孫心豐， 姚科明， 鄂 群

（海軍大連艦艇學(xué)院艦船指揮系，遼寧大連116018）

0 引 言

艦載直升機以水面艦艇為活動平臺，在艦艇編隊立體、多維的體系作戰(zhàn)能力發(fā)揮中扮演著重要的角色，可掛載多型武器，遂行攻潛作戰(zhàn)、對海攻擊、火力壓制等多種使命任務(wù)［1-3］。為提高艦載直升機作戰(zhàn)效能，作為水面艦艇航空專業(yè)人員，需要熟練掌握艦載直升機機載武器的基本工作原理、掛卸保障流程以及作戰(zhàn)使用方法。為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，需要建立艦載直升機機載武器保障與使用實驗室，并在此基礎(chǔ)上研制艦載直升機機載武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，用于專業(yè)人才培養(yǎng)、保障訓(xùn)練以及使用決策［4-5］，這樣將會貼近艦載直升機機載武器保障和使用訓(xùn)練實際需求［6-8］，并有效擴大培訓(xùn)覆蓋范圍和層次，有利于提高院校和部隊人員的訓(xùn)練、操作水平，達到按綱施訓(xùn)的目的，盡快滿足院校專業(yè)學(xué)員適應(yīng)崗位任職以及艦艇部隊航空保障和指揮人員培訓(xùn)、輪訓(xùn)的需求。

1 實驗室功能及組成

1.1 功 能

艦載直升機機載武器保障與使用實驗室擬通過采用“三維模型仿實裝＋虛擬現(xiàn)實互動”等多種方式，構(gòu)建一套分布合理、結(jié)構(gòu)完整，能清晰反映武器實裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)、操作流程和作戰(zhàn)使用的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，滿足學(xué)院相關(guān)專業(yè)高等教育、艦艇航空部門人員培訓(xùn)等多層次培訓(xùn)教學(xué)的實作實操訓(xùn)練。

系統(tǒng)主要針對各型艦載直升機機載武器的結(jié)構(gòu)組成、工作原理、彈道過程進行建模仿真，對機載武器的掛卸保障進行VR虛擬操作，對機載武器的使用決策進行仿真分析。通過本系統(tǒng)，可使受訓(xùn)人員能夠掌握艦載直升機機載武器的結(jié)構(gòu)組成、基本工作原理、彈道過程、掛載和卸載操作流程、不同戰(zhàn)場態(tài)勢下的作戰(zhàn)使用方法等，從而達到受訓(xùn)人員對于艦載直升機機載武器保障和指揮能力培養(yǎng)的要求，更好地適應(yīng)我海軍艦艇航空專業(yè)人才隊伍建設(shè)的需要。系統(tǒng)的主要功能包括：機載武器結(jié)構(gòu)組成、工作原理可視化認知教學(xué)及模擬訓(xùn)練；機載武器單人及多人協(xié)同掛卸操作教學(xué)及模擬訓(xùn)練；不同戰(zhàn)場態(tài)勢下的多型機載武器作戰(zhàn)使用決策教學(xué)及模擬訓(xùn)練。

1.2 組 成

艦載直升機機載武器保障和使用實驗室可包括機載武器結(jié)構(gòu)原理認知訓(xùn)練區(qū)、掛卸保障虛擬操作訓(xùn)練區(qū)和作戰(zhàn)使用決策訓(xùn)練區(qū)三部分，其中，機載武器結(jié)構(gòu)原理認知訓(xùn)練區(qū)包含5套VR操作設(shè)備（包括頭戴設(shè)備、定位基站、操作手柄和計算機顯控臺）；掛卸保障虛擬操作訓(xùn)練區(qū)包含1個VR工作站、動作捕捉區(qū)域和5套VR操作設(shè)備（包括頭戴設(shè)備、定位基站、手部光學(xué)定位追蹤器和數(shù)據(jù)手套）；作戰(zhàn)使用決策訓(xùn)練區(qū)包含5個操作臺，各訓(xùn)練區(qū)的臺位通過網(wǎng)絡(luò)交換機互聯(lián)，由主控臺分發(fā)、下達任務(wù)和進行考核評估，并連通音頻、視頻、投影系統(tǒng)，其組成與布局的設(shè)計如圖1所示。

