備運行環境聲響模擬軟件主要營造真實訓練環境，包括設備運行噪聲和艙室鈴聲，使訓練人員有身臨其境的感覺。該系統采用某型系統實裝環境聲音，通過采樣進行數字化存儲和處理，嵌入到SimuEngine中，播放時機根據實際設備運行情況設定，音頻文件采用WAVE格式。

4 虛擬訓練系統的實現

4.1 數學模型仿真程序

為了降低建模的復雜性，提高模型的可移植性，采用模塊化的建模方法將該型動力裝置按照系統組成分成基本設備和部件進行數學建模，如圖4所示。

圖 4 系統分層模塊圖Fig. 4System hierarchical module diagram

各個設備模型在模塊資源管理器SimuManager中建立，通過SimuBuilder進行系統建模。系統仿真服務器可以同時執行多個數學模型程序，并使之自動保持同步。仿真引擎SimuEngine軟件最小仿真步長為10 ms，數據刷新時間步為50 ms，可滿足該型艇某型系統仿真的要求。

設備的數學模型是整個仿真訓練系統的核心，要求真實、準確。在虛擬訓練系統開發過程中，對實裝原始數據預處理后采用樣條插值等方法進行擬合運算形成初步數學模型，再對其進行數字仿真，根據仿真結果進行修正，得到最后的仿真模型。以該型動力裝置發動機為例，主要計算運行過程中機組功率、轉速，耗氧率、耗油率、水溫、機油溫度、燃燒室溫度、排氣量以及工質壓力等參數的實時變化情況。

由于發動機運行過程中，接受的控制指令僅為功率檔位設定和起停操作，其它輸入輸出參數在控制系統下自動調整。因此，本文只對發動機的功率控制過程進行仿真，仿真模型如圖5所示。

在仿真模型中，結合實裝穩態運行時的參數，發動機的功率和油量的擬合關系為：

圖 5 功率調整仿真模型框圖Fig. 5Power regulation simulation model diagram

供氧閥的調節特性采用簡單的線性調節，穩態工況下供氧量與供油量的比例系數常數為，值根據機組額定功率下，機組耗氧率與耗油率的比值推算，即

4.2 人機交互界面程序

人機交互界面是仿真操作、數據顯示的主要載體，為保證人機交互界面的專業性及準確性，界面的設計與實際裝備一致。界面的開發主要在3ds Max 中繪制。完成底圖繪制后，通過SimuMMI軟件實現閥門、管路、儀表等設備的動態邏輯實時交互功能。

4.3 網絡通信程序

在虛擬訓練系統中，各終端之間的網絡通信采用TCP/IP協議實現。虛擬終端計算機安裝SimuEngine客戶端。在服務器數據庫中為每臺虛擬終端計算機設定一個控制字，每臺虛擬終端計算機都定時通過SimuEngine客戶端軟件獲取服務器上控制字的值，控制字的值不同則虛擬終端軟件所處狀態不同。

當虛擬終端軟件處于“操作”狀態時，虛擬終端軟件定時通過SimuEngine客戶端獲取服務器的數據庫內數據的當前值，根據當前值將虛擬終端軟件界面上的指示、顯示類元件置為相應的狀態。同時，虛擬終端軟件實時采集鼠標動作，根據鼠標在不同元件上的不同動作將相應的值通過SimuEngine客戶端寫入服務器數據庫，供模型計算。

當虛擬終端軟件處于“跟隨”狀態時，虛擬終端軟件定時通過SimuEngine客戶端獲取服務器的數據庫內數據的當前值，根據值將虛擬終端軟件界面上的指示、顯示類元件置為相應的狀態。

當虛擬終端軟件處于“禁操”狀態時，虛擬終端軟件不從服務器獲取有效數據，也不向服務器發送數據。

4.4 數據庫設計

系統仿真平臺提供仿真數據庫管理功能，一方面將系統設備仿真軟件中的所有變量、常量進行管理，另一方面將整個系統（包括教控軟件、系統設備仿真軟件、環境聲響模擬軟件等）中的命令字進行管理，保證系統各個部件之間的命令傳輸以及狀態的一致。虛擬協同訓練系統具有以下數據庫：

1）故障數據庫

在訓練過程中，結合模擬對象的運行特點進行故障設置。故障數據變量嵌套在系統設備仿真軟件中，仿真支撐平臺提供同實時數據庫相關聯的故障數據庫，教練員通過管理故障組、故障頁，設置故障程度、設置故障延遲時間等方式使用故障數據庫。故障數據庫與實時數據庫相關聯，教練員通過設置故障，可直接操作模型中的數據。

2）評估標準數據庫

評估標準數據庫變量嵌套在系統設備仿真軟件中，由教練員通過教控臺軟件進行管理，系統運行過程中自動累積評估。

3）訓練工況數據庫

訓練工況數據庫由教控臺教控軟件通過仿真支撐平臺的接口函數以文本形式（后綴名為.blk）進行保存或加載管理。

4）訓練流程數據庫

訓練流程數據庫由仿真支撐平臺自動管理，教控臺軟件通過仿真支撐平臺的接口函數進行調用。

4.5 訓練模式設計

1）崗位設計

該型動力裝置所含設備較多，根據裝備屬性分成多個子系統。每個系統設定一定數量的崗位，人員負責操作每個崗位上的具體設備。如圖6所示。

圖 6 崗位設計Fig. 6Post design

2）流程設計

為了解決不同人員訓練需求，訓練模式采用多流程設計方法，受訓人員可根據需要選擇單個系統或多個系統進行訓練，也可選擇某一個崗位或多個崗位操作相應設備。如果涉及多個崗位則需要多個人員協同配合。整個流程的設計思路如圖7所示。

圖 7 訓練流程設計Fig. 7Training flow chart

5 結 語

本文以某型動力裝置為仿真對象，基于SimuWorks仿真平臺設計了虛擬訓練系統。采用SimuMMI進行二維人機交互界面的開發，通過圖片和動畫實現閥門、管路、儀表等設備的動態邏輯實時交互功能；通過多流程的仿真設計模式實現人員多崗位、全系統、多工況的訓練模式。試用表明，該系統與實際裝備具有高度相似性，能夠實時仿真某型系統運行狀態，可滿足多人多崗位協同訓練要求。