某型遠(yuǎn)程火箭炮控制系統(tǒng)訓(xùn)練模擬系統(tǒng)研制

李思雨，黃少羅，曹立軍，張建平，吳巍屹

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003)

針對(duì)某型遠(yuǎn)程火箭炮武器系統(tǒng)訓(xùn)練和科研過(guò)程中實(shí)際裝備數(shù)量較少，官兵在實(shí)裝訓(xùn)練時(shí)不能全員參加，造成完全依托實(shí)裝進(jìn)行用炮、收炮、裝彈和退彈訓(xùn)練，容易導(dǎo)致實(shí)裝教學(xué)訓(xùn)練強(qiáng)度大、演示時(shí)間長(zhǎng)、裝備使用壽命縮短等問(wèn)題。當(dāng)遠(yuǎn)程火箭炮武器系統(tǒng)在訓(xùn)練過(guò)程中發(fā)生故障時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響訓(xùn)練和科研工作的進(jìn)度。通過(guò)遠(yuǎn)火控制系統(tǒng)訓(xùn)練模擬系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱模擬系統(tǒng))可以在脫離實(shí)裝的情況下進(jìn)行相關(guān)科目的操作訓(xùn)練，減少實(shí)裝損耗，提高訓(xùn)練效率[1]。在工作過(guò)程中與指揮車等其他裝備共同構(gòu)成一個(gè)整體，模擬系統(tǒng)除完成本機(jī)單獨(dú)的工作之外，還可以與其他模擬裝備之間進(jìn)行互聯(lián)，構(gòu)建武器系統(tǒng)的綜合訓(xùn)練平臺(tái)來(lái)進(jìn)行指揮訓(xùn)練。

1 模擬系統(tǒng)研制方案

1.1 設(shè)計(jì)思路

模擬系統(tǒng)研制方案的整體思路是：采用與實(shí)裝一致的組合面板，構(gòu)建系統(tǒng)基本硬件環(huán)境，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬組合內(nèi)部電路功能、實(shí)現(xiàn)各組合的邏輯控制，建立一個(gè)逼真的人機(jī)交互操作界面(環(huán)境)，實(shí)現(xiàn)裝備的操作訓(xùn)練、指揮訓(xùn)練和維修訓(xùn)練[2]。圖1為控制系統(tǒng)訓(xùn)練模擬系統(tǒng)發(fā)射車模擬器。

模擬系統(tǒng)由半實(shí)物操作子系統(tǒng)、虛擬器件子系統(tǒng)、半實(shí)物組件子系統(tǒng)、交互子系統(tǒng)和控制中心構(gòu)成，各子系統(tǒng)通過(guò)控制中心連接形成一個(gè)有機(jī)的整體，在控制中心的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制下工作，控制中心與分布式交互平臺(tái)相通，圖2是其組成原理框圖。

1.2 各子系統(tǒng)作用

1.2.1 控制中心

控制中心是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”。遠(yuǎn)程火箭炮武器系統(tǒng)正常工作時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系多樣、故障種類多，彼此關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，所以要全方位、精準(zhǔn)地在各個(gè)模擬子系統(tǒng)上把控制系統(tǒng)正常的運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)生故障時(shí)的現(xiàn)象真實(shí)地模擬出來(lái)。設(shè)計(jì)思路是結(jié)合子系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)相互之間的控制、邏輯關(guān)系，把整個(gè)模擬系統(tǒng)以各個(gè)子系統(tǒng)為模塊細(xì)化為不同單元，單元之間是獨(dú)立的。控制中心作為模擬系統(tǒng)的樞紐，中央控制板輸出指令，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口完成對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)操作面板開(kāi)關(guān)量、可調(diào)控變量等的監(jiān)督，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬系統(tǒng)的各子系統(tǒng)以及整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的控制。

1.2.2 半實(shí)物操作子系統(tǒng)

