艦用管裝魚雷反潛模擬訓練系統(tǒng)設計

徐先勇 馬培鋒 李志華

摘要：針對海軍水面艦艇反潛專業(yè)教學訓練缺乏實裝這一問題，采用模擬、虛擬相結合的方法，設計了一套高逼真的模擬訓練系統(tǒng)，該系統(tǒng)模擬了多型專業(yè)裝備，可實現(xiàn)反潛專業(yè)士官魚雷對潛攻擊協(xié)同反潛訓練，具有一定的使用效益和推廣價值。

關鍵詞：反潛;教學訓練;模擬;虛擬

中圖分類號：TP391 ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）32-0136-03

Research on Design of Simulation Training System of Ship Tube Torpedo Anti-submarine

XU Xian-yong1， MA Pei-feng2， LI Zhi-hua1

（1.Navy Petty Officer Academy Weapon Department， Bengbu 233012， China; 2.PLA 92767 Technology Division， Qingdao 266100， China）

Abstract： In view of the lack of real equipment in the teaching and training of naval surface ship anti-submarine specialty， a simulation training system with high fidelity is designed by combining simulation and virtual method. The system simulates multiple types of professional equipment， which can realize the cooperative anti-submarine training during which sergeant in anti-submarine profession can use torpedo against submarine attack， and has certain use benefits and promotion value.

Key words： anti-submarine; teaching and training; simulation; virtual

某型艦用管裝魚雷反潛武器系統(tǒng)是我海軍水面艦艇主戰(zhàn)反潛武器裝備，士官院校擔負著水面艦艇各層次反潛專業(yè)人才培訓任務。院校培養(yǎng)的專業(yè)人才能否勝任部隊崗位取決于訓練的環(huán)境是否與部隊完全一致，訓練的時間能否得到可靠保證[1]。艦用管裝魚雷反潛武器系統(tǒng)涉及的武器裝備數(shù)量多、價格比較昂貴，院校裝備數(shù)量有限，有的僅有1套，導致實訓課“少數(shù)人操，多數(shù)人看”，訓練效率不高，部分裝備不能實現(xiàn)互聯(lián)互通，影響實戰(zhàn)訓練效果。針對這一情況，本文設計了一套高逼真度的模擬訓練系統(tǒng)，能夠在低成本、低投入的條件下，讓學員快速掌握武器裝備操作技能，取得良好訓練效果。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)功能

艦用管裝魚雷反潛模擬訓練系統(tǒng)能夠模擬反潛火控設備、管裝魚雷發(fā)控儀戰(zhàn)斗、檢查、訓練操作;能夠進行魚雷發(fā)射裝置準備、預備虛擬操作;能夠進行管裝魚雷攻潛協(xié)同操作訓練;能夠模擬目標數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，能夠管理用戶數(shù)據(jù)，記錄操作過程，完成操作考核。

1.2 系統(tǒng)組成

艦用管裝魚雷反潛模擬訓練系統(tǒng)盡可能真實地模擬部隊艦載管裝魚雷反潛武器裝備，其系統(tǒng)組成如圖1所示，主要由硬件和軟件2大部分組成。硬件部分主要包括導控臺、反潛火控設備模擬臺、管裝魚雷發(fā)控儀模擬臺、魚雷發(fā)射裝置虛擬操作臺，其中反潛火控設備模擬臺和管裝魚雷模擬臺與部隊實裝在外觀、尺寸、結構組成上基本一致。軟件部分包括訓練管理軟件、模擬操作軟件和虛擬操作軟件3部分，其中訓練管理軟件安裝于導控臺，用于設置操作訓練初始態(tài)勢、訓練人員管理、考核等;模擬操作軟件安裝于2個模擬臺位，真實模擬實裝操作過程和各顯示頁面;虛擬操作軟件安裝于魚雷發(fā)射裝置虛擬操作臺，由于魚雷發(fā)射裝置結構尺寸比較大，采取硬件模擬的方式難度較大、成本也比較昂貴，所以采用三維建模的方式對發(fā)射裝置進行軟模擬、對模型進行虛擬操作模擬實裝操作全過程。