圖1 艦載直升機機載武器實驗室組成和布局圖

2 分系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)艦載直升機機載武器保障與使用實驗室的主要功能，擬構(gòu)建的艦載直升機機載武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)由機載武器結(jié)構(gòu)原理認知訓(xùn)練分系統(tǒng)、機載武器掛卸保障操作訓(xùn)練分系統(tǒng)、機載武器作戰(zhàn)使用決策訓(xùn)練分系統(tǒng)3套分系統(tǒng)和任務(wù)分發(fā)及綜合評價系統(tǒng)組成。各個分系統(tǒng)之間有機聯(lián)系，共同滿足實驗室的功能需求。

2.1 機載武器結(jié)構(gòu)原理認知訓(xùn)練分系統(tǒng)

通過建立多型機載武器三維模型，采用立體的形式進行多角度展示，并利用三維動畫展示模擬各武器關(guān)鍵組件的結(jié)構(gòu)和動作過程，用于仿實裝演示教學(xué)及認知訓(xùn)練，完成各型機載武器結(jié)構(gòu)組成認知。系統(tǒng)軟件考慮包括示范教學(xué)模塊、模擬訓(xùn)練模塊和考核評估模塊，其中，示范教學(xué)模塊包括模型動畫演示、音頻、文字描述等；模擬訓(xùn)練模塊包括交互式操作等；考核評估模塊采用接收任務(wù)，以主觀操作形式進行武器結(jié)構(gòu)原理認知考評，并包括計分、提示和過程回放等。

2.2 機載武器掛卸保障操作訓(xùn)練分系統(tǒng)

通過創(chuàng)建基于任務(wù)的艦載直升機機載武器作戰(zhàn)保障虛擬現(xiàn)實場景，建立機載武器懸掛發(fā)射裝置三維模型和作業(yè)人物模型，采用增強虛擬現(xiàn)實技術(shù)，運用VR頭顯、手套、動作捕捉等設(shè)備，完成各型機載武器的掛卸模擬操作［9］。系統(tǒng)軟件考慮包括示范教學(xué)模塊、模擬訓(xùn)練模塊、考核評估模塊。示范教學(xué)模塊用于機載武器作戰(zhàn)保障操作及流程的示范教學(xué)，嚴格依據(jù)裝備實操的規(guī)范要求，展現(xiàn)基于不同任務(wù)的直升機機載武器轉(zhuǎn)運、掛載、試投、卸載的規(guī)范性操作方法和步驟；模擬訓(xùn)練模塊用于進行各標準化操作，既能滿足單人操作的模擬訓(xùn)練，也能滿足多人協(xié)同作戰(zhàn)保障流程的模擬訓(xùn)練；考核評估模塊用于實時采集人員的操作動作和協(xié)同作業(yè)流程，作業(yè)結(jié)束后與標準化動作和作業(yè)流程相比對，自動生成考核評估結(jié)果。

2.3 機載武器作戰(zhàn)使用決策訓(xùn)練分系統(tǒng)

通過開發(fā)虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，模擬武器火控系統(tǒng)，根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢情況對武器的各項參數(shù)進行模擬設(shè)定操作；利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)模擬武器發(fā)射或投放后的彈道，推演實際作戰(zhàn)效果，用于進行機載武器使用決策訓(xùn)練［10-12］。系統(tǒng)軟件考慮包括示范教學(xué)模塊、模擬訓(xùn)練模塊、考核評估模塊。示范教學(xué)模塊用于機載武器彈道過程的示范教學(xué)，展現(xiàn)機載武器發(fā)射或投放后的彈道，演示不同設(shè)定參數(shù)情況下彈道和武器攻擊過程的變化，并能夠根據(jù)相關(guān)模型計算，推演實際作戰(zhàn)效果。模擬訓(xùn)練模塊用于進行不同戰(zhàn)場態(tài)勢下的武器使用決策模擬操作?？己嗽u估模塊用于通過記錄戰(zhàn)場態(tài)勢信息，根據(jù)相關(guān)模型推算出相關(guān)態(tài)勢下的武器參數(shù)設(shè)定信息，與采集到的操作人員設(shè)定信息比對，從實際作戰(zhàn)效果等方面為戰(zhàn)場指揮員決策的正確與否提供判據(jù)，并自動生成考核評估結(jié)果。

