李思雨，黃少羅，姚愷，王晉生，劉華清，吳巍屹

(1.陸軍工程大學(xué) 石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050000；2.山西省軍區(qū)，山西 太原 030013；3.陸軍步兵學(xué)院 石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050000；4.武警山西總隊(duì)，山西 太原 030032)

0 引言

遠(yuǎn)程火箭炮武器系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱遠(yuǎn)火武器系統(tǒng))是陸軍實(shí)施遠(yuǎn)程火力突擊的新型作戰(zhàn)力量，在進(jìn)行遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)實(shí)裝組訓(xùn)時(shí)存在兩點(diǎn)不足：一是系統(tǒng)的開設(shè)與運(yùn)行需要?jiǎng)佑么罅康娜肆?、物力，而真正?shí)際訓(xùn)練的時(shí)間較短，戰(zhàn)技術(shù)水平提升有限，結(jié)果就是耗時(shí)、費(fèi)力，但是訓(xùn)練效果不佳；二是實(shí)裝訓(xùn)練過(guò)程中，無(wú)法進(jìn)行維修訓(xùn)練，無(wú)法有效提升人員的維修能力，一旦裝備或機(jī)構(gòu)出現(xiàn)損壞，嚴(yán)重影響訓(xùn)練和科研工作的進(jìn)度。采用半實(shí)物仿真技術(shù)，開發(fā)了由主控分系統(tǒng)、實(shí)裝操作分系統(tǒng)、虛擬裝備分系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)分系統(tǒng)組成的遠(yuǎn)火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，可以在脫離實(shí)裝的情況下，進(jìn)行實(shí)裝教學(xué)、操作訓(xùn)練和設(shè)置故障進(jìn)行維修訓(xùn)練，降低實(shí)裝損耗，提高訓(xùn)練效率[1]，在操作與維修訓(xùn)練中提高相關(guān)專業(yè)人員技術(shù)水平。

1 遠(yuǎn)火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路是：采用與實(shí)裝一致的組合面板，構(gòu)建系統(tǒng)基本硬件環(huán)境，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬組合內(nèi)部電路功能、實(shí)現(xiàn)各組合的邏輯控制，建立一個(gè)逼真的人機(jī)交互操作界面(環(huán)境)，實(shí)現(xiàn)裝備的操作訓(xùn)練、技術(shù)保障訓(xùn)練和遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)訓(xùn)練；結(jié)合虛擬空間技術(shù)，建立全裝備的模擬維修訓(xùn)練環(huán)境[2]。通過(guò)導(dǎo)航工具、視點(diǎn)漫游、故障特征庫(kù)、專家知識(shí)庫(kù)，利用虛擬測(cè)量工具實(shí)現(xiàn)維修模擬訓(xùn)練；按照規(guī)范統(tǒng)一設(shè)置對(duì)外的信息交互接口，以實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)各模擬器之間的互聯(lián)。

1.1 遠(yuǎn)火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)組成

遠(yuǎn)火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)由主控、實(shí)裝操作、實(shí)裝部組件、虛擬裝備、聯(lián)動(dòng)五個(gè)分系統(tǒng)組成[3]。各分系統(tǒng)通過(guò)主控分系統(tǒng)連接形成一個(gè)有機(jī)的整體，在主控分系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制下工作，主控分系統(tǒng)與分布交互平臺(tái)相通[4]。分系統(tǒng)連接關(guān)系如圖1所示。

1.2 分系統(tǒng)的功能及關(guān)系

1.2.1 主控分系統(tǒng)

主控分系統(tǒng)是遠(yuǎn)火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的控制核心。根據(jù)各分系統(tǒng)之間的控制、邏輯關(guān)系，將整個(gè)模擬器材以各個(gè)分系統(tǒng)為單位分成多個(gè)部分，每部分相對(duì)獨(dú)立，以主控分系統(tǒng)為核心，通過(guò)中央控制板及相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)分系統(tǒng)面板開關(guān)量、可調(diào)控變量等的監(jiān)控，完成各分系統(tǒng)的控制及整體工作狀態(tài)的協(xié)調(diào)。

1.2.2 實(shí)裝操作實(shí)裝部組件分系統(tǒng)

