基于分塊取景的標(biāo)準(zhǔn)化艦艇作戰(zhàn)訓(xùn)練模擬臺設(shè)計

孫永侃，李雪飛

（海軍大連艦艇學(xué)院作戰(zhàn)軟件與仿真研究所，遼寧 大連 116018）

基于分塊取景的標(biāo)準(zhǔn)化艦艇作戰(zhàn)訓(xùn)練模擬臺設(shè)計

孫永侃，李雪飛

（海軍大連艦艇學(xué)院作戰(zhàn)軟件與仿真研究所，遼寧 大連 116018）

針對標(biāo)準(zhǔn)化艦艇作戰(zhàn)訓(xùn)練模擬顯控臺的研制，分析了目前模擬臺發(fā)展的現(xiàn)狀及問題，設(shè)計了基于分塊取景的標(biāo)準(zhǔn)化模擬臺的邏輯結(jié)構(gòu)，闡述了取景控制原理、系統(tǒng)通用的硬件配置組成以及軟件架構(gòu)，提出了模擬臺的使用流程。新的模擬臺能夠更好地滿足多種類、多型號武器裝備的模擬需求。

分塊取景，標(biāo)準(zhǔn)化，艦艇作戰(zhàn)訓(xùn)練，模擬臺

0 引言

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，艦艇作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)借助其經(jīng)濟(jì)性、安全性、高效性、逼真性等諸多優(yōu)勢，在海軍訓(xùn)練裝備建設(shè)中的地位日益凸顯，成為艦艇訓(xùn)練的主要方式之一。相關(guān)部門對艦艇作戰(zhàn)模擬系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)投入了很大努力，并取得了顯著成果。

由于應(yīng)用背景不同，目前主要存在軟模擬、硬模擬以及軟硬結(jié)合模擬3種方式來滿足和實現(xiàn)不同的應(yīng)用條件。其中，軟模擬通過采用通用計算機(jī)運行戰(zhàn)術(shù)軟件的方式來實施戰(zhàn)法研究、教學(xué)、科研等任務(wù)。而用于部隊官兵模擬訓(xùn)練來實現(xiàn)對實際裝備的熟練掌握，則通常采用硬模擬，即與實裝1∶1的模擬。但是由于艦艇作戰(zhàn)武器系統(tǒng)的種類與型號眾多、引進(jìn)與國產(chǎn)裝備并存、短時期內(nèi)新舊裝備并用等客觀發(fā)展現(xiàn)狀，使得相應(yīng)裝備的操作部件也多種多樣。因此，以往采用硬模擬研制的模擬顯控臺多是針對單一種類、單一型號的裝備設(shè)計其仿真臺，造成系統(tǒng)相互之間移植性差，操控按鍵及面板等各式各樣從而降低了再次開發(fā)、資源重復(fù)使用的效率。所以提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)多種類、多型號作戰(zhàn)裝備模擬訓(xùn)練的環(huán)境，并且能夠根據(jù)訓(xùn)練需要選擇或更改顯控裝備的類型，即建立一種標(biāo)準(zhǔn)化的模擬顯控臺，對于海軍訓(xùn)練裝備的強(qiáng)勁發(fā)展意義深遠(yuǎn)。

為了既能實現(xiàn)多種類、多型號裝備系統(tǒng)的模擬，同時又能滿足為受訓(xùn)人員提供逼真的手動操作環(huán)境，本文參考顯控臺標(biāo)準(zhǔn)化的建設(shè)思路，采用軟、硬模擬相結(jié)合的方式設(shè)計了一種標(biāo)準(zhǔn)化的模擬顯控臺。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

艦艇武器設(shè)備實裝在信息輸入接收原理、處理過程和輸出信息的過程基本相似，只是在電子元器件、結(jié)構(gòu)、信息顯示方法及輸入輸出通道等方面存在差異［1］。而模擬系統(tǒng)則是采用計算機(jī)技術(shù)實時地仿真艦艇武器裝備的操作使用界面和動作過程，因此，在把握模擬實裝、簡化結(jié)構(gòu)的程度上，提出了如下設(shè)計要求：

