甘光勇，安建祝，謝曉鋼，張玉雙，岳玉芳，李有寬

（北京應(yīng)用物理與計算數(shù)學(xué)研究所，北京100094）

0 引 言

復(fù)雜光電裝置是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測技術(shù)相結(jié)合的一種新型激光裝置，該裝置在每次使用前，需要對激光器光路中的幾十片鏡面進行精確調(diào)試，保障激光器能提供一定的干擾功率和良好的光束質(zhì)量。為使崗位人員具備熟練的操作能力，需要開展反復(fù)的技能訓(xùn)練。

近年來，國內(nèi)許多單位應(yīng)用仿真技術(shù)，開發(fā)出了針對不同對象的操作訓(xùn)練系統(tǒng)。趙芳［1］等設(shè)計了數(shù)字化坦克車長指控訓(xùn)練模擬器。高才喜［2］等設(shè)計了新型末制導(dǎo)炮彈射擊模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。丁海燕［3］等設(shè)計了基于HLA 的艦空導(dǎo)彈反導(dǎo)仿真系統(tǒng)。但是大部分研究都集中于仿真技術(shù)的研究和操作流程的模擬上，在復(fù)雜光電裝置中，如何實現(xiàn)光路調(diào)試、如何根據(jù)訓(xùn)練任務(wù)，進行協(xié)同訓(xùn)練，以及將不同崗位訓(xùn)練軟件的共性特征提煉為軟件架構(gòu)的操作訓(xùn)練系統(tǒng)并不多。

本操作訓(xùn)練系統(tǒng)根據(jù)復(fù)雜光電裝置的操作流程，建立了簡化的光路調(diào)試模型，構(gòu)造了逼真的虛擬光路調(diào)試環(huán)境，將光電裝置、訓(xùn)練場景和操作崗位有機的結(jié)合在一起。本操作訓(xùn)練系統(tǒng)與實際光電裝置的操作流程、操作響應(yīng)狀態(tài)一致，操作界面逼真度高，通過用戶單位的使用，取得了良好的訓(xùn)練效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 軟件體系結(jié)構(gòu)

光電裝置的操作過程復(fù)雜，各子系統(tǒng)之間存在大量的數(shù)據(jù)交換，操作崗位多。為了避免重復(fù)開發(fā)、縮短開發(fā)周期、統(tǒng)一操作界面風(fēng)格以及規(guī)范接口等，將不同操作崗位上的共性特征提煉出來［4－6］，設(shè)計了各操作崗位通用的操作訓(xùn)練軟件體系結(jié)構(gòu)，見文獻［7］。

每個崗位訓(xùn)練軟件可分為兩大部分：通用框架層和個性層。通用框架層主要包括RTI通訊模塊、教學(xué)視頻管理模塊、訓(xùn)練控制界面模塊、科目管理模塊、實裝模擬模塊、成績評定模塊和訓(xùn)練日志模塊構(gòu)成，各模塊功能如下：

（1）RTI通訊模塊：實現(xiàn)與運行平臺和其它分系統(tǒng)的交互，與運行平臺的交互包括登錄、退出等狀態(tài)信息，與其它分系統(tǒng)的交互內(nèi)容根據(jù)具體的分系統(tǒng)確定；

（2）教學(xué)視頻管理模塊：實現(xiàn)教學(xué)視頻的選擇與播放功能；

（3）訓(xùn)練控制界面模塊：實現(xiàn)訓(xùn)練控制有關(guān)的軟件界面，包括學(xué)員登錄界面、模式選擇界面、自選科目界面、考試等待界面、訓(xùn)練邊框界面等；

（4）科目管理模塊：實現(xiàn)訓(xùn)練科目表的讀取、科目簡介讀取、科目初始化、科目啟動等功能；

（5）實裝模擬模塊：實現(xiàn)模擬實裝軟硬件的界面、功能及響應(yīng)；

（6）成績評定模塊：實現(xiàn)將學(xué)員的訓(xùn)練操作與標準操作文件進行對照，并給出成績；

（7）訓(xùn)練日志模塊：實現(xiàn)日志的記錄和查看功能。

各崗位訓(xùn)練軟件均可在通用框架的源代碼基礎(chǔ)上，增加各崗位軟件的程序和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)崗位的個性功能。

1.2 硬件體系結(jié)構(gòu)

本操作訓(xùn)練系統(tǒng)的硬件由機柜、操作面板、計算機、網(wǎng)絡(luò)等組成，其中機柜的大小、顏色要求與實際裝置一致，操作面板的輸入輸出狀態(tài)響應(yīng)要求與實際操作面板的響應(yīng)基本一致。根據(jù)復(fù)雜光電裝置的崗位劃分、分布式系統(tǒng)仿真的特點，設(shè)計了操作訓(xùn)練系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)［8，9］，如圖1所示。