2.4 任務(wù)分發(fā)及綜合評價系統(tǒng)

通過開發(fā)綜合管理系統(tǒng)，用于選定不同的訓(xùn)練科目，分發(fā)訓(xùn)練任務(wù)，顯示學(xué)員訓(xùn)練過程并進行綜合評價。系統(tǒng)軟件考慮包括數(shù)據(jù)管理模塊、示范教學(xué)模塊、任務(wù)設(shè)置模塊、導(dǎo)調(diào)控制模塊、考核評估模塊，用于對學(xué)員數(shù)據(jù)信息管理、示范教學(xué)、任務(wù)下達、模擬訓(xùn)練、考核評估及成績評定。

3 關(guān)鍵問題分析

艦載直升機機載武器實驗室建設(shè)內(nèi)容復(fù)雜，艦載直升機機載武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)各分系統(tǒng)之間緊密結(jié)合，三維場景和模型建立數(shù)量多，技術(shù)難度較高［13-14］?？紤]到建設(shè)目標和功能需求，認為艦艇場景仿真、戰(zhàn)場態(tài)勢模擬和考核評估為系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵問題。

3.1 艦艇場景仿真

艦載直升機機載武器的保障操作是在艦艇飛行甲板上進行的，操作的步驟和復(fù)雜程度受艦艇環(huán)境影響較大。因此需要對艦艇場景進行仿真，主要包括艦艇運動模擬與飛行甲板三維場景仿真兩部分［15］。合理的艦艇運動模型和逼真的三維場景仿真是提高艦載直升機機載武器保障操作訓(xùn)練的重要保證。在艦載直升機機載武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中，VR工作站用于接收主控臺發(fā)送的氣象、海情等參數(shù)，根據(jù)艦艇運動模型，得到艦艇運動參數(shù)，包括艦艇的航向、航速、橫搖角、縱搖角、垂蕩值、橫搖角速度、縱搖角速度、首搖角速度以及位置信息。三維場景仿真能夠?qū)崟r顯示艦艇飛行甲板的布局，系留在飛行甲板上的艦載直升機模型、保障操作所需要的裝備和武器模型，以及艦艇運動姿態(tài)，使受訓(xùn)人員能直觀地感受不同的艦艇環(huán)境。在這里，三維場景仿真主要接收兩方面的數(shù)據(jù)：①艦艇環(huán)境信息，由艦艇運動數(shù)學(xué)模型提供，這部分數(shù)據(jù)主要用于展現(xiàn)艦艇的運動姿態(tài)和所處的氣象、海況等；②艦型、機型、機載武器的選擇指令，這部分數(shù)據(jù)主要是為了創(chuàng)建相應(yīng)的訓(xùn)練場景，滿足不同的訓(xùn)練科目。需要注意的是艦艇場景仿真對艦載直升機機載武器保障操作流程有一定的影響，如在能見度不良情況下，要額外開啟哪些裝備；艦艇搖擺幅度較大時，應(yīng)當額外采取哪些固定武器的手段等。這樣，再加上VR的沉浸式體驗，使受訓(xùn)人員能夠身臨其境，根據(jù)艦艇環(huán)境積極思考訓(xùn)練流程的改變、訓(xùn)練過程中的注意事項，從而達到提高訓(xùn)練效果的作用。