控制系統(tǒng)內(nèi)部電路連接復(fù)雜，不同的控制面板功能各異。因此人員進(jìn)行日常訓(xùn)練時(shí)，需要較強(qiáng)的操作能力。裝備發(fā)生故障時(shí)，會(huì)由不同原因造成，根據(jù)故障現(xiàn)象很難及時(shí)排除故障原因，在進(jìn)行維修訓(xùn)練時(shí)，更需要接近實(shí)際裝備的訓(xùn)練環(huán)境。半實(shí)物操作子系統(tǒng)采用半實(shí)物仿真技術(shù)的控制面板在外觀、功能上和實(shí)際裝備幾乎一樣，創(chuàng)造出真實(shí)的操作訓(xùn)練環(huán)境。

半實(shí)物操作子系統(tǒng)結(jié)合遠(yuǎn)程火箭炮武器系統(tǒng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行規(guī)律，由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，硬件部分主要以實(shí)操面板為主；軟件部分主要集中在終端上，完成信息的處理。

1.2.3 虛擬器件子系統(tǒng)

虛擬器件子系統(tǒng)是基于虛擬現(xiàn)實(shí)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程火箭炮武器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成、控制面板和組件之間的邏輯運(yùn)行關(guān)系，從而搭建出整個(gè)訓(xùn)練環(huán)境。結(jié)合數(shù)據(jù)記錄功能，可以存儲(chǔ)大量訓(xùn)練數(shù)據(jù)，進(jìn)行訓(xùn)練效果評(píng)估。還可以實(shí)現(xiàn)故障模擬，真實(shí)再現(xiàn)故障發(fā)生現(xiàn)象，便于人員虛擬維修訓(xùn)練。

1.2.4 半實(shí)物組件子系統(tǒng)

半實(shí)物組件子系統(tǒng)的主要功能是提供控制系統(tǒng)真實(shí)的工作環(huán)境，因此系統(tǒng)的各部分由實(shí)裝組件構(gòu)成，各部分組件之間用控制模塊和功能不一的電纜連接，便于模擬系統(tǒng)正常工作輸出的不同信號(hào)。根據(jù)不同的信號(hào)可以進(jìn)行訓(xùn)練、檢測(cè)與維修。

1.2.5 交互子系統(tǒng)

交互子系統(tǒng)主要是進(jìn)行模擬系統(tǒng)與其他武器裝備在信息上的互聯(lián)互通，對(duì)鏈路上的信息進(jìn)行有目的的控制。交互子系統(tǒng)轉(zhuǎn)接口可以與兩類裝備進(jìn)行交互，一是與實(shí)際的武器裝備；二是與其他模擬系統(tǒng)。

1.3 工作方式

從全系統(tǒng)層面講，模擬系統(tǒng)的工作方式主要分為聯(lián)動(dòng)工作方式和自主工作方式[3]。

1.3.1 聯(lián)動(dòng)工作方式

在該模式的工作下，模擬系統(tǒng)一方面完成本機(jī)工作，另一方面還要完成與其他設(shè)備之間的交互，以建立聯(lián)調(diào)聯(lián)試的武器訓(xùn)練平臺(tái)。聯(lián)動(dòng)工作方式信息流如表1所示。

表1 聯(lián)動(dòng)工作方式各子系統(tǒng)輸入、輸出信息一覽表

1.3.2 自主工作方式

在自主工作方式下，可完成模擬系統(tǒng)本機(jī)單獨(dú)工作，與聯(lián)動(dòng)工作方式的區(qū)別是模擬系統(tǒng)不需要與武器系統(tǒng)綜合訓(xùn)練仿真交互平臺(tái)交互信息，控制中心控制協(xié)調(diào)半實(shí)物操作子系統(tǒng)、虛擬器件子系統(tǒng)、半實(shí)物組件子系統(tǒng)獨(dú)立工作或協(xié)同工作[4]。