圖1 操作訓(xùn)練系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲

在訓(xùn)練過程中，導(dǎo)調(diào)臺接收各崗位發(fā)送的狀態(tài)信息，將其顯示給指揮員并存入訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫中。在訓(xùn)練結(jié)束后，指揮員根據(jù)訓(xùn)練過程中的信息對訓(xùn)練過程進行評估。仿真管理的主要功能是提供HLA／RTI運行環(huán)境、監(jiān)控RTI服務(wù)器和運行狀態(tài)等。外部信息模擬主要功能是生成目標軌跡、背景參數(shù)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)指揮員通過監(jiān)視器了解系統(tǒng)訓(xùn)練狀態(tài)，通過語音調(diào)度系統(tǒng)進行全系統(tǒng)指揮控制。其它崗位的功能與實際光電裝置的功能基本一致。

2 系統(tǒng)主要功能

2.1 訓(xùn)練功能

在不同的訓(xùn)練階段，操作人員根據(jù)自己對崗位的熟練程度和訓(xùn)練任務(wù)的要求，可選擇不同的訓(xùn)練模式，主要的訓(xùn)練模式有：

（1）視頻學(xué)習(xí)：在視頻學(xué)習(xí)模式下，各分系統(tǒng)學(xué)員可分別選擇自己感興趣的教學(xué)視頻進行觀看，從而可以有針對性的進行學(xué)習(xí)。教學(xué)視頻的選擇與播放功能通過視頻管理模塊實現(xiàn)。

（2）操作練習(xí)：在操作練習(xí)模式下，各學(xué)員可對本崗位的軟硬件進行自由操作，不受操作時序限制，也不進行成績評定，從而達到熟悉本崗位軟硬件的目的。當用戶進入操作練習(xí)模式后，不僅顯示模擬實裝的軟硬件界面，還增加了訓(xùn)練狀態(tài)信息顯示來輔助學(xué)員完成訓(xùn)練。

（3）科目練習(xí)：在科目練習(xí)模式下，學(xué)員可根據(jù)需要選擇訓(xùn)練科目，訓(xùn)練成績只在本地顯示，不發(fā)送給導(dǎo)調(diào)臺進行記錄。學(xué)員可查看訓(xùn)練成績來了解自己的訓(xùn)練情況，通過反復(fù)訓(xùn)練達到不斷提高操作水平的目的。

（4）科目考試：在科目考試模式下，學(xué)員需等待導(dǎo)調(diào)臺指定訓(xùn)練科目，在接受訓(xùn)練科目后，進行相應(yīng)的科目準備，然后等待導(dǎo)調(diào)臺的 “開始訓(xùn)練”指令后進入訓(xùn)練界面。訓(xùn)練成績不僅在本地顯示，同時還發(fā)送到導(dǎo)調(diào)臺進行記錄。該模式用來對學(xué)員的操作水平進行考核。

（5）全流程訓(xùn)練：只有在全系統(tǒng)各崗位全部進入全流程訓(xùn)練模式時，才可進行該模式的訓(xùn)練。在該模式下，各崗位等待導(dǎo)調(diào)臺的 “開始訓(xùn)練”指令，并從運行平臺接收外部信息模擬數(shù)據(jù)，模擬完整的全系統(tǒng)協(xié)同訓(xùn)練。

各模式下的工作流程如圖2所示。

2.2 教學(xué)演示功能

教學(xué)演示是以動畫、圖片等形式介紹系統(tǒng)的工作原理、子系統(tǒng)的組成、功能及特點，介紹子系統(tǒng)的詳細操作步驟、各崗位的職能以及操作中的注意事項。制作完成后的視頻片既可以在訓(xùn)練模式中選擇播放，也可采用播放軟件直接播放。

2.3 訓(xùn)練管理功能

圖2 各模式下的工作流程

訓(xùn)練管理主要包括操作日志記錄和科目管理。操作日志記錄下學(xué)員登錄后的重要操作，有助于學(xué)員發(fā)現(xiàn)錯誤操作。為了便于對訓(xùn)練日志進行管理，將所有的日志存放在Data＼Log目錄下，為每個學(xué)員創(chuàng)建一個子目錄，在某個學(xué)員的目錄下，同一天的日志存放在以日期命名的目錄下?？颇抗芾韺崿F(xiàn)訓(xùn)練科目表的讀取、科目簡介讀取、科目初始化、科目啟動等功能。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)

3.1 光路調(diào)試模型的建立

在光路調(diào)試訓(xùn)練軟件中，需要建立光路調(diào)試模型和虛擬光路調(diào)試環(huán)境。簡化的光路調(diào)試模型基于光線光學(xué)原理，在滿足右手法則的全局坐標系xyz 內(nèi)，光線數(shù)據(jù)的參數(shù)由原點位置（x0，y0，z0）和傳輸方向（α，β）組成，其中，α是光線與xy 平面的夾角，β是光線在xy 平面投影與x 軸的夾角，如圖3所示。

