常海昕，劉永亮，朱元武，魏潔英，王滿喜

（1.北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006；2.解放軍66033 部隊(duì)，湖北 孝感 432900）

0 引言

戰(zhàn)術(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)［1-3］，是新形勢下提出的面向軍事戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練的一種解決方案，是武器裝備實(shí)兵對抗訓(xùn)練的重要補(bǔ)充。其中，裝備模擬器作為戰(zhàn)術(shù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)中的基本組成單元，通過提供與實(shí)裝一致的艙體布局、人機(jī)交互部件、訓(xùn)練流程，來滿足主戰(zhàn)武器裝備的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能指標(biāo)。我軍主戰(zhàn)裝備型號繁雜，且一直伴隨著型號改進(jìn)設(shè)計(jì)與研制，這要求設(shè)計(jì)人員在裝備模擬器的研制過程中，融入通用化設(shè)計(jì)思想來順應(yīng)部隊(duì)武器裝備的更新趨勢，降低各個(gè)型號模擬器的設(shè)計(jì)與改造難度，使得一型模擬器能夠滿足多型號武器裝備的訓(xùn)練和仿真需求，并適應(yīng)部隊(duì)裝備信息化升級發(fā)展的需求。

1 模擬器通用化工作的內(nèi)涵

武器裝備模擬器的通用化工作，根據(jù)模擬器初期制定的研制方案可劃分為繼承型通用化和開發(fā)型通用化［4］。繼承型通用化，指的是在對某型武器裝備的改進(jìn)型號進(jìn)行模擬器設(shè)計(jì)工作時(shí)，可以在該武器裝備當(dāng)前型號模擬器系統(tǒng)中，繼承或借用部分軟件單元或硬件單元。開發(fā)型通用化則是在武器裝備模擬器的研制初期，就已經(jīng)對未來模擬器的升級、改造需求有所預(yù)測和判斷。從而有所選擇和針對性地對一些通用化部件單元進(jìn)行設(shè)計(jì)。并在其后的升級改造過程中，推廣并使用這些通用單元。

按照“軟件優(yōu)先、模型轉(zhuǎn)換、兼顧硬件、局部替換”的思路，當(dāng)前武器裝備模擬器的通用化工作內(nèi)涵［5］可以延伸到3 個(gè)方面：

1）在模擬器研制初期，基于可繼承與可互換的原理，選定能夠滿足互換性要求的通用軟件或硬件單元。通過復(fù)用，將可通用單元的應(yīng)用范圍進(jìn)行最大限度的擴(kuò)展。

2）從武器裝備模擬器的發(fā)展規(guī)律和使用需求出發(fā)，對某一類型模擬器，根據(jù)其性能參數(shù)及結(jié)構(gòu)規(guī)格，進(jìn)行規(guī)劃與排序，從而對同類型模擬器的有序研制產(chǎn)生指導(dǎo)作用。這一類型模擬器可以按照系列型譜的模式進(jìn)行型號的設(shè)計(jì)工作。

3）對武器裝備模擬器的軟件單元及硬件部件進(jìn)行功能分解和結(jié)構(gòu)的分析，設(shè)計(jì)劃分出眾多的具有復(fù)用能力的標(biāo)準(zhǔn)單元模塊。當(dāng)對新型號的武器裝備進(jìn)行模擬器的設(shè)計(jì)工作時(shí)，在這些通用模塊中選擇滿足功能需求的單元，并針對未能滿足的功能需求進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)計(jì)。當(dāng)模擬器進(jìn)行維護(hù)升級時(shí)，利用標(biāo)準(zhǔn)的接口，可對這些通用的模塊進(jìn)行兼容、更換或者組合。

2 模擬器通用化工作的方法及應(yīng)用

2.1 開展裝備模擬器通用化工作思想的宣傳普及

武器裝備模擬器通用化改進(jìn)工作，與部隊(duì)裝備的更新?lián)Q代緊密相連。因此，對通用化思想的學(xué)習(xí)以及通用化技能知識的培訓(xùn)是模擬器設(shè)計(jì)人員一項(xiàng)必要而且基礎(chǔ)的任務(wù)。武器裝備模擬器設(shè)計(jì)與制造科研單位應(yīng)當(dāng)廣泛深入地宣傳、普及通用化的設(shè)計(jì)思想與理念，使廣大從事裝備制造的工作人員對通用化改進(jìn)工作的重要性擁有全面、清楚的認(rèn)識，即：通用化改進(jìn)工作的開展，能夠節(jié)約開發(fā)成本，減少模擬器研制工作的工作量并縮短研制周期，提高模擬器的可維護(hù)性與綜合保障能力。從而自覺主動(dòng)地在平日的設(shè)計(jì)過程中，貫徹通用化的設(shè)計(jì)思想，使用通用化的設(shè)計(jì)方法。