實(shí)裝操作分系統(tǒng)按照1∶1的比例，構(gòu)建系統(tǒng)基本硬件環(huán)境，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬組合內(nèi)部電路功能、實(shí)現(xiàn)各組合的邏輯控制，建立一個(gè)逼真的人機(jī)交互操作界面(環(huán)境)，實(shí)現(xiàn)裝備的操作訓(xùn)練、技術(shù)保障訓(xùn)練和遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)訓(xùn)練。實(shí)裝操作分系統(tǒng)包括實(shí)裝操作面板與實(shí)裝人機(jī)交互設(shè)備。操作面板和人機(jī)交互設(shè)備與實(shí)裝一致，采用與實(shí)裝相同的按鈕、開關(guān)、儀表、手輪等部件；操作面板的人機(jī)界面響應(yīng)和變化與實(shí)裝工作過(guò)程一致；面板上的測(cè)試端口能夠產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，且端口信號(hào)能夠根據(jù)故障的設(shè)置進(jìn)行相應(yīng)的變化。

1.2.3 實(shí)裝部組件分系統(tǒng)

實(shí)裝部組件分系統(tǒng)以實(shí)裝為背景，搭建教學(xué)與維修訓(xùn)練平臺(tái)，包括控制部分、實(shí)裝部分、實(shí)裝連接測(cè)試、集成結(jié)構(gòu)。一方面可獨(dú)立運(yùn)行，另一方面也能嵌入實(shí)裝操作分系統(tǒng)組合運(yùn)行，主要功能是選取典型裝備，進(jìn)行結(jié)構(gòu)組成、工作原理教學(xué)、深度維修訓(xùn)練。

1.2.4 虛擬裝備分系統(tǒng)

虛擬裝備分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛擬式裝備構(gòu)建，由計(jì)算機(jī)模擬仿真火箭炮和裝填車組合內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電路板結(jié)構(gòu)以及實(shí)現(xiàn)各組合的邏輯控制，構(gòu)成系統(tǒng)完整的工作環(huán)境[5]。利用系統(tǒng)提供的虛擬測(cè)量工具，對(duì)計(jì)算機(jī)顯示器上的三維組合電路、電路板進(jìn)行模擬測(cè)量，能夠?qū)收线M(jìn)行診斷、隔離和定位，實(shí)現(xiàn)維修訓(xùn)練。利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練過(guò)程的記錄，為判定和分析提供數(shù)據(jù)。

1.2.5 聯(lián)動(dòng)分系統(tǒng)

通過(guò)研發(fā)聯(lián)動(dòng)分系統(tǒng)，完成遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)與其他模擬系統(tǒng)(器)的互聯(lián)，以及信息傳輸控制和轉(zhuǎn)換。圖2為模擬訓(xùn)練系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖。

遠(yuǎn)火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以完成遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試過(guò)程中的操作訓(xùn)練、維修訓(xùn)練和聯(lián)動(dòng)訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)多崗位、多人的沉浸式交互操作體驗(yàn)，是集戰(zhàn)術(shù)指揮、射擊指揮、作戰(zhàn)保障指揮于一體的模擬訓(xùn)練平臺(tái)[6]。仿真過(guò)程中主要是對(duì)操作過(guò)程的監(jiān)督、記錄評(píng)估，所以主要對(duì)實(shí)裝操作、實(shí)裝部組件、虛擬裝備分系統(tǒng)進(jìn)行研究，三者之間的連接關(guān)系如表1所示。

表1 分系統(tǒng)之間的連接關(guān)系

2 遠(yuǎn)火模擬系統(tǒng)的工作狀態(tài)模擬

2.1 工作狀態(tài)關(guān)鍵技術(shù)分析

無(wú)論是單裝訓(xùn)練還是遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)訓(xùn)練，操作模擬、維修模擬訓(xùn)練均需在主控分系統(tǒng)的控制下進(jìn)行初始化，其控制信息根據(jù)訓(xùn)練科目的不同以命令代碼的形式下達(dá)，各分系統(tǒng)接收后設(shè)置相應(yīng)工作狀態(tài)，完成訓(xùn)練任務(wù)[7]。關(guān)鍵技術(shù)主要包括：基于信息流的設(shè)備狀態(tài)模擬、故障模式及故障機(jī)理建模研究、訓(xùn)練狀態(tài)實(shí)時(shí)分析研究[8]。

2.1.1 基于信息流的設(shè)備狀態(tài)模擬

遠(yuǎn)火模擬系統(tǒng)中各單體設(shè)備的工作狀態(tài)的改變應(yīng)該與遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)中的裝備信息流一致，人員對(duì)設(shè)備的操作直接影響信息流的傳輸。在模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)過(guò)程中通過(guò)對(duì)裝備信息流和單體設(shè)備建模來(lái)完成上述問題。所以分析研究從信息入口至信息末端各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息流模型是難點(diǎn)，需調(diào)研系統(tǒng)在部隊(duì)的使用模式、戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用背景，仔細(xì)剖析系統(tǒng)從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，將情報(bào)信息及指揮信息融合處理后逐級(jí)下發(fā)并傳至火控單元的全過(guò)程，并優(yōu)化信息流程，建立相應(yīng)機(jī)理模型。