2 模擬系統(tǒng)硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于系統(tǒng)硬件的研究是指各子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，操作訓(xùn)練是一個(gè)典型的離散事件系統(tǒng)的仿真，整個(gè)過(guò)程是在操作產(chǎn)生的事件和遠(yuǎn)火控制系統(tǒng)內(nèi)單體設(shè)備產(chǎn)生的事件的驅(qū)動(dòng)下展開(kāi)的。仿真運(yùn)行的邏輯中，主要包括與具體的控制系統(tǒng)一致的開(kāi)關(guān)機(jī)步驟、指揮軟件操作和對(duì)操作過(guò)程的監(jiān)督、記錄3個(gè)部分。操作訓(xùn)練的全過(guò)程是激勵(lì)各模擬器單體作用下的效果，是在聯(lián)動(dòng)工作方式下進(jìn)行[5-6]。表1介紹了聯(lián)動(dòng)工作方式下，子系統(tǒng)輸入、輸出關(guān)系，因此主要對(duì)半實(shí)物操作子系統(tǒng)、半實(shí)物組件子系統(tǒng)和虛擬器件子系統(tǒng)分析研究。

2.1 半實(shí)物操作子系統(tǒng)

該部分采用“主控計(jì)算機(jī)+顯示控制計(jì)算機(jī)+故障診斷計(jì)算機(jī)”的控制模式。

根據(jù)系統(tǒng)裝備構(gòu)成特點(diǎn)，半實(shí)物操作子系統(tǒng)以實(shí)際裝備為基礎(chǔ)，依據(jù)工作原理，研制出的操作面板在外觀和功能上與實(shí)際裝備相同，從而達(dá)到模擬訓(xùn)練的真實(shí)性。實(shí)裝操作時(shí)主要是完成對(duì)操作面板和相關(guān)部件訓(xùn)練。硬件由兩大部分組成：

1)主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。輸入操作指令，運(yùn)行計(jì)算機(jī)相關(guān)程序進(jìn)行相關(guān)操作訓(xùn)練和故障仿真，針對(duì)故障現(xiàn)象，人員完成故障診斷，從而實(shí)現(xiàn)維修訓(xùn)練。

2)顯示控制計(jì)算機(jī)。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，主控計(jì)算機(jī)生成的程序傳輸給顯示控制計(jì)算機(jī)，顯示計(jì)算機(jī)呈現(xiàn)出系統(tǒng)運(yùn)行場(chǎng)景。

2.2 半實(shí)物組件子系統(tǒng)

半實(shí)物組件子系統(tǒng)的主要功能是提供裝備子系統(tǒng)真實(shí)的工作環(huán)境，因此控制系統(tǒng)的各個(gè)部件采用實(shí)裝部件，在部件之間連接及集成單元進(jìn)行連接，以保證部組件組成、功能與實(shí)裝相一致。同時(shí)，為了在半實(shí)物組件子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行操作使用和測(cè)試維修等訓(xùn)練，還需要根據(jù)實(shí)際需要對(duì)半實(shí)物組件進(jìn)行改裝，完成與實(shí)裝連接。硬件由實(shí)裝模塊、控制模塊、連接及集成模塊等組成。構(gòu)成如圖3所示。

半實(shí)物組件子系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程：連接及集成模塊通過(guò)機(jī)械和電氣連接，在控制模塊的控制下為實(shí)裝模塊提供正常工作所需的各種電源、激勵(lì)和控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備的正常功能。將設(shè)備的各實(shí)裝部件連接起來(lái)使設(shè)備正常工作；開(kāi)關(guān)可以控制鏈路部分產(chǎn)生的信號(hào)，便于觀察和隔離故障；通過(guò)指示燈指示測(cè)試位置，以供觀察；通過(guò)按鍵控制大屏幕液晶顯示器呈現(xiàn)測(cè)試位置。將以上3部分通過(guò)機(jī)架有機(jī)地組合在一起，構(gòu)成一個(gè)方便實(shí)用的操作環(huán)境。

2.3 虛擬器件子系統(tǒng)

