基于半实物仿真的远火模拟训练系统设计

李思雨，黄少罗，姚恺，王晋生，刘华清，吴巍屹

(1.陆军工程大学 石家庄校区，河北 石家庄 050000；2.山西省军区，山西 太原 030013；3.陆军步兵学院 石家庄校区，河北 石家庄 050000；4.武警山西总队，山西 太原 030032)

0 引言

远程火箭炮武器系统(简称远火武器系统)是陆军实施远程火力突击的新型作战力量，在进行远火武器系统实装组训时存在两点不足：一是系统的开设与运行需要动用大量的人力、物力，而真正实际训练的时间较短，战技术水平提升有限，结果就是耗时、费力，但是训练效果不佳；二是实装训练过程中，无法进行维修训练，无法有效提升人员的维修能力，一旦装备或机构出现损坏，严重影响训练和科研工作的进度。采用半实物仿真技术，开发了由主控分系统、实装操作分系统、虚拟装备分系统、联动分系统组成的远火模拟训练系统，可以在脱离实装的情况下，进行实装教学、操作训练和设置故障进行维修训练，降低实装损耗，提高训练效率[1]，在操作与维修训练中提高相关专业人员技术水平。

1 远火模拟训练系统整体设计

远火模拟训练系统总体设计思路是：采用与实装一致的组合面板，构建系统基本硬件环境，通过计算机模拟组合内部电路功能、实现各组合的逻辑控制，建立一个逼真的人机交互操作界面(环境)，实现装备的操作训练、技术保障训练和远火武器系统联动训练；结合虚拟空间技术，建立全装备的模拟维修训练环境[2]。通过导航工具、视点漫游、故障特征库、专家知识库，利用虚拟测量工具实现维修模拟训练；按照规范统一设置对外的信息交互接口，以实现与远火武器系统各模拟器之间的互联。

1.1 远火模拟训练系统组成

远火模拟训练系统由主控、实装操作、实装部组件、虚拟装备、联动五个分系统组成[3]。各分系统通过主控分系统连接形成一个有机的整体，在主控分系统的统一协调控制下工作，主控分系统与分布交互平台相通[4]。分系统连接关系如图1所示。

1.2 分系统的功能及关系

1.2.1 主控分系统

主控分系统是远火模拟训练系统的控制核心。根据各分系统之间的控制、逻辑关系，将整个模拟器材以各个分系统为单位分成多个部分，每部分相对独立，以主控分系统为核心，通过中央控制板及相应的网络接口，实现对各个分系统面板开关量、可调控变量等的监控，完成各分系统的控制及整体工作状态的协调。

1.2.2 实装操作实装部组件分系统

实装操作分系统按照1∶1的比例，构建系统基本硬件环境，通过计算机模拟组合内部电路功能、实现各组合的逻辑控制，建立一个逼真的人机交互操作界面(环境)，实现装备的操作训练、技术保障训练和远火武器系统联动训练。实装操作分系统包括实装操作面板与实装人机交互设备。操作面板和人机交互设备与实装一致，采用与实装相同的按钮、开关、仪表、手轮等部件；操作面板的人机界面响应和变化与实装工作过程一致；面板上的测试端口能够产生相应的信号，且端口信号能够根据故障的设置进行相应的变化。

1.2.3 实装部组件分系统

实装部组件分系统以实装为背景，搭建教学与维修训练平台，包括控制部分、实装部分、实装连接测试、集成结构。一方面可独立运行，另一方面也能嵌入实装操作分系统组合运行，主要功能是选取典型装备，进行结构组成、工作原理教学、深度维修训练。

1.2.4 虚拟装备分系统

虚拟装备分系统实现虚拟式装备构建，由计算机模拟仿真火箭炮和装填车组合内部结构、电路板结构以及实现各组合的逻辑控制，构成系统完整的工作环境[5]。利用系统提供的虚拟测量工具，对计算机显示器上的三维组合电路、电路板进行模拟测量，能够对故障进行诊断、隔离和定位，实现维修训练。利用计算机数据库技术，实现对训练过程的记录，为判定和分析提供数据。