2.1.2 基于信息流的設(shè)備狀態(tài)模擬

為使維修訓(xùn)練貼近部隊(duì)裝備保障的實(shí)際，必須對(duì)遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)各單體裝備故障模式及故障機(jī)理進(jìn)行建模研究[9]。例如，營(yíng)(連)射擊指揮車包括多種主要的單體設(shè)備，涉及信息處理、有線通信、無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)交換等多種技術(shù)，設(shè)備內(nèi)部信息化集成度高，設(shè)備之間連接和控制關(guān)系復(fù)雜，系統(tǒng)故障模式多。因此，故障模擬是遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的難點(diǎn)之一。故障模擬有兩個(gè)前提，一是對(duì)裝備的故障模式進(jìn)行分析，二是建立裝備發(fā)生故障時(shí)的機(jī)理模型。

2.1.3 訓(xùn)練狀態(tài)實(shí)時(shí)分析研究

評(píng)估是檢驗(yàn)?zāi)M訓(xùn)練系統(tǒng)訓(xùn)練成果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[10]。構(gòu)建科學(xué)、準(zhǔn)確的評(píng)估方法，獲知訓(xùn)練中的全部過(guò)程是重中之重，就是在模擬訓(xùn)練時(shí)，評(píng)估系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取訓(xùn)練狀態(tài)。針對(duì)遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的特點(diǎn)，實(shí)時(shí)獲取訓(xùn)練狀態(tài)分為兩個(gè)部分：裝備的硬件部分、軟件部分操作監(jiān)控。

2.2 操作模擬訓(xùn)練

在與實(shí)裝功能一致的前提下，實(shí)現(xiàn)基于實(shí)物的原理教學(xué)、借助半實(shí)物仿真技術(shù)，進(jìn)行操作使用和測(cè)試維修訓(xùn)練[11]。實(shí)裝的硬件主要包括控制部分、實(shí)裝部分、實(shí)裝連接測(cè)試與指示三部分?？刂撇糠种饕瓿娠@示和人機(jī)交互等功能，通過(guò)部組件控制終端對(duì)設(shè)備完成所有操作和測(cè)試?？刂平K端主機(jī)中插有通信控制電路板，具備與設(shè)備數(shù)據(jù)接口和測(cè)試儀器的通信，以及與實(shí)裝連接測(cè)試、指示板上的開關(guān)、指示燈的交互，實(shí)裝連接測(cè)試與指示部分將單體設(shè)備的內(nèi)部組件連接起來(lái)保證設(shè)備的正常工作。

以遠(yuǎn)程火武器系統(tǒng)指控系統(tǒng)面板上的操作示意圖為例，說(shuō)明如何完成對(duì)其工作狀態(tài)的模擬，原理框圖如圖3所示。

當(dāng)按下系統(tǒng)面板上的操作按鈕時(shí)，按鈕的狀態(tài)改變(由低電平轉(zhuǎn)換成高電平，或由高電平轉(zhuǎn)換成低電平)，該狀態(tài)改變信息經(jīng)面板控制電路傳送到中央電路板，經(jīng)調(diào)理、驅(qū)動(dòng)處理后，傳送到主控計(jì)算機(jī)的I/O卡，經(jīng)采集后，由主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出相應(yīng)的火箭炮控制系統(tǒng)顯示信息。一部分通過(guò)I/O經(jīng)中央電路板傳送給相應(yīng)的面板控制電路，由面板控制電路控制相應(yīng)的指示燈顯示；一部分通過(guò)D/A卡轉(zhuǎn)換為模擬量，再經(jīng)中央電路板傳送給相應(yīng)的面板控制電路，再由面板控制電路控制相應(yīng)電表顯示；一部分通過(guò)網(wǎng)卡傳送給顯示控制計(jì)算機(jī)的顯示器，顯示相應(yīng)的圖像信息。

武器系統(tǒng)有3種工作方式：行軍導(dǎo)航、自主和非自主工作方式?；趯?shí)裝操作分系統(tǒng)，可以對(duì)遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)的3種工作方式進(jìn)行模擬。

基于半實(shí)物仿真的遠(yuǎn)火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)包括遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)主要的單體裝備模擬器，如營(yíng)(連)射擊指揮車模擬器、氣象車模擬器、測(cè)地車模擬器、陣地指揮車模擬器(見圖4～圖7)。