虛擬器件子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)是各種虛擬裝備，主要由虛擬測(cè)試儀器、真實(shí)測(cè)試儀器、專用信號(hào)發(fā)生器3個(gè)部分構(gòu)成。在該子系統(tǒng)下，參訓(xùn)人員可以完成裝備虛擬訓(xùn)練、故障診斷后的虛擬測(cè)試、虛擬維修訓(xùn)練等。基于上述的訓(xùn)練需要虛擬器件子系統(tǒng)、控制中心、交互子系統(tǒng)進(jìn)行信息交互。虛擬器件子系統(tǒng)可以與半實(shí)物操作子系統(tǒng)進(jìn)行交互，也能夠與實(shí)裝操作子系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行進(jìn)行訓(xùn)練，從而實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練同步感知。虛擬器件子系統(tǒng)也可以單獨(dú)進(jìn)行虛擬維修訓(xùn)練。

3 模擬系統(tǒng)軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用樹(shù)狀形的軟件體系結(jié)構(gòu)，編程方法是面向?qū)ο缶幊?Object Oriented Programming，簡(jiǎn)稱OOP)，軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如下：

1)計(jì)算機(jī)

操作系統(tǒng)：Windows XP、Windows 2000；

內(nèi)存：3 GB；

顯卡：GF系列顯卡。

2)工具軟件

分布仿真支撐軟件：pRTI 1516/KD-RTI；

三維建模軟件：Softimage/XSI、Lightwave 3D、Cinema 4D、PRO-E；

虛擬仿真軟件：baiSimuWorks、PLC仿真軟件；

建模工具：Trufun Plato；

編程環(huán)境：Visual Studio 2003/2005/2008，Eclipse；

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)：MySQL/MariaDB。

3.1 子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1.1 半實(shí)物操作子系統(tǒng)

軟件層從功能上可分為應(yīng)用層、模擬層、網(wǎng)絡(luò)與通信層、硬件控制層和系統(tǒng)層。

半實(shí)物操作子系統(tǒng)能對(duì)武器系統(tǒng)的正常工作現(xiàn)象及常見(jiàn)的故障現(xiàn)象進(jìn)行模擬，在綜合考慮編程語(yǔ)言、用戶需要和工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)[7]。

系統(tǒng)的最上層為應(yīng)用層，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理及控制，并完成必要的人機(jī)交互及界面管理；其次是數(shù)據(jù)層，負(fù)責(zé)信息采集以及輸出和通信控制；第三層為邏輯層，負(fù)責(zé)各組合的正常邏輯控制以及故障現(xiàn)象的邏輯控制。

3.1.2 交互子系統(tǒng)

模擬系統(tǒng)除完成專業(yè)訓(xùn)練外，還需與其他裝備進(jìn)行交互訓(xùn)練。模擬系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)須在兩個(gè)層面考慮集成問(wèn)題。一是根據(jù)武器系統(tǒng)的信息流，考慮模擬器的輸入、輸出信息，既能夠接收其他模擬器輸入的信息，又能夠輸出信息到其他模擬器；二是設(shè)置數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)模擬系統(tǒng)間基于鏈路的分布互聯(lián)。

體系結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

3.1.3 虛擬器件子系統(tǒng)

從軟件設(shè)計(jì)來(lái)看，虛擬器件子系統(tǒng)的虛擬操作訓(xùn)練、虛擬維修訓(xùn)練以及聯(lián)合維修訓(xùn)練軟件框架有形似性，各組件間都采用一致的基于消息的交互。虛擬操作訓(xùn)練、虛擬維修訓(xùn)練以及聯(lián)合維修訓(xùn)練的軟件部分采用了相同的設(shè)計(jì)模式，以消息管理組件為核心的“組件-框架”交互模式和基于消息的組件互操作模式[8]。提取3種訓(xùn)練框架中的共性組件構(gòu)成虛擬器件子系統(tǒng)的支撐框架，3個(gè)訓(xùn)練任務(wù)的運(yùn)行可視為在統(tǒng)一框架下的軟件實(shí)例。虛擬子系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)流如圖5所示。