圖3 全局坐標系下的光線參數(shù)

鏡面參數(shù)由位置（xm，ym，zm）和方向（γ，δ）組成。光線傳輸方向的矢量和鏡面的法向量分別為

定義鏡面坐標系為：鏡面法向為x′軸，水平面內(nèi)與x′軸垂直的方向為y′軸，z′軸與x′軸、y′軸滿足右手系關(guān)系，如圖4所示。

圖4 鏡面坐標系與全局坐標系

從鏡面坐標系x′y′z′到全局坐標系xyz 的變換為

逆變換為其轉(zhuǎn)置T′。因此，光線珒l 在鏡面坐標系為L＝珒l·T′。鏡面上的點在全局坐標系為珗rm＋珗r′·T。

每束光由五條光線組成，光場坐標系定義在光線1（中心光線）上，五條光線的起點在初始光場坐標系yz 平面上的分布如圖5所示。

圖5 五條光線的位置

光束中任一點（x0，y0，z0）光線的方程和鏡面方程分別為

兩方程聯(lián)立求解，得到此光束傳輸?shù)界R面的中心位置處為

3.2 基于OSG 的虛擬光路調(diào)試環(huán)境

OSG（open scene graph）是一個基于OpenGL 的開源場景圖形工具包，能為圖形程序的開發(fā)提供場景管理和渲染優(yōu)化功能。本操作訓(xùn)練系統(tǒng)中，基于建立的光路調(diào)試模型，采用OSG 函數(shù)庫實現(xiàn)了虛擬光路調(diào)試環(huán)境，包括光路調(diào)試的場景管理、三維光路模型位置姿態(tài)的設(shè)置與更新、光斑映射與更新。

簡化光路調(diào)試模型的示意圖如圖6所示，一束平行光經(jīng)過鏡面M1、M2、M3后，傳輸?shù)界R面M4上。由于到達鏡面M2上的光束帶有方位或俯仰方向上的可調(diào)節(jié)誤差，需要通過調(diào)整鏡面M2和M3的方位或俯仰角，將光瞳的中心調(diào)整到與M4 的鏡面中心重合，保障后續(xù)光路的光束平行。

圖6 光路調(diào)試模型

光路調(diào)試中的場景管理與三維光路模型位置姿態(tài)的設(shè)置、更新，其基本原理與OSG 場景管理、節(jié)點位置的設(shè)置與更新類似，本文不重點闡述。在光路調(diào)試過程中，需要通過觀察鏡面上光斑圖像，判斷調(diào)光效果。在虛擬光路調(diào)試環(huán)境中，應(yīng)用了紋理映射技術(shù)實現(xiàn)光斑圖像的模擬。先選定需要進行紋理映射的鏡面，建立鏡面的外切正方形幾何體，并將正方形幾何體的位置設(shè)置在鏡面內(nèi)側(cè)，且與鏡面節(jié)點同屬于一個變換節(jié)點，然后根據(jù)光斑數(shù)據(jù)矩陣創(chuàng)建該正方形幾何體的紋理圖像，設(shè)置紋理格式為長方形2D 紋理，將2D 紋理映射到正方形幾何體上。采用節(jié)點回調(diào)方式更新紋理節(jié)點中的數(shù)據(jù)塊，在光路調(diào)整過程中，該紋理不斷被更新，模擬的鏡面上光斑圖像如圖7所示。

3.3 訓(xùn)練系統(tǒng)的FOM／SOM 設(shè)計

本操作訓(xùn)練系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的狀態(tài)響應(yīng)、接口關(guān)系復(fù)雜，各崗位之間存在大量的協(xié)同操作。根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計的基礎(chǔ)和操作訓(xùn)練的要求，開發(fā)了FOM／SOM［10，11］。

本操作訓(xùn)練系統(tǒng)的實體類型有：導(dǎo)調(diào)臺、外部信息模擬、系統(tǒng)指揮員、通信管理、狀態(tài)監(jiān)測、跟蹤與控制、目標捕獲、光源模擬、光路調(diào)試模擬。所發(fā)生的事件有：學(xué)員進行流程操作時，將操作步驟名稱和時間發(fā)送至系統(tǒng)指揮員；學(xué)員完成科目練習(xí)或科目考試時，將崗位編號、訓(xùn)練成績發(fā)送至系統(tǒng)指揮員等?？梢源_定聯(lián)邦中的對象類為：TargetInfo（目標信息）、ToZkBatt（發(fā)送至通信管理的信息）、Manager＿Time（仿真時間）。交互類為：Mark（訓(xùn)練成績）、Trace（跟蹤狀態(tài)）、SimuStart（仿真開始指令）、StudInfo（學(xué)員信息）等。