（1）盡量在人機(jī)界面、操控反映、功能實現(xiàn)等與實裝顯控臺保持一致，力求形似和神似。

（2）采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)，改型只是細(xì)微的局部，如操縱桿/跟蹤球。

1.2 功能結(jié)構(gòu)設(shè)計

方法上，應(yīng)當(dāng)盡可能把現(xiàn)有的顯控臺分類，從原理、體系上探究其通用、特異的組成部分，在此基礎(chǔ)上參考實裝標(biāo)準(zhǔn)顯控臺的建設(shè)思路建立標(biāo)準(zhǔn)化艦艇訓(xùn)練模擬臺的構(gòu)建體系。

目前研制的顯控臺從功能與組成上基本上可劃分為以下幾個部分［2-5］：

（1）顯示部分。采用若干顯示器顯示圖形界面、表頁內(nèi)容等；

（2）技術(shù)操作部分。主要是受訓(xùn)人員執(zhí)行各種操作的戰(zhàn)術(shù)命令菜單、操控面板、觸摸按鍵等。不同武器設(shè)備顯控臺上的按鍵及其具體功能可能存在不同，但從宏觀上均是操作部件；

（3）關(guān)鍵操作部分。對裝備的特殊控制，主要包括操縱桿或跟蹤球（摸球）；

（4）其他輔助部分，如主機(jī)、電源控制、鼠標(biāo)、鍵盤等。

相應(yīng)的，建立標(biāo)準(zhǔn)化模擬顯控臺可以將系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)分為4個區(qū)，即：圖表區(qū)、操控區(qū)、關(guān)鍵部件區(qū)和輔助部件區(qū)。

圖表區(qū)，即以圖形界面或表頁的形式顯示武器及設(shè)備工作狀態(tài)、重點目標(biāo)參數(shù)等各種信息，可進(jìn)一步詳細(xì)劃分為圖區(qū)和表區(qū)，在仿真臺上可以同時存在圖與表，也可以單一存在。如雷達(dá)回波掃描界面、炮瞄仿真界面、三維視景及視頻、觀測器界面等可以在圖區(qū)顯示，而武器設(shè)備搜索、跟蹤目標(biāo)的參數(shù)、射擊諸元信息以及其他工作狀態(tài)等可在表區(qū)顯示。

操控區(qū)，即將實裝中為受訓(xùn)人員提供的技術(shù)操作界面，如顯控臺上的各種按鍵以及控制面板、觸摸按鍵等統(tǒng)一歸為操控區(qū)，是受訓(xùn)人員對仿真臺的操作訓(xùn)練區(qū)域。

關(guān)鍵部件區(qū)，主要是根據(jù)特殊裝備而定，操作手（受訓(xùn)人員）對其執(zhí)行手動操作，主要包括操縱桿或跟蹤球。

輔助部件區(qū)，包括主機(jī)、電源控制、鼠標(biāo)、鍵盤及內(nèi)部通訊裝置等。其中電源控制實現(xiàn)對模擬臺的電源管理、復(fù)位；鍵盤和鼠標(biāo)用于計算機(jī)操作系統(tǒng)及仿真系統(tǒng)的管理；內(nèi)通裝置實現(xiàn)訓(xùn)練模擬顯控臺局域網(wǎng)絡(luò)之間的內(nèi)部通信。

顯控臺的功能從宏觀上看，主要就是“顯示”與“控制”。目前，顯控臺的“顯示”功能基本上均是使用顯示屏，硬件基本相同，而“控制”功能的實現(xiàn)（即技術(shù)操作部分與關(guān)鍵操作部分）則采用了多種多樣的面板、按鍵等來滿足不同的武器系統(tǒng)要求。因此，為了達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化模擬顯控臺的設(shè)計目標(biāo)，采用軟模擬的方式（即通過觸摸顯示屏以虛擬儀表的方式）仿真實現(xiàn)“控制”部分（主要是操控區(qū)），并在以上4部分區(qū)域的基礎(chǔ)上添加“取景區(qū)”來實現(xiàn)對不同種類、型號武器裝備操控區(qū)的取景控制。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化艦艇訓(xùn)練模擬顯控臺的邏輯結(jié)構(gòu)示意圖