2.3 維修模擬訓(xùn)練

遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)作為一種成系統(tǒng)的大型武器裝備，雖然具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也面臨實(shí)裝維修復(fù)雜多樣，維修人員訓(xùn)練時(shí)間短等問題，而通過(guò)對(duì)裝備的故障狀態(tài)進(jìn)行模擬，并結(jié)合模擬器用于仿真來(lái)配合維修人員進(jìn)行訓(xùn)練，對(duì)于裝備的故障診斷研究具有重要意義。武器系統(tǒng)的維修訓(xùn)練包括更換設(shè)備維修、更換電路單元維修和面板級(jí)維修三種維修模式。更換設(shè)備維修主要模擬裝備在重?fù)p情況下的拼裝搶修，更換電路單元維修主要模擬裝備在輕損情況下的搶修，面板級(jí)維修模擬在修理所或后方基地的維修[12]。

維修模擬時(shí)，遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)的各個(gè)單體設(shè)備信息交互：主控分系統(tǒng)功能是導(dǎo)調(diào)監(jiān)控不同信道的信息鏈路態(tài)勢(shì)，特別體現(xiàn)在協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)的作用上。維修訓(xùn)練進(jìn)行時(shí)，遠(yuǎn)火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要是數(shù)據(jù)信息的交互，數(shù)據(jù)的交互通過(guò)不同類別的通信裝備進(jìn)行。信息裝備不能單獨(dú)運(yùn)用，而且進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互時(shí)，信道兩端的裝備型號(hào)、工作方式必須相同才能進(jìn)行。所以必須要明確通信裝備的性能、工作參數(shù)，以便保持鏈路兩邊運(yùn)行的裝備一致。

借助遠(yuǎn)火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行維修訓(xùn)練模擬，各個(gè)分系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)配合營(yíng)造出所需要的訓(xùn)練景況。當(dāng)參訓(xùn)人員維修訓(xùn)練時(shí)候，實(shí)裝部組件與儀器儀表、VR組件彼此之間是有聯(lián)系的，協(xié)同進(jìn)行，完成信息流的交互。維修訓(xùn)練主要是針對(duì)武器系統(tǒng)的故障情況進(jìn)行排除，以此保持系統(tǒng)的正常運(yùn)行，其中對(duì)于各部分的信息流轉(zhuǎn)主要是主控分系統(tǒng)。對(duì)各部分交互控制分類兩大類，一類是儀器儀表面板層，另一類是電子、電路板層。更換設(shè)備維修主要模擬裝備在重?fù)p情況下的拼裝搶修，在實(shí)裝操作分系統(tǒng)下實(shí)施。

2.3.1 故障狀態(tài)模擬

為貼近部隊(duì)裝備保障的實(shí)際需求，提高保障效率和維修水平，對(duì)遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)裝備故障模式及故障機(jī)理進(jìn)行建模研究是十分必要的[13]。遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)高度信息化集成，設(shè)備之間的連接與控制關(guān)系復(fù)雜，故障發(fā)生時(shí)，模式較多。同時(shí)，由于軟件的作用更增加了系統(tǒng)故障的耦合性和不確定性[14]，故障模擬是遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)虛擬維修實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)之一。對(duì)于遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)故障模擬建模需要完成兩方面：

1)遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)候的模式研究。結(jié)合武器系統(tǒng)裝備構(gòu)造特點(diǎn)，對(duì)裝備的層次、類別劃分，詳細(xì)描述每個(gè)層次單元的故障模式以及對(duì)裝備功能性能的影響，依據(jù)故障產(chǎn)生的影響進(jìn)行故障分級(jí)，把原理分析和實(shí)裝試驗(yàn)分析二者結(jié)合。單體設(shè)備方面從其功能和構(gòu)成出發(fā)，借助以可靠性為中心的維修(RCM)和失效模式與影響分析(FMEA)等理論，對(duì)于組成設(shè)備和其軟件部分可能發(fā)生的故障進(jìn)行研究，通過(guò)分析得出各個(gè)單體設(shè)備的故障模式、發(fā)生現(xiàn)象、產(chǎn)生的故障信號(hào)特征。

2)分析各單體設(shè)備之間的連接關(guān)系和工作原理，通過(guò)分析傳輸信號(hào)的種類、數(shù)據(jù)組成、收發(fā)時(shí)序等參數(shù)，明確單體設(shè)備之間的故障影響模式，建立相應(yīng)的故障機(jī)理模型。對(duì)于實(shí)裝方面，在實(shí)際裝備上進(jìn)行故障試驗(yàn)，著重采錄單體操作面板的故障現(xiàn)象、采集單體設(shè)備輸入、輸出端口的信號(hào)特征等，對(duì)故障機(jī)理模型進(jìn)行修正和完善。

遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主控分系統(tǒng)的主控計(jì)算機(jī)設(shè)置故障類型產(chǎn)生故障狀態(tài)，可以從數(shù)據(jù)庫(kù)查找到對(duì)應(yīng)的故障點(diǎn)，經(jīng)由I/O卡設(shè)置相應(yīng)的繼電器為故障狀態(tài)，繼電器則切斷遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)指控系統(tǒng)操作面板上相應(yīng)指示表的正確指示，同時(shí)接通告警燈和告警喇叭以及對(duì)應(yīng)的故障指示燈，從而正確顯示故障現(xiàn)象。參訓(xùn)人員就可以通過(guò)故障現(xiàn)象判斷相應(yīng)的故障類型，從而進(jìn)行相應(yīng)維修訓(xùn)練[15]。故障狀態(tài)模擬原理如圖8所示。

2.3.2 故障數(shù)據(jù)采集

維修操作人員對(duì)遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)的故障判別和診斷，由于是人工操作，與智能診斷相比，還有一定的差距。通過(guò)該模擬訓(xùn)練系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)火系統(tǒng)中諸多類型故障的智能分類[15]。將遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)模擬產(chǎn)生的故障分類，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)故障的智能診斷。

相較于機(jī)器學(xué)習(xí)，通過(guò)人為識(shí)別信號(hào)燈進(jìn)行故障診斷方法有兩點(diǎn)不足之處：一是由指控系統(tǒng)(主控系統(tǒng))可以設(shè)置的故障有50多種，但是利用操作面板顯示故障類型卻只能達(dá)到32種，同時(shí)對(duì)于耦合故障和一種故障多種原因的情況，不能準(zhǔn)確地通過(guò)讀取操作面板的指示燈來(lái)進(jìn)行人工判別；二是在工作效率和判斷故障的準(zhǔn)確度方面，人工操作與計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度是無(wú)法相比。因此，將模擬系統(tǒng)設(shè)置的所有可能故障情況和與之對(duì)應(yīng)的故障原因作為分析的故障數(shù)據(jù)，用于故障情況的判別和分析[16]。

以遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)的營(yíng)射擊指揮車在操作訓(xùn)練過(guò)程中常見的故障情況為例，借助模擬訓(xùn)練系統(tǒng)進(jìn)行故障模擬，故障診斷分析如表2所示。

表2 故障診斷分析

2.3.3 故障仿真實(shí)現(xiàn)

依據(jù)故障機(jī)理實(shí)現(xiàn)故障的仿真，從而進(jìn)行維修訓(xùn)練[17]，故障機(jī)理采用原理分析和實(shí)裝試驗(yàn)相結(jié)合的方法。一方面從單體設(shè)備的功能和組成著手，運(yùn)用RCM和FMEA等理論對(duì)單體設(shè)備及其軟件模塊可能出現(xiàn)的故障模式進(jìn)行分析，確定各單體設(shè)備的故障模式、現(xiàn)象、原因，以及輸出的故障信號(hào)特征。然后，研究單體設(shè)備之間的連接關(guān)系和工作原理，通過(guò)分析傳輸信號(hào)的種類、數(shù)據(jù)組成、收發(fā)時(shí)序等參數(shù)，明確單體設(shè)備之間的故障影響模式，建立相應(yīng)的故障機(jī)理模型。另一方面，在實(shí)際裝備上進(jìn)行故障試驗(yàn)，補(bǔ)充和完善模擬器的故障模式和故障類型，結(jié)合單體操作面板表現(xiàn)的故障現(xiàn)象、采集單體設(shè)備輸入、輸出端口的信號(hào)特征等，對(duì)模擬器的故障機(jī)理模型進(jìn)行修正和完善。圖9所示為故障仿真流程圖。

遠(yuǎn)火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用一體化綜合模擬設(shè)計(jì)方法[18]，對(duì)平時(shí)訓(xùn)練中可能存在的多種故障模式進(jìn)行模擬仿真，借助半實(shí)物仿真技術(shù)，進(jìn)行武器系統(tǒng)裝備的結(jié)構(gòu)分解結(jié)合、故障設(shè)置與排除等一系列維修活動(dòng)。維修訓(xùn)練能夠涵蓋遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)所涉及的所有單體裝備，通過(guò)訓(xùn)練中可能存在的多種故障模式分析研究進(jìn)行維修模擬訓(xùn)練。

3 博弈-集對(duì)分析的模擬訓(xùn)練效果評(píng)估

基于當(dāng)前武器系統(tǒng)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)訓(xùn)練效果定量評(píng)估不準(zhǔn)確、指標(biāo)體系不合理等情況，建立遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提出博弈-集對(duì)分析的模擬訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)方法，實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練效果由靜態(tài)評(píng)價(jià)向動(dòng)態(tài)分析的轉(zhuǎn)變[19-20]。