2 系統(tǒng)硬件設計

各模擬臺位根據(jù)實裝尺寸，依據(jù)實裝1：1進行制作，比較好實現(xiàn)。難點是實裝上一些按鍵輸入控制和信號燈輸出顯示的實現(xiàn)。之前一些項目多采用上位機和單片機通信控制按鍵和信號燈的方式來實現(xiàn)，此種方法需要對單片機進行設計，實際運行過程中，單片機控制存在發(fā)熱、不穩(wěn)定等現(xiàn)象，開發(fā)周期較長、成本也較高[2]。本文擬采用對研華PCI總線隔離數(shù)字I/O卡PCI-1756編程控制的方式實現(xiàn)按鍵和指示燈的控制。

2.1 PCI-1756隔離數(shù)字I/O卡

本系統(tǒng)使用的PCI-1756隔離數(shù)字I/O卡是北京研華公司生產(chǎn)的一種基于PCI總線，能夠提供32路隔離數(shù)字輸入和32路隔離數(shù)字輸出通道，隔離保護電壓可到2500VDC，其管腳布置圖和定義如圖1、表1所示[3]。

2.2 按鍵輸入控制和信號燈輸出顯示

按鍵和信號燈均為紅波公司采購，尺寸、大小、顏色，技術參數(shù)均與實裝一致。實裝上按鈕主要完成輸入操作，有擴展鍵盤、功能熱鍵等;信號燈主要完成裝備操作時狀態(tài)顯示功能。按鍵的控制主要依托PCI-1756卡數(shù)字輸入控制實現(xiàn)，硬件連接方式如圖3所示。按鈕在電路上就相當于一個開關，一端接電源正極，另一端接PCI-1756卡DI通道，電源負極接輸入通道公共端。一塊PCI-1756卡可實現(xiàn)32個按鈕輸入控制，可以采取多塊PCI-1756卡級聯(lián)的方式實現(xiàn)更多按鈕輸入控制。信號燈的控制主要依托PCI-1756卡數(shù)字輸出控制實現(xiàn)，硬件連接方式如圖4所示。信號燈一端接PCI-1756卡DO通道，另一端接輸出通道公共端，電源正極接輸出通道公共端，負極接地線。一塊PCI-1756卡可實現(xiàn)32個信號燈輸出控制，可以采取多塊PCI-1756卡級聯(lián)的方式實現(xiàn)更多信號燈輸出控制。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件部分包括訓練管理軟件、模擬操作軟件和虛擬操作軟件3部分，其中訓練管理軟件設計比較簡單，在此不做贅述，下面重點介紹模擬操作軟件和虛擬操作軟件設計。

3.1虛擬操作軟件設計

首先，利用3Dmax軟件對魚雷發(fā)射裝置進行實體建模和渲染，圖5所示為發(fā)射裝置組成部件之一發(fā)射氣瓶三維模型，然后，在三維引擎Unity中分別進行主界面和虛擬操作訓練等場景的交互設計[4]。采用開放式開發(fā)和項目式開發(fā)相結合的方式，在進行操作演示時采用固定操作步驟的項目式開發(fā)模式，比如在展示魚雷發(fā)射裝置準備操作的步驟時，按照規(guī)定的裝備操作程序進行操作，學員不能對演示步驟進行任意操作，只能選擇暫停、快進、停止操作，確保在學員在進行自主學習時，可以有正確的操作規(guī)范供參考學習。在進行操作練習時，采用兩種開發(fā)模式相結合的方式開發(fā)，可以對操控部件進行操控，如果操作順序、方法錯誤或者與設計不一致時，響應會不正確。這樣可以糾正學員在平時操作中的孤僻動作。