取景區(qū)的作用主要是：

（1）顯示系統(tǒng)的全局狀態(tài)，以便在全局狀態(tài)上進(jìn)行取景。主要包括3種顯示情況：①顯示單顯控臺狀態(tài)；②顯示一組武器系統(tǒng)的多個顯控臺狀態(tài)；③顯示特定訓(xùn)練情形下組合的多個顯控臺狀態(tài)。

（2）控制操控區(qū)操作內(nèi)容的選取，即操控區(qū)的操作內(nèi)容是可以人為改變的，而改變的方法是通過對取景區(qū)取景器的控制和設(shè)置。取景的內(nèi)容即操控區(qū)的操控內(nèi)容，主要包括：①武器裝備顯控臺戰(zhàn)術(shù)使用菜單的觸摸按鍵、熱鍵等；②功能操作面板（按鈕、按鍵、工作狀態(tài)指示燈等）。

受訓(xùn)人員通過設(shè)置取景器，改變?nèi)【皡^(qū)中取景器的位置、大小等因素，可在全局狀態(tài)上實時取景。取景內(nèi)容除了放大后直觀、清晰地顯示在操控區(qū)上面外，還可由受訓(xùn)人員直接在操控區(qū)上面進(jìn)行操控，操作反映將直接反饋到系統(tǒng)的全局狀態(tài)上面。

1.3 取景控制原理

1.3.1 系統(tǒng)全局狀態(tài)

根據(jù)訓(xùn)練需要，在取景區(qū)顯示一臺或多臺仿真臺的工作狀態(tài)，可以通過仿真臺的三維模型來顯示。系統(tǒng)的工作狀態(tài)主要包括：

（1）仿真臺圖表區(qū)顯示屏顯示內(nèi)容；

（2）仿真臺操控區(qū)操控內(nèi)容；

（3）仿真臺系統(tǒng)操作提示燈、指示燈的狀態(tài)及其他操作后系統(tǒng)的狀態(tài)反應(yīng)等。

由此可以看出，取景區(qū)顯示的系統(tǒng)全局工作狀態(tài)實際上就是一臺或一組訓(xùn)練仿真臺在宏觀上工作狀態(tài)的全景圖，包括仿真臺的顯示屏、觸摸屏、技術(shù)操作面板、關(guān)鍵部件以及指示燈、機(jī)柜、外殼等在內(nèi)，其中操作與顯示的內(nèi)容（顯示屏、觸摸屏、技術(shù)操作面板與指示燈）是狀態(tài)顯示的重點。

1.3.2 取景方式的選擇

取景區(qū)通過對取景框（取景器）的控制來實現(xiàn)圖表區(qū)顯示內(nèi)容與操控區(qū)操作內(nèi)容的選擇取景。所謂“景”主要是武器及設(shè)備顯控臺的全局工作狀態(tài)，而取景則是在系統(tǒng)全局狀態(tài)上選取顯控范圍和內(nèi)容。

通過取景器（框）在系統(tǒng)全局工作狀態(tài)上取景可以有多種方式，如可以手動在全局狀態(tài)顯示界面上任意位置建立任意大小矩形、圓形或任意形狀的選區(qū)，作為取景器取景內(nèi)容；也可以建立一個可調(diào)節(jié)的取景框在顯示界面上拖動直至合適位置等。歸納起來，可以看出取景區(qū)的取景存在兩種方式：

（1）連續(xù)取景

所謂連續(xù)是指取景器在系統(tǒng)全局狀態(tài)顯示界面上移動的軌跡是連續(xù)的，因此，在圖表區(qū)、操控區(qū)顯示與操作的內(nèi)容也是連續(xù)的，即取景器可以到達(dá)狀態(tài)顯示界面的任意位置。實現(xiàn)了取景方式自由度的最大化。

