便攜式反坦克武器嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙丹丹，孟維真，趙 慧，田莉萍

(1 西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；2 陸裝駐西安第七軍代室，陜西 西安 710065；3 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十二研究所，上海 201808)

0 引言

隨著信息技術(shù)在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用與發(fā)展,出現(xiàn)了一種全新的訓(xùn)練模式—嵌入式模擬訓(xùn)練[1-2]。嵌入式模擬訓(xùn)練是將訓(xùn)練系統(tǒng)嵌入到實(shí)際裝備中,在真實(shí)的裝備環(huán)境下實(shí)施的訓(xùn)練,可使受訓(xùn)者獲得與實(shí)戰(zhàn)相符的心理與生理適應(yīng)性,大幅提升訓(xùn)練質(zhì)量。美國(guó)陸軍于1987年提出了嵌入式訓(xùn)練的概念,正式確定嵌入式訓(xùn)練為首選訓(xùn)練方式。當(dāng)前,美國(guó)及其盟國(guó)普遍加大對(duì)嵌入式訓(xùn)練技術(shù)的研究與應(yīng)用,其陸?？哲娨褳槎喾N武器裝備構(gòu)建了嵌入式訓(xùn)練功能。嵌入式訓(xùn)練已成為各軍事強(qiáng)國(guó)軍事訓(xùn)練的首選方式,代表了軍事訓(xùn)練技術(shù)的最新發(fā)展趨勢(shì)[3-5]。

嵌入式訓(xùn)練的目的是通過有效、近似實(shí)戰(zhàn)的模擬訓(xùn)練,提高部隊(duì)作戰(zhàn)人員和武器裝備在現(xiàn)代復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的作戰(zhàn)能力。本文闡述了嵌入式訓(xùn)練基本概念和現(xiàn)狀,提出了便攜式反坦克武器嵌入式模擬訓(xùn)練設(shè)計(jì)思路,構(gòu)建了武器嵌入式模擬訓(xùn)練結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了武器嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系,基于層次分析法計(jì)算了評(píng)價(jià)體系中評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重,介紹了武器嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。用戶使用結(jié)果表明,該嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)滿足用戶需求,可作為相似類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參考。

1 武器嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)

1.1 嵌入式訓(xùn)練

對(duì)便攜式反坦克武器實(shí)施嵌入式訓(xùn)練,可以提高其戰(zhàn)時(shí)作戰(zhàn)效能。嵌入式訓(xùn)練是在裝備內(nèi)部嵌入訓(xùn)練系統(tǒng),在所使用的裝備自身上完成訓(xùn)練,通過在真實(shí)的作戰(zhàn)系統(tǒng)或設(shè)備上嵌入或增加的訓(xùn)練系統(tǒng),使操作人員更加熟練地掌握各項(xiàng)裝備操作技能[6]。

嵌入式訓(xùn)練生成虛擬的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì),通過與實(shí)際裝備的信息交互,驅(qū)動(dòng)實(shí)際裝備運(yùn)行;同時(shí)采集操作人員在實(shí)際裝備上的操作信息,反饋到訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi),控制訓(xùn)練態(tài)勢(shì)的演變,從而完成訓(xùn)練過程。

1.2 系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

便攜式反坦克武器一般具有發(fā)射前鎖定、發(fā)射后不管的特點(diǎn),主要用于摧毀敵方主戰(zhàn)坦克、裝甲車輛、火力點(diǎn)等高價(jià)值點(diǎn)目標(biāo)。

一種采用電視和非制冷紅外雙模圖像制導(dǎo),便攜式反坦克武器嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用“實(shí)裝+訓(xùn)練彈”的方式,利用野外真實(shí)環(huán)境和目標(biāo),培養(yǎng)射手對(duì)紅外/電視導(dǎo)引頭真實(shí)圖像的識(shí)別能力,掌握武器系統(tǒng)的使用方法、操作要領(lǐng)和瞄準(zhǔn)跟蹤目標(biāo)的技能,實(shí)現(xiàn)嵌入式訓(xùn)練。

圖1為該便攜式反坦克武器嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)組成原理圖。

圖1 一種便攜式反坦克武器嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)組成原理Fig.1 Portable anti-tank weapon embedded training system composition principle