3.1 建立遠(yuǎn)火模擬訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

訓(xùn)練效果反映的是訓(xùn)練質(zhì)量好壞，訓(xùn)練效果評(píng)估能檢驗(yàn)參訓(xùn)人員的實(shí)操水平、業(yè)務(wù)能力、心理素質(zhì)等，客觀、準(zhǔn)確的評(píng)估指標(biāo)體系對(duì)參訓(xùn)人員操作遠(yuǎn)火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)訓(xùn)練效果評(píng)估至關(guān)重要。遠(yuǎn)火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的訓(xùn)練效果受到很多因素影響，所以要研究影響因素，分析運(yùn)行機(jī)理。結(jié)合訓(xùn)練科目和大綱要求，建立遠(yuǎn)火射擊指揮車的訓(xùn)練效果評(píng)估指標(biāo)體系，構(gòu)建如圖10所示的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

3.1.1 操作能力

操作人員一旦接收上級(jí)號(hào)令，即進(jìn)行系統(tǒng)操作，對(duì)其評(píng)估主要包括系統(tǒng)的開設(shè)流程，操作過(guò)程中的熟練程度和準(zhǔn)確性，科目訓(xùn)練完畢，能夠準(zhǔn)確、有序撤收。需要注意的是，檢驗(yàn)操作能力必須是在規(guī)定時(shí)限內(nèi)完成上述動(dòng)作，否則無(wú)效。

3.1.2 發(fā)現(xiàn)與處理能力

依據(jù)遠(yuǎn)火模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)置的科目，進(jìn)行分析研判，根據(jù)系統(tǒng)的操作參數(shù)和運(yùn)行機(jī)理能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和攻擊對(duì)象，熟練掌握武器系統(tǒng)運(yùn)行效能，在要求的時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)鎖定目標(biāo)，完成數(shù)據(jù)的處理與傳輸。

3.1.3 維修能力

針對(duì)模擬系統(tǒng)的維修訓(xùn)練評(píng)估包括故障的檢測(cè)，結(jié)合故障現(xiàn)象能夠準(zhǔn)確進(jìn)行定位，根據(jù)故障的嚴(yán)酷度，從而檢驗(yàn)人員的維修能力，完成維修訓(xùn)練報(bào)告，與于此同時(shí)把維修過(guò)程中的所有信息載入維修訓(xùn)練日志。

3.1.4 特情處置能力

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境瞬息萬(wàn)變，需要臨機(jī)應(yīng)變。面對(duì)敵人炮火襲擊需要做出快速反應(yīng)，當(dāng)遠(yuǎn)火裝備出現(xiàn)故障時(shí)，也需要專業(yè)人員第一時(shí)間搶修。

3.2 博弈組合賦權(quán)法研究

軍事訓(xùn)練評(píng)估指標(biāo)體系由于指標(biāo)的重要程度不一，大部分的結(jié)構(gòu)具有層次性，同一層級(jí)的指標(biāo)采用權(quán)重占比來(lái)衡量重要程度，明確權(quán)重占比直接關(guān)系到軍事訓(xùn)練評(píng)估的結(jié)果是否準(zhǔn)確。計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的方法大致分為主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法、主客觀組合賦權(quán)法[21]。

由于主、客觀賦權(quán)法的缺點(diǎn)，在計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的時(shí)候，通常把兩種方法組合起來(lái)進(jìn)行求解，即主客觀組合賦權(quán)法。組合賦權(quán)法進(jìn)行計(jì)算權(quán)重指標(biāo)的原理是通過(guò)主觀的量化和客觀訓(xùn)練數(shù)據(jù)融合起來(lái)，二者取長(zhǎng)補(bǔ)短，既有定性也有定量，能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算權(quán)重指標(biāo)，從而得到理想的評(píng)估結(jié)果：

(1)

從原理上分析，組合賦權(quán)過(guò)程與博弈論思想相似，將主客觀賦權(quán)方法分別定義為博弈雙方(即局中人)，二者確定的指標(biāo)權(quán)重向量定義為策略空間，線性加權(quán)系數(shù)α、β定義為贏得函數(shù)。組合賦權(quán)過(guò)程就轉(zhuǎn)變?yōu)椋簯?yīng)用博弈方法尋找主客觀賦權(quán)法的平衡點(diǎn)，確定贏得函數(shù)α、β的值。

假定專家評(píng)估原始數(shù)據(jù)集為{xij}，其中，i∈[1，n]，j∈[1，m]，n為評(píng)價(jià)對(duì)象數(shù)量，m為評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量。顯然，被評(píng)價(jià)對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)值作為目標(biāo)函數(shù)可表示為

為拉格朗日乘子。

(2)