1.2.5 联动分系统

通过研发联动分系统，完成远火武器系统模拟训练系统与其他模拟系统(器)的互联，以及信息传输控制和转换。图2为模拟训练系统体系结构框图。

远火模拟训练系统可以完成远火武器系统联调联试过程中的操作训练、维修训练和联动训练，实现多岗位、多人的沉浸式交互操作体验，是集战术指挥、射击指挥、作战保障指挥于一体的模拟训练平台[6]。仿真过程中主要是对操作过程的监督、记录评估，所以主要对实装操作、实装部组件、虚拟装备分系统进行研究，三者之间的连接关系如表1所示。

表1 分系统之间的连接关系

2 远火模拟系统的工作状态模拟

2.1 工作状态关键技术分析

无论是单装训练还是远火武器系统联动训练，操作模拟、维修模拟训练均需在主控分系统的控制下进行初始化，其控制信息根据训练科目的不同以命令代码的形式下达，各分系统接收后设置相应工作状态，完成训练任务[7]。关键技术主要包括：基于信息流的设备状态模拟、故障模式及故障机理建模研究、训练状态实时分析研究[8]。

2.1.1 基于信息流的设备状态模拟

远火模拟系统中各单体设备的工作状态的改变应该与远火武器系统中的装备信息流一致，人员对设备的操作直接影响信息流的传输。在模拟训练系统设计与开发过程中通过对装备信息流和单体设备建模来完成上述问题。所以分析研究从信息入口至信息末端各个节点的信息流模型是难点，需调研系统在部队的使用模式、战术应用背景，仔细剖析系统从发现目标后，将情报信息及指挥信息融合处理后逐级下发并传至火控单元的全过程，并优化信息流程，建立相应机理模型。

2.1.2 基于信息流的设备状态模拟

为使维修训练贴近部队装备保障的实际，必须对远火武器系统各单体装备故障模式及故障机理进行建模研究[9]。例如，营(连)射击指挥车包括多种主要的单体设备，涉及信息处理、有线通信、无线通信、网络交换等多种技术，设备内部信息化集成度高，设备之间连接和控制关系复杂，系统故障模式多。因此，故障模拟是远火武器系统模拟训练系统的难点之一。故障模拟有两个前提，一是对装备的故障模式进行分析，二是建立装备发生故障时的机理模型。

2.1.3 训练状态实时分析研究

评估是检验模拟训练系统训练成果的关键环节[10]。构建科学、准确的评估方法，获知训练中的全部过程是重中之重，就是在模拟训练时，评估系统能够实时获取训练状态。针对远火武器系统模拟训练系统的特点，实时获取训练状态分为两个部分：装备的硬件部分、软件部分操作监控。

2.2 操作模拟训练

在与实装功能一致的前提下，实现基于实物的原理教学、借助半实物仿真技术，进行操作使用和测试维修训练[11]。实装的硬件主要包括控制部分、实装部分、实装连接测试与指示三部分。控制部分主要完成显示和人机交互等功能，通过部组件控制终端对设备完成所有操作和测试。控制终端主机中插有通信控制电路板，具备与设备数据接口和测试仪器的通信，以及与实装连接测试、指示板上的开关、指示灯的交互，实装连接测试与指示部分将单体设备的内部组件连接起来保证设备的正常工作。