3.2 戰(zhàn)場態(tài)勢模擬

艦載直升機機載武器的使用決策是航空專業(yè)人才作戰(zhàn)指揮能力培養(yǎng)的一個重要內(nèi)容，要求受訓(xùn)人員能夠根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢的不同，合理使用機載武器對目標實施攻擊。因此，模擬戰(zhàn)場態(tài)勢是艦載直升機機載武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一。戰(zhàn)場態(tài)勢可分為環(huán)境構(gòu)建和目標配置兩部分。環(huán)境構(gòu)建包括隨機生成的大氣環(huán)境中的風、雨、霧等，海洋環(huán)境中的涌浪、水深等，海區(qū)環(huán)境中的島礁布局等；目標配置包括增加各型直升機及其機載武器，敵潛艇、水面艦艇等活動目標，以及影響武器使用效能的干擾器、氣幕彈等假目標。戰(zhàn)場態(tài)勢的生成可通過兩種方式來實現(xiàn)，①基于真實環(huán)境的需要。先通過收集現(xiàn)實海區(qū)情況的資料，建立戰(zhàn)場環(huán)境庫，使用時利用主控臺可隨時調(diào)??；再通過不斷去各部隊調(diào)研，明確戰(zhàn)場環(huán)境庫中各海域可能出現(xiàn)的敵目標以及我軍可使用的兵力，進而生成更貼近實戰(zhàn)的戰(zhàn)場態(tài)勢。②基于訓(xùn)練任務(wù)的需要。先針對不同的訓(xùn)練科目，如艦載直升機攻潛作戰(zhàn)、對海攻擊、對地火力壓制等，通過主控臺的設(shè)置，隨機創(chuàng)建戰(zhàn)場環(huán)境；再根據(jù)任務(wù)想定，通過調(diào)整敵目標的數(shù)量、方位、距離等參數(shù)，增減用于影響武器攻擊彈道的假象干擾目標，進而生成可以調(diào)整訓(xùn)練難易程度的戰(zhàn)場態(tài)勢。如此一來，可以提高受訓(xùn)人員在各種戰(zhàn)場態(tài)勢下正確使用各型機載武器對目標實施攻擊的決策能力。

3.3 考核評估

考核評估主要是對受訓(xùn)對象的訓(xùn)練情況進行評價，給出訓(xùn)練成績，指出訓(xùn)練存在的問題。根據(jù)分系統(tǒng)的設(shè)計，艦載直升機機載武器模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的考核評估分為原理認知、保障操作、使用決策3個科目進行，并進行綜合評價，最后給出一個總的評估結(jié)果。這里需要綜合考慮兩個方面的因素。①每個科目的權(quán)重因素。對于不同層次的受訓(xùn)對象來說，每個訓(xùn)練科目的重要性是不同的。比如對于專業(yè)士兵來說，他們主要完成進行武器協(xié)同掛載保障以及簡單故障診斷和排除任務(wù)，因此，原理認知和保障操作的權(quán)重應(yīng)該大一些；對于專業(yè)軍官來說，他們主要完成指揮部門人員進行武器掛載保障和根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢為指揮員提供武器使用建議的任務(wù)，保障操作和使用決策的權(quán)重應(yīng)該大一些。此外，對于不同機載武器來說，其認知、掛載、使用的難易程度均不同，因此每個訓(xùn)練科目子科目的考核權(quán)重也要充分考慮各方面因素后確定。②對非標準化動作的處理。雖然每個科目的考核均有“標準答案”，但在實際訓(xùn)練中，雖然與“標準答案”不一致，但也能完成訓(xùn)練任務(wù)。比如保障操作科目中，一個訓(xùn)練任務(wù)所需的部分操作步驟可以不分孰先孰后；使用決策科目中，武器投放參數(shù)的設(shè)定可以略有差別，那么如何根據(jù)任務(wù)完成情況對受訓(xùn)者的訓(xùn)練效果進行評估，是訓(xùn)練考核評估必須面對的一個問題。這里，通過加入“任務(wù)完成時間”“受外在條件影響情況”等因素，采取軟件自動評估和教員人工評價相結(jié)合的方法，對于軟件能評估的，由軟件給出考核分數(shù)；軟件無法評判的，由教員進行人工評判。

4 結(jié) 語

該文針對艦艇航空專業(yè)人才培養(yǎng)的迫切需求，提出了艦載直升機機載武器保障與使用實驗室建設(shè)的初步方案。該實驗室的建設(shè)和發(fā)展與實戰(zhàn)化訓(xùn)練相契合，可作為集各型機載武器的結(jié)構(gòu)原理教學(xué)、作戰(zhàn)保障操作訓(xùn)練和作戰(zhàn)使用決策的一體化綜合性訓(xùn)練平臺。對于提高艦載航空專業(yè)人才的培養(yǎng)，提升院校教學(xué)能力以及提高部隊艦機協(xié)同作戰(zhàn)能力具有重要意義。