（2）分塊取景

即按照功能差異，人為地將仿真臺的顯控屏幕與面板進(jìn)行分組，每一組由獨立的一塊區(qū)域提前定義好。那么需要進(jìn)行控制取景時，取景器就在這些提前設(shè)置好的塊狀區(qū)域內(nèi)取景，同時可以控制取景器的大小以覆蓋其所在區(qū)域的部分或整個區(qū)域內(nèi)容。采用分塊取景的方式，取景器的移動軌跡一般是離散的，甚至是固定的。

采用連續(xù)取景方式在理論上無疑是最理想的選擇，因為相對分塊取景而言，通過拖動取景器即可實現(xiàn)全局狀態(tài)的任意位置取景，不需要定義系統(tǒng)的取景區(qū)域，也不需要對操控按鍵、面板、顯示屏等進(jìn)行分組。但是從技術(shù)實現(xiàn)角度來看，實現(xiàn)的難度比分塊取景要大。另外分塊取景的移動軌跡是固定的，并且取景器的取景范圍一般都是圖表區(qū)、操控區(qū)的重點顯控范圍，只需提前定義好這些重點區(qū)域。因此，從操作的角度來看，采用分塊取景方式更為便捷。

1.4 硬件配置組成

標(biāo)準(zhǔn)化艦艇訓(xùn)練模擬臺的硬件除了采用高性能的工業(yè)控制計算機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)架結(jié)構(gòu)和機(jī)柜以外，還包括下幾個部分組成：

（1）顯控部件：主要包括通用液晶顯示器和觸摸顯示屏，其中液晶顯示器主要顯示圖表區(qū)、取景區(qū)，觸摸顯示屏則作為操控區(qū)顯示取景內(nèi)容；

（2）關(guān)鍵操作部件：包括操縱桿或跟蹤球；

（3）其他輔助部件：包括標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、鼠標(biāo)、內(nèi)通電話、蜂鳴器（警鈴）、電源開關(guān)及復(fù)位鍵等。

模擬臺的人機(jī)界面主要分為圖（或表）顯示、取景顯示、操控顯示與輸入、跟蹤球（或操縱桿）輸入、鍵盤（鼠標(biāo)）輸入5類，按照這5種類型的信息特征就可構(gòu)造出標(biāo)準(zhǔn)化模擬臺的人機(jī)界面。每個模擬臺都可由這這5種類型的通用部件構(gòu)成。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化艦艇訓(xùn)練模擬顯控臺硬件組成

1.5 軟件基本構(gòu)架

標(biāo)準(zhǔn)化艦艇訓(xùn)練模擬顯控臺軟件主要由支撐軟件、模擬臺戰(zhàn)術(shù)仿真軟件和取景功能應(yīng)用軟件3部分組成。

1.5.1 支撐軟件

操作系統(tǒng)選用Linux系統(tǒng)。戰(zhàn)術(shù)仿真、取景控制應(yīng)用程序的編寫和開發(fā)采用Visual C++，數(shù)據(jù)庫軟件、三維建模等根據(jù)技術(shù)條件可分別采用Oracle、Maya專業(yè)軟件等。

1.5.2 模擬臺戰(zhàn)術(shù)仿真軟件

整個訓(xùn)練模擬系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)軟件主要由導(dǎo)演控制和裝備仿真兩部分組成［2］。通過導(dǎo)演控制，在仿真開始前確定每次系統(tǒng)執(zhí)行的具體的想定和決心，設(shè)置臨時情況并對想定進(jìn)行補(bǔ)充，指派模擬臺角色，設(shè)定對抗雙方初始?xì)?。裝備仿真部分實現(xiàn)艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)的主要模擬操作，模擬武器、設(shè)備系統(tǒng)。

根據(jù)需要戰(zhàn)術(shù)仿真軟件可集成在每一模擬顯控臺內(nèi)，也可按模擬臺所顯控的類型集成到整個軟件構(gòu)架中。這樣可實現(xiàn)模擬臺功能的最大化。例如：如果僅采用一臺模擬臺實現(xiàn)對所有武器與設(shè)備系統(tǒng)的訓(xùn)練，則需將與之相應(yīng)的所有戰(zhàn)術(shù)仿真軟件集成到一起，然后通過控制取景來選取要操控的對象和內(nèi)容。同理，也可由若干臺模擬臺組成單一的武器系統(tǒng)。