以远程火武器系统指控系统面板上的操作示意图为例，说明如何完成对其工作状态的模拟，原理框图如图3所示。

当按下系统面板上的操作按钮时，按钮的状态改变(由低电平转换成高电平，或由高电平转换成低电平)，该状态改变信息经面板控制电路传送到中央电路板，经调理、驱动处理后，传送到主控计算机的I/O卡，经采集后，由主控计算机进行数据处理，从数据库中调出相应的火箭炮控制系统显示信息。一部分通过I/O经中央电路板传送给相应的面板控制电路，由面板控制电路控制相应的指示灯显示；一部分通过D/A卡转换为模拟量，再经中央电路板传送给相应的面板控制电路，再由面板控制电路控制相应电表显示；一部分通过网卡传送给显示控制计算机的显示器，显示相应的图像信息。

武器系统有3种工作方式：行军导航、自主和非自主工作方式。基于实装操作分系统，可以对远火武器系统的3种工作方式进行模拟。

基于半实物仿真的远火模拟训练系统包括远火武器系统主要的单体装备模拟器，如营(连)射击指挥车模拟器、气象车模拟器、测地车模拟器、阵地指挥车模拟器(见图4～图7)。

2.3 维修模拟训练

远火武器系统作为一种成系统的大型武器装备，虽然具有诸多优点，但也面临实装维修复杂多样，维修人员训练时间短等问题，而通过对装备的故障状态进行模拟，并结合模拟器用于仿真来配合维修人员进行训练，对于装备的故障诊断研究具有重要意义。武器系统的维修训练包括更换设备维修、更换电路单元维修和面板级维修三种维修模式。更换设备维修主要模拟装备在重损情况下的拼装抢修，更换电路单元维修主要模拟装备在轻损情况下的抢修，面板级维修模拟在修理所或后方基地的维修[12]。

维修模拟时，远火武器系统的各个单体设备信息交互：主控分系统功能是导调监控不同信道的信息链路态势，特别体现在协调联动的作用上。维修训练进行时，远火模拟训练系统主要是数据信息的交互，数据的交互通过不同类别的通信装备进行。信息装备不能单独运用，而且进行数据信息的交互时，信道两端的装备型号、工作方式必须相同才能进行。所以必须要明确通信装备的性能、工作参数，以便保持链路两边运行的装备一致。

借助远火模拟训练系统进行维修训练模拟，各个分系统相互协调配合营造出所需要的训练景况。当参训人员维修训练时候，实装部组件与仪器仪表、VR组件彼此之间是有联系的，协同进行，完成信息流的交互。维修训练主要是针对武器系统的故障情况进行排除，以此保持系统的正常运行，其中对于各部分的信息流转主要是主控分系统。对各部分交互控制分类两大类，一类是仪器仪表面板层，另一类是电子、电路板层。更换设备维修主要模拟装备在重损情况下的拼装抢修，在实装操作分系统下实施。

2.3.1 故障状态模拟

为贴近部队装备保障的实际需求，提高保障效率和维修水平，对远火武器系统装备故障模式及故障机理进行建模研究是十分必要的[13]。远火武器系统内部结构高度信息化集成，设备之间的连接与控制关系复杂，故障发生时，模式较多。同时，由于软件的作用更增加了系统故障的耦合性和不确定性[14]，故障模拟是远火武器系统虚拟维修实现的难点之一。对于远火武器系统故障模拟建模需要完成两方面：

1)远火武器系统发生故障时候的模式研究。结合武器系统装备构造特点，对装备的层次、类别划分，详细描述每个层次单元的故障模式以及对装备功能性能的影响，依据故障产生的影响进行故障分级，把原理分析和实装试验分析二者结合。单体设备方面从其功能和构成出发，借助以可靠性为中心的维修(RCM)和失效模式与影响分析(FMEA)等理论，对于组成设备和其软件部分可能发生的故障进行研究，通过分析得出各个单体设备的故障模式、发生现象、产生的故障信号特征。

2)分析各单体设备之间的连接关系和工作原理，通过分析传输信号的种类、数据组成、收发时序等参数，明确单体设备之间的故障影响模式，建立相应的故障机理模型。对于实装方面，在实际装备上进行故障试验，着重采录单体操作面板的故障现象、采集单体设备输入、输出端口的信号特征等，对故障机理模型进行修正和完善。