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

嵌入式訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,由應(yīng)用層、功能層、數(shù)據(jù)層、操作系統(tǒng)層、物理層組成。應(yīng)用層主要有自檢界面、訓(xùn)練監(jiān)控界面和訓(xùn)練管理界面。功能層包括設(shè)備自檢、人員管理、數(shù)據(jù)采集處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、訓(xùn)練記錄、訓(xùn)練記錄復(fù)演、訓(xùn)練評(píng)估、成績(jī)管理等模塊。數(shù)據(jù)層有視頻數(shù)據(jù)、武器狀態(tài)數(shù)據(jù)和操控?cái)?shù)據(jù)。物理層包括視頻采集卡、CAN卡、串口卡和主板等。

圖2 功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Function structure diagram

2 武器嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)框架

武器嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系構(gòu)建應(yīng)遵循兩個(gè)基本原則:與武器系統(tǒng)的一致性和人機(jī)交互的良好性[7]。根據(jù)這兩個(gè)原則,構(gòu)建了武器嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系,該體系由兩級(jí)指標(biāo)組成,第一級(jí)指標(biāo)有操作時(shí)間、操作動(dòng)作、鎖定狀態(tài)和發(fā)射姿態(tài)。其中操作時(shí)間由4項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)(目標(biāo)搜索時(shí)間、導(dǎo)彈上電時(shí)間、擊發(fā)時(shí)間、超時(shí)時(shí)間)組成,操作動(dòng)作由5項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)(總按鍵次數(shù)、上電次數(shù)、鎖定次數(shù)、攻擊方式切換次數(shù)、擊發(fā)次數(shù))組成,鎖定狀態(tài)由3項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)(鎖定位置橫向偏差、鎖定位置縱向偏差、目標(biāo)/波門大小比值)組成,發(fā)射姿態(tài)由4項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)(俯仰角姿態(tài)、傾斜角姿態(tài)、導(dǎo)引頭俯仰框架角、導(dǎo)引頭偏航框架角)組成。

2.2 基于AHP的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

運(yùn)用AHP確定模擬訓(xùn)練系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重[8-10]:

1)建立嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系指標(biāo)如圖3所示。

圖3 嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系Fig.3 The evaluation system of embedded simulation training for weapons

2)根據(jù)專家訪談意見,對(duì)指標(biāo)兩兩比較的相對(duì)重要程度按1～7區(qū)間進(jìn)行比例標(biāo)度,構(gòu)造A、B兩個(gè)層次的判斷矩陣,矩陣數(shù)據(jù)可根據(jù)專家的建議確定,構(gòu)造B1、B2、B3、B4對(duì)A的判斷矩陣如式(1):

(1)

該矩陣的特征值為:

(2)

歸一化得A層下B1、B2、B3、B4的權(quán)重分別為:w1=0.411,w2=0.362,w3=0.121,w4=0.106。

4)計(jì)算排序各層次評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重如表1所示。

表1 嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重分配表Table 1 Evaluation metrics weight allocation of embedded simulation training system

3 模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 功能模塊設(shè)計(jì)

采用模塊化思想將武器嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)功能劃分成設(shè)備自檢、人員管理、數(shù)據(jù)采集處理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、訓(xùn)練記錄、訓(xùn)練記錄復(fù)演、訓(xùn)練評(píng)估、成績(jī)管理等模塊:

1)設(shè)備自檢模塊:檢查各部件及數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài),并顯示各項(xiàng)自檢結(jié)果。

2)人員管理模塊:對(duì)要參加訓(xùn)練的人員信息進(jìn)行管理,可添加新人員、修改和刪除已有人員信息等功能。

3)數(shù)據(jù)采集處理模塊:是模擬訓(xùn)練系統(tǒng)與武器裝備連接的橋梁,主要功能是通過視頻采集卡、CAN卡、串口卡等采集武器裝備數(shù)據(jù)輸入到模擬訓(xùn)練系統(tǒng)內(nèi)部并進(jìn)行解析。

4)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊:實(shí)時(shí)顯示訓(xùn)練相關(guān)信息,包括射手人員信息、導(dǎo)引頭視頻信息、導(dǎo)引頭框架角信息、裝備狀態(tài)信息以及射手操作信息,協(xié)助教練員實(shí)時(shí)掌握操作員訓(xùn)練狀況,及時(shí)指出并糾正出現(xiàn)的錯(cuò)誤操作。