1.5.3 取景功能應(yīng)用軟件

取景功能應(yīng)用軟件主要包括輔助設(shè)計軟件和取景軟件。輔助設(shè)計軟件即輔助設(shè)計人員設(shè)計模擬臺的顯示模型，包括模擬臺機(jī)柜框架三維模型庫和操作控件庫。模擬臺機(jī)柜框架三維模型庫提供模擬顯控臺機(jī)柜三維模型，機(jī)框嵌入的硬件部分（如顯示屏、功能面板）等可由設(shè)計人員按照實際裝備進(jìn)行設(shè)計。操作控件庫主要是用來設(shè)計顯控臺的功能面板，其中集成各種類型武器裝備系統(tǒng)中的按鍵、開關(guān)、針表器、數(shù)表器等部件，將目前現(xiàn)有裝備中的上述部件盡可能全地進(jìn)行分類，然后按照類型的不同，定義好不同類型操作控件的動作、狀態(tài)及其特定功能，最后利用操作控件庫組成與實裝一致的虛擬功能面板。通過輔助設(shè)計軟件設(shè)計出武器裝備系統(tǒng)模擬臺的模型，模型中模擬的顯示與操作部件在位置、外觀與功能上盡量與實際裝備保持一致。

設(shè)計完成后的訓(xùn)練系統(tǒng)（包含若干模擬臺）的運行狀態(tài)在取景軟件上顯示。取景軟件主要由系統(tǒng)全局狀態(tài)顯示和取景器構(gòu)成。系統(tǒng)全局狀態(tài)顯示的是選定模擬臺的運行狀態(tài)，具體見1.3.1。取景器主要有兩方面功能，一方面是取景，取景器設(shè)置取景框的大小、位置等參數(shù)，高亮顯示在系統(tǒng)全局狀態(tài)顯示界面上面。另一方面是控制取景框所選取的內(nèi)容放大顯示在操控區(qū)的觸摸顯示屏上面，由受訓(xùn)人員對操控區(qū)內(nèi)容進(jìn)行操作并反饋到系統(tǒng)全局狀態(tài)顯示上。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)化艦艇訓(xùn)練模擬顯控臺軟件架構(gòu)

2 系統(tǒng)特點及使用流程

2.1 系統(tǒng)特點

（1）該系統(tǒng)最顯著的特點是利用分塊取景技術(shù)，采用虛擬儀表、按鍵、面板的軟模擬方式解決模擬多種類型號武器設(shè)備系統(tǒng)顯控臺操作部件的差異問題；

（2）功能全面。通常受訓(xùn)人員完成一次系統(tǒng)性的訓(xùn)練，需要多戰(zhàn)位配合協(xié)作，因此，艦艇模擬訓(xùn)練系統(tǒng)是由多臺模擬臺的。采用分塊取景的標(biāo)準(zhǔn)化模擬臺，可使每臺模擬臺的功能實現(xiàn)最大化，滿足全系統(tǒng)任何臺位的模擬需求。既能按照實際戰(zhàn)位進(jìn)行配置，又能僅通過一臺模擬臺實現(xiàn)全系統(tǒng)的模擬與訓(xùn)練；

（3）可擴(kuò)展性強(qiáng)。隨著海戰(zhàn)裝備的不斷革新，新裝備從外觀、操作上將會產(chǎn)生一定的變化，采用分塊取景的標(biāo)準(zhǔn)化模擬臺，只需對相應(yīng)新裝備的戰(zhàn)術(shù)仿真程序與模型進(jìn)行添加，因而具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性；

（4）模擬環(huán)境逼真。標(biāo)準(zhǔn)化模擬臺模型設(shè)計采用與實裝一致的操控面板、操作流程與系統(tǒng)反映，模擬作戰(zhàn)效果、海戰(zhàn)場環(huán)境視景等，增強(qiáng)了操作的情景帶入性。