远火武器系统模拟训练系统主控分系统的主控计算机设置故障类型产生故障状态，可以从数据库查找到对应的故障点，经由I/O卡设置相应的继电器为故障状态，继电器则切断远火武器系统指控系统操作面板上相应指示表的正确指示，同时接通告警灯和告警喇叭以及对应的故障指示灯，从而正确显示故障现象。参训人员就可以通过故障现象判断相应的故障类型，从而进行相应维修训练[15]。故障状态模拟原理如图8所示。

2.3.2 故障数据采集

维修操作人员对远火武器系统的故障判别和诊断，由于是人工操作，与智能诊断相比，还有一定的差距。通过该模拟训练系统可以实现远火系统中诸多类型故障的智能分类[15]。将远火武器系统模拟训练系统模拟产生的故障分类，实现远火武器系统故障的智能诊断。

相较于机器学习，通过人为识别信号灯进行故障诊断方法有两点不足之处：一是由指控系统(主控系统)可以设置的故障有50多种，但是利用操作面板显示故障类型却只能达到32种，同时对于耦合故障和一种故障多种原因的情况，不能准确地通过读取操作面板的指示灯来进行人工判别；二是在工作效率和判断故障的准确度方面，人工操作与计算机的运算速度是无法相比。因此，将模拟系统设置的所有可能故障情况和与之对应的故障原因作为分析的故障数据，用于故障情况的判别和分析[16]。

以远火武器系统的营射击指挥车在操作训练过程中常见的故障情况为例，借助模拟训练系统进行故障模拟，故障诊断分析如表2所示。

表2 故障诊断分析

2.3.3 故障仿真实现

依据故障机理实现故障的仿真，从而进行维修训练[17]，故障机理采用原理分析和实装试验相结合的方法。一方面从单体设备的功能和组成着手，运用RCM和FMEA等理论对单体设备及其软件模块可能出现的故障模式进行分析，确定各单体设备的故障模式、现象、原因，以及输出的故障信号特征。然后，研究单体设备之间的连接关系和工作原理，通过分析传输信号的种类、数据组成、收发时序等参数，明确单体设备之间的故障影响模式，建立相应的故障机理模型。另一方面，在实际装备上进行故障试验，补充和完善模拟器的故障模式和故障类型，结合单体操作面板表现的故障现象、采集单体设备输入、输出端口的信号特征等，对模拟器的故障机理模型进行修正和完善。图9所示为故障仿真流程图。

远火模拟训练系统采用一体化综合模拟设计方法[18]，对平时训练中可能存在的多种故障模式进行模拟仿真，借助半实物仿真技术，进行武器系统装备的结构分解结合、故障设置与排除等一系列维修活动。维修训练能够涵盖远火武器系统所涉及的所有单体装备，通过训练中可能存在的多种故障模式分析研究进行维修模拟训练。

3 博弈-集对分析的模拟训练效果评估

基于当前武器系统模拟训练系统训练效果定量评估不准确、指标体系不合理等情况，建立远火武器系统训练效果评价指标体系，提出博弈-集对分析的模拟训练效果评价方法，实现训练效果由静态评价向动态分析的转变[19-20]。

3.1 建立远火模拟训练效果评价指标体系

训练效果反映的是训练质量好坏，训练效果评估能检验参训人员的实操水平、业务能力、心理素质等，客观、准确的评估指标体系对参训人员操作远火模拟训练系统训练效果评估至关重要。远火模拟训练系统的训练效果受到很多因素影响，所以要研究影响因素，分析运行机理。结合训练科目和大纲要求，建立远火射击指挥车的训练效果评估指标体系，构建如图10所示的评价指标体系。

3.1.1 操作能力

操作人员一旦接收上级号令，即进行系统操作，对其评估主要包括系统的开设流程，操作过程中的熟练程度和准确性，科目训练完毕，能够准确、有序撤收。需要注意的是，检验操作能力必须是在规定时限内完成上述动作，否则无效。