式中：λ為拉格朗日乘子。

對(duì)(2)式就ks、ko、λ分別求導(dǎo)，可得

(3)

對(duì)上述約束條件進(jìn)行求解，并對(duì)ks、ko歸一化處理，可得

(4)

(5)

根據(jù)α、β的值即可確定最優(yōu)權(quán)重向量W。為簡(jiǎn)化求解過(guò)程，可以利用MATLAB或excel軟件中的規(guī)劃求解功能對(duì)優(yōu)化過(guò)程進(jìn)行模擬，容易得出最優(yōu)結(jié)果。

3.3 集對(duì)分析原理

3.3.1 集對(duì)分析

集對(duì)分析思想：把被研究的客觀事物之確定性聯(lián)系與不確定性聯(lián)系作為一個(gè)確定不確定系統(tǒng)來(lái)分析和處理，即客觀承認(rèn)、系統(tǒng)描述、定量刻畫、具體分析。具體分析中，把2個(gè)集合的確定性聯(lián)系分為同一性聯(lián)系和對(duì)立性聯(lián)系簡(jiǎn)稱同異反[22]。集對(duì)分析方法通常用聯(lián)系度表示集對(duì)之間的確定不確定聯(lián)系，因此聯(lián)系度也可稱為確定—不確定性聯(lián)系度。在集對(duì)分析過(guò)程中，系統(tǒng)的確定不確定性并非一成不變的，相互之間可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。在一定條件背景下，不確定測(cè)度可以分解轉(zhuǎn)化為確定性測(cè)度和不確定性測(cè)度，分解轉(zhuǎn)化代表所研究問題的不確定性發(fā)生改變，朝著明確的確定性和不確定性轉(zhuǎn)變，在初始認(rèn)知基礎(chǔ)上，通過(guò)差異性系數(shù)的變化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)系度的轉(zhuǎn)化。考慮研究對(duì)象的復(fù)雜性和時(shí)間序列等因素，伴隨集對(duì)聯(lián)系分量的增加，初等二元聯(lián)系度可以演變導(dǎo)出三元聯(lián)系度、四元聯(lián)系度、…、多元聯(lián)系度[23-24]。

3.3.2 四元聯(lián)系度確定

依據(jù)軍事訓(xùn)練大綱四級(jí)制的考核標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)分優(yōu)秀、良好、及格、不及格4個(gè)等級(jí)，選擇集對(duì)分析四元聯(lián)系度模型進(jìn)行訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)較為恰當(dāng)。

假定評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)集合A={lⅠ，lⅡ，lⅢ，lⅣ}，各指標(biāo)評(píng)價(jià)值集合B={x1，x2，x3，…，xj}，lⅠ、lⅡ、lⅢ、lⅣ分別為分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)門限值(上限)。對(duì)于集合之間的聯(lián)系，可以用四元聯(lián)系度進(jìn)行表示，構(gòu)造方法：評(píng)價(jià)指標(biāo)處于某評(píng)價(jià)等級(jí)時(shí)，聯(lián)系度同一度量為1，表示完全的確定性；評(píng)價(jià)指標(biāo)處于相鄰兩個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)時(shí)，聯(lián)系度以距離門限值的程度進(jìn)行計(jì)量；評(píng)價(jià)指標(biāo)超出兩個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)時(shí)，聯(lián)系度由對(duì)立度用-1表示[7]。根據(jù)上述規(guī)則，四級(jí)制評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與指標(biāo)評(píng)價(jià)值之間的聯(lián)系度μxi-lⅠ、μxi-lⅡ、μxi-xⅢ、μxi-lⅣ可分別表示為

(6)

(7)

(8)

(9)

3.3.3 綜合聯(lián)系度確定

遵照集對(duì)聯(lián)系度運(yùn)算規(guī)則，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重和四元聯(lián)系度進(jìn)行線性加權(quán)，得到評(píng)價(jià)目標(biāo)綜合聯(lián)系度U表達(dá)式為

(10)

式中：k=lⅠ,lⅡ,lⅢ,lⅣ。

4 實(shí)例分析

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)收集

根據(jù)本文建立的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，邀請(qǐng)多名專家對(duì)該指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重評(píng)判，同時(shí)針對(duì)各受訓(xùn)組操作結(jié)果進(jìn)行打分，打分區(qū)間為[0，10]，借此評(píng)價(jià)各組模擬訓(xùn)練效果。專家打分情況如表3所示。

表3 各組模擬訓(xùn)練效果評(píng)分

4.2 博弈思想確定指標(biāo)組合權(quán)重

充分考量主觀經(jīng)驗(yàn)和原始數(shù)據(jù)的差異，采用層次分析法、熵值法、標(biāo)準(zhǔn)差法分別確定權(quán)重，采用博弈思想優(yōu)化三者之間的配比，使得目標(biāo)評(píng)價(jià)值最高[25]。本文簡(jiǎn)化處理單一方法的賦權(quán)過(guò)程，表4所示為不同賦權(quán)方法下的指標(biāo)權(quán)重值。