5)訓(xùn)練記錄模塊:記錄導(dǎo)彈上電到本次訓(xùn)練結(jié)束的視頻圖像數(shù)據(jù)、武器狀態(tài)和射手操作數(shù)據(jù),為訓(xùn)練監(jiān)控模塊、成績(jī)?cè)u(píng)定模塊、記錄回放模塊提供所需的信息。

6)訓(xùn)練記錄復(fù)演模塊:根據(jù)時(shí)間戳同步導(dǎo)引頭視頻畫面、武器狀態(tài)信息和操作事件列表,進(jìn)行訓(xùn)練記錄回放。

7)訓(xùn)練評(píng)估模塊:針對(duì)考核設(shè)計(jì)評(píng)定模型,綜合射手的各項(xiàng)操作,根據(jù)評(píng)定模型對(duì)射手訓(xùn)練過程進(jìn)行訓(xùn)練效果評(píng)估,并將成績(jī)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。

8)成績(jī)管理模塊:用于對(duì)射手的訓(xùn)練記錄進(jìn)行管理,具備查詢、刪除和批量導(dǎo)出訓(xùn)練成績(jī)記錄等功能,能對(duì)歷史訓(xùn)練成績(jī)進(jìn)行圖形化顯示分析。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

基于任務(wù)流進(jìn)行武器嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[11-12],系統(tǒng)任務(wù)是以時(shí)間序列為基準(zhǔn)的一系列順序動(dòng)作集合:系統(tǒng)啟動(dòng)初始化完成后,自動(dòng)進(jìn)行自檢,自檢失敗提示故障信息,根據(jù)故障提示信息進(jìn)行故障定位和處理,自檢正常則軟件自動(dòng)進(jìn)入主界面,并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,啟動(dòng)訓(xùn)練,通過界面查看包括實(shí)時(shí)視頻的操控信息,訓(xùn)練結(jié)束后,系統(tǒng)計(jì)算顯示本次訓(xùn)練成績(jī),并將訓(xùn)練相關(guān)數(shù)據(jù)和視頻文件存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。通過訓(xùn)練復(fù)演能直觀地了解射手的不足之處,以便采取針對(duì)性訓(xùn)練措施,提高實(shí)戰(zhàn)水平。

武器嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件工作流程圖如圖4所示。

圖4 工作流程圖Fig.4 Workflow

3.3 訓(xùn)練評(píng)估

訓(xùn)練效果評(píng)估是對(duì)受訓(xùn)射手訓(xùn)練過程中戰(zhàn)術(shù)選擇、戰(zhàn)機(jī)把握能力做出的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的評(píng)判[13]。對(duì)使用該便攜式反坦克武器嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的某部隊(duì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),隨機(jī)選取了12名射手,對(duì)其訓(xùn)練效果進(jìn)行評(píng)估,評(píng)估結(jié)果如表2所示。由表2可知,該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)能客觀評(píng)估出受訓(xùn)對(duì)象的訓(xùn)練結(jié)果,經(jīng)調(diào)研,這12名射手在使用該裝備時(shí),其表現(xiàn)基本與評(píng)估結(jié)果一致。

表2 訓(xùn)練評(píng)估值Table 2 Training evaluation

4 結(jié)論

文中基于嵌入式訓(xùn)練技術(shù),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種便攜式反坦克武器嵌入式模擬訓(xùn)練系統(tǒng),通過采集、處理和存儲(chǔ)武器系統(tǒng)的導(dǎo)引頭視頻、射手操控、武器系統(tǒng)狀態(tài)等信息,實(shí)現(xiàn)教練員對(duì)訓(xùn)練的實(shí)時(shí)、全方位監(jiān)控,可以嚴(yán)格把握訓(xùn)練標(biāo)準(zhǔn)、訓(xùn)練狀況,確保訓(xùn)練安全,為訓(xùn)練過程管理、訓(xùn)練數(shù)據(jù)分析評(píng)估等提供更加高效、自動(dòng)化的手段,全面提升了訓(xùn)練效果和效率。