3.2模擬操作軟件設計

模擬操作軟件主要是反潛火控設備模擬操作軟件和發(fā)控儀模擬操作軟件兩部分，兩者設計方法一樣，下面以反潛火控設備模擬操作軟件設計為例作介紹。系統(tǒng)啟動時，對設備狀態(tài)信息進行自檢，如果設備異常，將報告錯誤信息并返回初始狀態(tài);如果設備正常，系統(tǒng)連接外部關聯(lián)系統(tǒng)，如果失敗，系統(tǒng)啟動單機訓練模式，并生成單機模擬訓練數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)推送給業(yè)務處理核心功能模塊;如果外部系統(tǒng)連接成功，則系統(tǒng)進入聯(lián)網(wǎng)訓練模式，并開啟各類監(jiān)聽線程，以實時獲取各類訓練交互信息，當獲得數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)推送給業(yè)務處理核心功能模塊，進行解析與解算，并根據(jù)指令完成相應業(yè)務功能。每次完成后，都將繼續(xù)監(jiān)聽相關信息，知道用戶發(fā)出推出指令為止。反潛火控設備模擬操作軟件控制系統(tǒng)軟件總體流程如圖6所示。

業(yè)務處理核心功能模塊獲得訓練數(shù)據(jù)后，首先，將數(shù)據(jù)包分拆、解析我艦信息、目標信息、武器狀態(tài)信息、指控命令等，如果解析失敗，將報告錯誤信息，并確定是否重新獲取新的信息進行解析;如果解析成功，系統(tǒng)將根據(jù)命令進行攻擊諸元解算，如果解算結果為可攻擊，則系統(tǒng)向發(fā)控儀、PCI-1756隔離數(shù)字I/O卡、顯示設備等發(fā)送相關對應的命令與數(shù)據(jù)，成功反饋后，進入下輪解析、解算、攻擊循環(huán)，知道用戶發(fā)出退出指令為止。業(yè)務處理模塊數(shù)據(jù)流程如圖7所示。

4 應用效果

運行測試是檢驗模擬訓練系統(tǒng)科學、有效的重要環(huán)節(jié)和途徑[5]。系統(tǒng)建成后，按照部隊魚雷對潛攻擊操演流程，可模擬各戰(zhàn)位操作，通過近一年學員使用測試，結果表明，該系統(tǒng)仿真性能、電氣性能、可靠性能等均達到標準要求。

5 結束語

針對院校反潛裝備訓練短缺的問題，本文提出了模擬、虛擬結合的方法構建管裝魚雷反潛模擬訓練系統(tǒng)。利用PCI-1756隔離數(shù)字I/O卡實現(xiàn)模擬臺位按鍵輸入和信號燈輸出控制，構建模擬操作臺位，對發(fā)射裝置進行三維建模，構建虛擬操作系統(tǒng)，進行模擬操作和訓練管理軟件設計，形成可單戰(zhàn)位操作和各戰(zhàn)位協(xié)同操作的模擬訓練系統(tǒng)。該系統(tǒng)價格低廉、性能穩(wěn)定可靠，設計理念可供其他武備類專業(yè)模擬訓練系統(tǒng)參考。

參考文獻：

[1] 劉興堂，萬少松，張雙選.論軍用模擬訓練器/系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[J].系統(tǒng)仿真學報，2002，14（5）：647-649.

[2] 吳吉偉，李陽，徐先勇.基于CAN總線技術的管裝魚雷武器系統(tǒng)模擬器研究[J].數(shù)字海洋與水下攻，2020（12）：77-80.

[3] PCI-1756隔離數(shù)字I/O卡使用說明[P].北京：研華公司，2016.

[4] 劉保華，李建海.虛擬現(xiàn)實技術在裝備教學中的應用研究[J].空軍院校教育，2011（2）：61-62.

[5] 呂楊，周俊山，周敏.水聲對抗模擬訓練系統(tǒng)設計[J].海軍大連艦艇學院學報，2019（3）：42-45.

【通聯(lián)編輯：梁書】