3.1.2 发现与处理能力

依据远火模拟训练系统设置的科目，进行分析研判，根据系统的操作参数和运行机理能够实时观测战场环境和攻击对象，熟练掌握武器系统运行效能，在要求的时间内发现锁定目标，完成数据的处理与传输。

3.1.3 维修能力

针对模拟系统的维修训练评估包括故障的检测，结合故障现象能够准确进行定位，根据故障的严酷度，从而检验人员的维修能力，完成维修训练报告，与于此同时把维修过程中的所有信息载入维修训练日志。

3.1.4 特情处置能力

战场环境瞬息万变，需要临机应变。面对敌人炮火袭击需要做出快速反应，当远火装备出现故障时，也需要专业人员第一时间抢修。

3.2 博弈组合赋权法研究

军事训练评估指标体系由于指标的重要程度不一，大部分的结构具有层次性，同一层级的指标采用权重占比来衡量重要程度，明确权重占比直接关系到军事训练评估的结果是否准确。计算指标权重的方法大致分为主观赋权法、客观赋权法、主客观组合赋权法[21]。

由于主、客观赋权法的缺点，在计算指标权重的时候，通常把两种方法组合起来进行求解，即主客观组合赋权法。组合赋权法进行计算权重指标的原理是通过主观的量化和客观训练数据融合起来，二者取长补短，既有定性也有定量，能够较为准确地计算权重指标，从而得到理想的评估结果：

(1)

从原理上分析，组合赋权过程与博弈论思想相似，将主客观赋权方法分别定义为博弈双方(即局中人)，二者确定的指标权重向量定义为策略空间，线性加权系数α、β定义为赢得函数。组合赋权过程就转变为：应用博弈方法寻找主客观赋权法的平衡点，确定赢得函数α、β的值。

假定专家评估原始数据集为{xij}，其中，i∈[1，n]，j∈[1，m]，n为评价对象数量，m为评价指标数量。显然，被评价对象的综合评价值作为目标函数可表示为

为拉格朗日乘子。

(2)

式中：λ为拉格朗日乘子。

对(2)式就ks、ko、λ分别求导，可得

(3)

对上述约束条件进行求解，并对ks、ko归一化处理，可得

(4)

(5)

根据α、β的值即可确定最优权重向量W。为简化求解过程，可以利用MATLAB或excel软件中的规划求解功能对优化过程进行模拟，容易得出最优结果。

3.3 集对分析原理

3.3.1 集对分析

集对分析思想：把被研究的客观事物之确定性联系与不确定性联系作为一个确定不确定系统来分析和处理，即客观承认、系统描述、定量刻画、具体分析。具体分析中，把2个集合的确定性联系分为同一性联系和对立性联系简称同异反[22]。集对分析方法通常用联系度表示集对之间的确定不确定联系，因此联系度也可称为确定—不确定性联系度。在集对分析过程中，系统的确定不确定性并非一成不变的，相互之间可以实现转化。在一定条件背景下，不确定测度可以分解转化为确定性测度和不确定性测度，分解转化代表所研究问题的不确定性发生改变，朝着明确的确定性和不确定性转变，在初始认知基础上，通过差异性系数的变化，实现系统联系度的转化。考虑研究对象的复杂性和时间序列等因素，伴随集对联系分量的增加，初等二元联系度可以演变导出三元联系度、四元联系度、…、多元联系度[23-24]。