2.2 使用流程

標(biāo)準(zhǔn)化模擬顯控臺在使用上具體可以分為3個階段：

（1）設(shè)計階段。根據(jù)裝備發(fā)展現(xiàn)狀，系統(tǒng)可將不同種類及型號的裝備顯控臺模型與戰(zhàn)術(shù)仿真軟件進(jìn)行集成，并建立通用模板。訓(xùn)練前，設(shè)計人員根據(jù)特定的訓(xùn)練內(nèi)容與對象，對臺位、功能、操控面板等進(jìn)行針對性的設(shè)計，實現(xiàn)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)與實際訓(xùn)練系統(tǒng)的一致；

（2）設(shè)置階段。根據(jù)每一次具體訓(xùn)練內(nèi)容的需要，選取若干戰(zhàn)位參與模擬訓(xùn)練，可由訓(xùn)練組織者或設(shè)計人員實施初始訓(xùn)練設(shè)置；

（3）訓(xùn)練操作。訓(xùn)練過程中，受訓(xùn)人員可對取景區(qū)分塊取景的位置進(jìn)行實時更改，從而使操控區(qū)顯示不同的操作內(nèi)容進(jìn)而實施操作。如采用大尺寸觸摸顯示屏，并能夠?qū)⑾到y(tǒng)全局狀態(tài)顯示中操控區(qū)中所有的操控內(nèi)容放大顯示出來，則無需實時取景。受訓(xùn)人員的操作動作發(fā)出后，系統(tǒng)全局狀態(tài)顯示界面中指示燈的亮滅、按鍵的顏色等產(chǎn)生相應(yīng)變化，直至整個訓(xùn)練過程結(jié)束。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)化艦艇訓(xùn)練模擬顯控臺使用流程

3 結(jié)束語

為滿足多類型武器裝備系統(tǒng)的通用化模擬需求，本文提出基于分塊取景的標(biāo)準(zhǔn)化模擬顯控臺的結(jié)構(gòu)框架，按照邏輯關(guān)系將標(biāo)準(zhǔn)化模擬臺劃分為取景區(qū)、圖表區(qū)、操控區(qū)、關(guān)鍵部件區(qū)和輔助部件區(qū)5個區(qū)域，對模擬臺的取景控制原理和通用化的硬件配置組成進(jìn)行了重點闡述，設(shè)計了模擬臺的軟件組成框架及系統(tǒng)使用流程，可為模擬訓(xùn)練裝備建設(shè)提供參考。

［1］滕克難.艦空導(dǎo)彈通用化顯控臺設(shè)計與工程實現(xiàn)［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2007，27（4）：236-239.

［2］孫永侃.基于HLA的作戰(zhàn)系統(tǒng)訓(xùn)練模擬系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)報，2006，29（增）：17-20.

［3］孫永侃，王孝通，鄒文萌，等.導(dǎo)彈驅(qū)逐艦?zāi)M訓(xùn)練系統(tǒng)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2002，14（4）：525-526.

［4］孫永侃，熊正祥.新型驅(qū)護(hù)艦作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真設(shè)計與實現(xiàn)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2012，24（4）：902-906.

［5］孫永侃，徐永杰，徐建志.基于仿真的水面艦艇作戰(zhàn)能力評價研究［J］.火力與指揮控制，2007，32（3）：45-48.

Discerption Viewfinding Based Standard Warship Operational Training Console Simulator Designing

SUN Yong-kan，LI Xue-fei
（Battle Software and Simulation Institute of Dalian Naval Academy，Dalian 116018，China）

Focusing on developing the standard warship operational training console simulator,the current development statuses and problems of console simulator are introduced,and the logical architecture based on Discerption Viewfinding Techniques is proposed as the solution,the principle of viewfinding,the universal hardware and the software structure of simulator are discoursed and,the using flow of simulator is described.It can meet the requirements and needs of multi-kinds and multitypes of equip console simulation.

discerption viewfinding，standard，warship operational training，console simulator

TP391.9

A

1002-0640（2015）03-0150-05

2014-01-08

2014-03-26

孫永侃（1965- ），男，浙江義烏人，研究員，博士生導(dǎo)師。研究方向：作戰(zhàn)系統(tǒng)仿真。