表4 不同賦權(quán)方法下的指標(biāo)權(quán)重值

從表4可以看出，不同方法確定的權(quán)重存在較大差異，符合主客觀賦權(quán)方法的各自特點(diǎn)[26-29]。根據(jù)(4)式、(5)式，對(duì)上述指標(biāo)進(jìn)行線性加權(quán)優(yōu)化，解得二級(jí)指標(biāo)最優(yōu)權(quán)重向量：

W=(0.067 7，0.091 0，0.105 2，0.088 0，

0.171 7，0.118 9，0.093 3，0.085 9，0.056 7，

0.053 2，0.068 2)

4.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)聯(lián)系度與評(píng)價(jià)分析

依照訓(xùn)練考核實(shí)際，建立原始數(shù)據(jù)與考核標(biāo)準(zhǔn)的十分制對(duì)應(yīng)標(biāo)度，優(yōu)秀(Ⅰ級(jí))的評(píng)分區(qū)間為[9，10]、良好(Ⅱ級(jí))的評(píng)分區(qū)間為[8，9)、及格(Ⅲ級(jí))的評(píng)分區(qū)間為[6，8)、不及格(Ⅳ級(jí))的評(píng)分區(qū)間為[0，6)。根據(jù)(6)式～(9)式建立指標(biāo)因素相對(duì)于各評(píng)價(jià)等級(jí)的聯(lián)系度。

訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)的四元聯(lián)系度計(jì)算結(jié)果如表5所示。在表5基礎(chǔ)上，根據(jù)(10)式對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)聯(lián)系度進(jìn)行加權(quán)處理，得到各受訓(xùn)組的訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)綜合聯(lián)系度，表6為處理后得到的綜合聯(lián)系度。

分析各組與評(píng)價(jià)等級(jí)的聯(lián)系關(guān)系，組1、組2、組3的訓(xùn)練成績(jī)與Ⅲ級(jí)聯(lián)系度最大，而組4的訓(xùn)練成績(jī)與Ⅰ級(jí)聯(lián)系度最大，組5的訓(xùn)練成績(jī)與Ⅱ級(jí)聯(lián)系度最大，可以理解為各組成績(jī)處于此評(píng)價(jià)等級(jí)，即組1、組2、組3訓(xùn)練成績(jī)?yōu)榱己茫M4訓(xùn)練成績(jī)?yōu)椴患案?，組5訓(xùn)練成績(jī)?yōu)榧案瘛恼w上分析，各組訓(xùn)練成績(jī)排序?yàn)椋航M1>組3>組2>組5>組4；綜合考量各組負(fù)值聯(lián)系度，分析其訓(xùn)練成績(jī)轉(zhuǎn)化趨勢(shì)，組1、組3的訓(xùn)練成績(jī)存在向Ⅳ級(jí)進(jìn)化的趨勢(shì)；雖然組2、組5現(xiàn)階段的訓(xùn)練成績(jī)處于Ⅰ級(jí)以上，但兩組均存在成績(jī)向低等級(jí)退化的趨勢(shì)；組4的訓(xùn)練成績(jī)雖然最差，但存在向Ⅱ級(jí)進(jìn)化的趨勢(shì)。

由試驗(yàn)分析可知，應(yīng)用該評(píng)價(jià)方法進(jìn)行訓(xùn)練效果評(píng)價(jià)，可以同時(shí)得到現(xiàn)階段訓(xùn)練成績(jī)和未來(lái)成績(jī)變化趨勢(shì)，便于指揮員掌握所屬人員情況，有助于制定下步的訓(xùn)練決策。

5 結(jié)論

本文基于半實(shí)物仿真技術(shù)，以遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出了一種由主控分系統(tǒng)、實(shí)裝操作分系統(tǒng)、實(shí)裝部組件分系統(tǒng)、虛擬裝備分系統(tǒng)、聯(lián)動(dòng)分系統(tǒng)組成的新型操作與維修模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，能夠?qū)Ω饔?xùn)練科目進(jìn)行考核評(píng)估及分系統(tǒng)各組成部分的自檢；構(gòu)建了一種基于博弈-集對(duì)分析的模擬訓(xùn)練效果評(píng)估方法，將定性判斷有效轉(zhuǎn)化為定量描述。通過(guò)示例應(yīng)用和方法比較，說(shuō)明博弈-集對(duì)分析評(píng)估法的可行性和有效性。