3.3.2 四元联系度确定

依据军事训练大纲四级制的考核标准，评价标准区分优秀、良好、及格、不及格4个等级，选择集对分析四元联系度模型进行训练效果评价较为恰当。

假定评价等级对应的标准集合A={lⅠ，lⅡ，lⅢ，lⅣ}，各指标评价值集合B={x1，x2，x3，…，xj}，lⅠ、lⅡ、lⅢ、lⅣ分别为分级标准门限值(上限)。对于集合之间的联系，可以用四元联系度进行表示，构造方法：评价指标处于某评价等级时，联系度同一度量为1，表示完全的确定性；评价指标处于相邻两个评价等级时，联系度以距离门限值的程度进行计量；评价指标超出两个评价等级时，联系度由对立度用-1表示[7]。根据上述规则，四级制评价标准与指标评价值之间的联系度μxi-lⅠ、μxi-lⅡ、μxi-xⅢ、μxi-lⅣ可分别表示为

(6)

(7)

(8)

(9)

3.3.3 综合联系度确定

遵照集对联系度运算规则，对评价指标权重和四元联系度进行线性加权，得到评价目标综合联系度U表达式为

(10)

式中：k=lⅠ,lⅡ,lⅢ,lⅣ。

4 实例分析

4.1 评价指标数据收集

根据本文建立的评价指标体系，邀请多名专家对该指标进行权重评判，同时针对各受训组操作结果进行打分，打分区间为[0，10]，借此评价各组模拟训练效果。专家打分情况如表3所示。

表3 各组模拟训练效果评分

4.2 博弈思想确定指标组合权重

充分考量主观经验和原始数据的差异，采用层次分析法、熵值法、标准差法分别确定权重，采用博弈思想优化三者之间的配比，使得目标评价值最高[25]。本文简化处理单一方法的赋权过程，表4所示为不同赋权方法下的指标权重值。

表4 不同赋权方法下的指标权重值

从表4可以看出，不同方法确定的权重存在较大差异，符合主客观赋权方法的各自特点[26-29]。根据(4)式、(5)式，对上述指标进行线性加权优化，解得二级指标最优权重向量：

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 评价指标联系度与评价分析

依照训练考核实际，建立原始数据与考核标准的十分制对应标度，优秀(Ⅰ级)的评分区间为[9，10]、良好(Ⅱ级)的评分区间为[8，9)、及格(Ⅲ级)的评分区间为[6，8)、不及格(Ⅳ级)的评分区间为[0，6)。根据(6)式～(9)式建立指标因素相对于各评价等级的联系度。

训练效果评价的四元联系度计算结果如表5所示。在表5基础上，根据(10)式对评价指标联系度进行加权处理，得到各受训组的训练效果评价综合联系度，表6为处理后得到的综合联系度。

分析各组与评价等级的联系关系，组1、组2、组3的训练成绩与Ⅲ级联系度最大，而组4的训练成绩与Ⅰ级联系度最大，组5的训练成绩与Ⅱ级联系度最大，可以理解为各组成绩处于此评价等级，即组1、组2、组3训练成绩为良好，组4训练成绩为不及格，组5训练成绩为及格。从整体上分析，各组训练成绩排序为：组1>组3>组2>组5>组4；综合考量各组负值联系度，分析其训练成绩转化趋势，组1、组3的训练成绩存在向Ⅳ级进化的趋势；虽然组2、组5现阶段的训练成绩处于Ⅰ级以上，但两组均存在成绩向低等级退化的趋势；组4的训练成绩虽然最差，但存在向Ⅱ级进化的趋势。

由试验分析可知，应用该评价方法进行训练效果评价，可以同时得到现阶段训练成绩和未来成绩变化趋势，便于指挥员掌握所属人员情况，有助于制定下步的训练决策。

5 结论

本文基于半实物仿真技术，以远火武器系统为研究对象，提出了一种由主控分系统、实装操作分系统、实装部组件分系统、虚拟装备分系统、联动分系统组成的新型操作与维修模拟训练系统设计实现方法，能够对各训练科目进行考核评估及分系统各组成部分的自检；构建了一种基于博弈-集对分析的模拟训练效果评估方法，将定性判断有效转化为定量描述。通过示例应用和方法比较，说明博弈-集对分析评估法的可行性和有效性。