3.2 核心技術(shù)

研究訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，其核心技術(shù)如下：

1)仿真裝備與實(shí)裝的狀態(tài)映射方法設(shè)計(jì)。狀態(tài)映射是仿真裝備結(jié)構(gòu)的重要功能：一是仿真裝備結(jié)構(gòu)可以完全反映裝備的工作狀態(tài)或故障現(xiàn)象；二是在仿真裝備上進(jìn)行的狀態(tài)切換、工作模式控制、故障設(shè)置、信號(hào)注入均可以在實(shí)裝上得以表現(xiàn)[9]。仿真裝備與實(shí)裝的狀態(tài)映射方法主要通過(guò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)、分布式控制等手段實(shí)現(xiàn)，采用了與實(shí)物結(jié)構(gòu)、尺寸完全相同的仿真技術(shù)制作，即可進(jìn)行整體系統(tǒng)的操作演示，又可進(jìn)行各部件的拆裝、調(diào)試，完全可以替代對(duì)該系統(tǒng)的實(shí)裝訓(xùn)練。

2)故障模式及故障機(jī)理建模。故障模擬是訓(xùn)練模擬系統(tǒng)對(duì)于虛擬維修實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。故障模擬有兩個(gè)前提：一是對(duì)裝備的故障模式進(jìn)行分析；二是建立裝備發(fā)生故障時(shí)的機(jī)理模型。通過(guò)對(duì)原理研究以及實(shí)裝實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的故障機(jī)理建模[10]。從單體設(shè)備的功能、組成著手，運(yùn)用RCM和FMEA等理論對(duì)單體設(shè)備及其軟件模塊可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析，確定各單體裝備的故障模式、現(xiàn)象以及輸出的故障信號(hào)形式；然后，研究單體設(shè)備之間的連接關(guān)系和工作原理，分析傳輸信號(hào)的種類、數(shù)據(jù)組成、收發(fā)時(shí)序等參數(shù)。

3)實(shí)裝產(chǎn)生信號(hào)與訓(xùn)練狀態(tài)同步生成模式。產(chǎn)生故障時(shí)，明確單體設(shè)備之間影響特點(diǎn)，構(gòu)建故障機(jī)理模型，從而實(shí)現(xiàn)故障模擬[11]。借助深度學(xué)習(xí)的診斷技術(shù)，對(duì)于不同信號(hào)形式的模擬，構(gòu)建信號(hào)發(fā)生設(shè)備，內(nèi)部嵌入多種專用信號(hào)發(fā)生模塊，能夠產(chǎn)生與實(shí)裝相匹配的信號(hào)形式。在實(shí)際裝備上進(jìn)行故障試驗(yàn)，著重采錄單體操作面板的故障現(xiàn)象、采集單體設(shè)備輸入、輸出端口的信號(hào)特征等，對(duì)故障機(jī)理模型進(jìn)行修正和完善。設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，輸出正常信號(hào)；設(shè)備處于故障狀態(tài)時(shí)，將此端口信號(hào)中斷，沒(méi)有輸出。

4 結(jié)束語(yǔ)

遠(yuǎn)火控制系統(tǒng)訓(xùn)練模擬系統(tǒng)采用了一體化綜合模擬設(shè)計(jì)方法，借助半實(shí)物仿真技術(shù)，能夠替代實(shí)裝的結(jié)構(gòu)、動(dòng)作教學(xué)，也可以完成對(duì)結(jié)構(gòu)分解結(jié)合、故障設(shè)置與排除等維修訓(xùn)練。達(dá)到了結(jié)構(gòu)、動(dòng)作與實(shí)物的仿真效果；同時(shí)使系統(tǒng)中抽象的原理更加直觀化。該模擬系統(tǒng)具有功能全面、仿真效果好、可視化程度高等特點(diǎn)，可用于部隊(duì)、院校及訓(xùn)練機(jī)構(gòu)的平時(shí)教學(xué)訓(xùn)練，有著明顯的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。