本操作訓(xùn)練系統(tǒng)時涉及到的部分對象類及屬性、交互類及參數(shù)見表1、表2。表1是從本操作訓(xùn)練系統(tǒng)的FOM設(shè)計文檔中截取的目標信息類和通信管理接收信息類；表2顯示的部分交互類及參數(shù)。

表1 仿真系統(tǒng)的FOM／SOM（對象類）

表2 仿真系統(tǒng)的FOM／SOM（交互類）

4 操作訓(xùn)練的評估

4.1 操作流程的評估

在不同的訓(xùn)練模式下，需要考核操作人員對本崗位的熟練程度。操作訓(xùn)練流程的評估需要考慮：操作的時序、可否交換、可否重復(fù)、可否跳過等因素。操作訓(xùn)練系統(tǒng)中的流程評定與具體的訓(xùn)練科目相關(guān)，不同科目下的標準操作流程各不相同。

首先針對每個科目編寫標準操作流程文件，以XML文件格式存放在＼Evaluate目錄下；在科目初始化時，由成績評定模塊讀取相應(yīng)的標準操作流程文件；訓(xùn)練過程中的每一步操作都要由成績評定模塊進行評判，成績評定模塊會將此步操作與標準操作流程文件進行對照，如果對照結(jié)果不匹配，則會出現(xiàn)錯誤警告，學(xué)員可以繼續(xù)訓(xùn)練；如果出現(xiàn)了3 次以上的錯誤警告，則本次訓(xùn)練結(jié)束，成績?yōu)椤安缓细瘛?，且不計算具體分數(shù)；如果訓(xùn)練過程中出現(xiàn)的不合法的操作少于3次，則當學(xué)員完成此科目的所有操作后，可以點擊 “完成”按鈕，此時成績評定模塊會對其整個操作過程進行綜合評估，如果不合法的操作步數(shù)不大于3次并且完成了所有必做的操作，那么成績 “合格”，在 “合格”的情況下，再考察其完成加分操作步驟的個數(shù)，并計算出60－100的具體分數(shù)作為最終的成績評分。

標準操作流程文件的示例如圖8 所示，其中，＜階段＞＜／階段＞表示需要串行執(zhí)行的操作步驟，＜可跳過項＞＜／可跳過項＞表示某個階段中可跳過的操作步驟，＜得分項＞＜／得分項＞表示某個階段中必做操作中的步驟，＜等價項＞＜／等價項＞表示某個階段中等價操作的步驟。

圖8 標準操作流程文件示例

4.2 操作響應(yīng)狀態(tài)的評估

操作人員進行科目練習(xí)、科目考試以及全流程訓(xùn)練時，在標準操作流程文件中增加了對操作響應(yīng)狀態(tài)的判斷，操作訓(xùn)練系統(tǒng)中的操作響應(yīng)狀態(tài)包含面板上的指示燈變化、模擬圖像的顯示閾值、光路調(diào)整的誤差范圍等。

操作響應(yīng)狀態(tài)評定的原則如下：

（1）操作人員按照標準操作流程進行的操作，訓(xùn)練系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)正常；

（2）操作人員違反操作流程進行操作，系統(tǒng)狀態(tài)顯示誤操作后的指示燈、模擬圖像，讓操作人員直觀的看到誤操作后的響應(yīng)；

（3）在同一訓(xùn)練科目中，若誤操作1 次，成績評定時減5分。

4.3 操作界面的逼真度

操作訓(xùn)練系統(tǒng)的操作界面包含硬件面板與訓(xùn)練軟件界面。硬件面板上的按鈕／指示燈選用與實際裝置相同廠家的批次，其布局、大小、顏色、響應(yīng)狀態(tài)與實際的操作面板一致。訓(xùn)練軟件界面上的布局、按鍵響應(yīng)、菜單級聯(lián)關(guān)系等與實際裝置基本一致。

經(jīng)組織實際裝置操作人員進行測評，訓(xùn)練系統(tǒng)的操作流程與實際操作流程符合程度達95%，操作狀態(tài)響應(yīng)與實際操作狀態(tài)響應(yīng)一致度達90%，操作訓(xùn)練系統(tǒng)的界面逼真度達90%。

5 結(jié)束語

本復(fù)雜光電裝置的操作訓(xùn)練系統(tǒng)是集計算機仿真技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)為一體的新型模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，系統(tǒng)采用基于HLA 協(xié)議的分布式半實物仿真方式實現(xiàn)，其操作流程、操作響應(yīng)狀態(tài)與實際光電裝置一致，操作界面逼真度高，具有設(shè)計思想先進、性能穩(wěn)定、模塊化程度高等特點，不僅滿足了用戶單位日常訓(xùn)練的需要，而且對提高裝置的使用技能，具有重大的經(jīng)濟意義。

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