2.2 制定并貫徹裝備模擬器通用化工作標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

按照“軟件優(yōu)先、模型轉(zhuǎn)換、兼顧硬件、局部替換”的原則，同時(shí)按照通用化改進(jìn)工作可繼承、可更換的總體要求和客戶需要編制武器裝備模擬器通用化設(shè)計(jì)規(guī)范，對模擬器各個(gè)研制階段提出通用化要求與指標(biāo)，使通用工作有章可循，行之有效。

要堅(jiān)持對模擬器的通用化設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行全階段、全過程貫徹。在立項(xiàng)論證階段，運(yùn)用通用化的思想進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，提出研制或者設(shè)計(jì)要求，制定原則；在設(shè)計(jì)研制階段，必須對通用化要求的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行監(jiān)督，否則不予定型、生產(chǎn)；在交付使用后，從部隊(duì)裝備的更新?lián)Q代情況出發(fā)，進(jìn)行通用化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.3 建立模擬器通用化數(shù)據(jù)庫

裝備模擬器科研部門，應(yīng)當(dāng)組織人力物力，對已經(jīng)設(shè)計(jì)定型的各型號模擬器部件、功能信息，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析研究，建立武器裝備模擬器產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫［6］。通過對裝甲、炮兵、防空等同類型武器裝備模擬器的性能參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、研究和對比，將其制定模擬器系列型號族譜，得到一系列的通用模塊，輸入到模擬器通用化數(shù)據(jù)庫中，使設(shè)計(jì)人員充分利用現(xiàn)有的通用化資源和信息，提高通用化改進(jìn)工作的效率，較快地產(chǎn)生通用化工作成果。

2.4 在設(shè)計(jì)與研制過程中應(yīng)用通用化思想

1）增強(qiáng)硬件結(jié)構(gòu)單體的可替換性和通用性。在保證模擬器硬件單體外觀、手感、操作性與實(shí)裝基本一致的情況下，應(yīng)盡量采用批量生產(chǎn)的通用件，增強(qiáng)部件的可替換性。對照設(shè)備功能，開展對操縱機(jī)構(gòu)、觀瞄設(shè)備等單體通用性分析（如表1 所示）。

表1 某裝甲模擬器硬件功能模塊劃分

當(dāng)部件受損，可隨時(shí)更換，這保證了模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，硬件結(jié)構(gòu)通用件更換需要有共同的接口，這在設(shè)計(jì)初期就應(yīng)該考慮在內(nèi)。對接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，是零部件通用化的基礎(chǔ)。硬件單體的通用化，使得各類模擬器能夠快速升級，適應(yīng)部隊(duì)武器裝備升級發(fā)展的需求。

2）構(gòu)建通用的模擬器艙體平臺。應(yīng)積極探索發(fā)展模擬器艙體平臺的通用性。分別開展對裝甲突擊類、防空反導(dǎo)類、指控偵查類、火力壓制類等武器裝備模擬器的艙體通用性研究。以裝甲類模擬器為例來說明，現(xiàn)階段的模擬器大都為三艙結(jié)構(gòu)（如圖1所示），分別為駕駛艙、炮長艙、車長艙。這樣的三艙結(jié)構(gòu)，運(yùn)輸時(shí)可分離，工作時(shí)構(gòu)建為一個(gè)整體，但其通用度并不高，不利于模擬器的快速安裝部署和艙體的重復(fù)利用?？梢詫ΜF(xiàn)有的多型模擬器進(jìn)行研究，探索其模擬器艙體的共同點(diǎn)，設(shè)計(jì)通用的艙體平臺。當(dāng)切換模擬器類型時(shí)，只需對艙體上軟硬件進(jìn)行模塊化的安裝，使得一型艙體可以搭載多型模擬器部件，實(shí)現(xiàn)同系列不同裝備的戰(zhàn)術(shù)性能模擬，而無需重新設(shè)計(jì)制造一套艙體結(jié)構(gòu)。

圖1 傳統(tǒng)三艙結(jié)構(gòu)

3）提升模擬器軟件的復(fù)用程度。軟件的通用化工作相比硬件具有部署方便、成本低的優(yōu)勢。模擬器軟件的部署主要是模擬各型武器裝備的終端、電臺、儀表等面板，信號采集、數(shù)據(jù)處理等控制軟件，機(jī)動(dòng)仿真、彈道仿真等任務(wù)仿真軟件。不同武器裝備，不同型號之間，實(shí)裝面板不同，故應(yīng)對現(xiàn)有的模擬器產(chǎn)品進(jìn)行功能上的模塊分解。比如車通、電臺、駕駛員儀表、信號采集、機(jī)動(dòng)仿真等功能模塊軟件，大部分型號的武器裝備模擬器都可以通過模擬器切換控制軟件加以復(fù)用。而對同類型模擬器，例如：坦克裝甲模擬器、步戰(zhàn)車裝甲模擬器、炮兵模擬器、防空模擬器，同一類型下又有數(shù)量眾多的軟件可以復(fù)用。相同的功能組合成標(biāo)準(zhǔn)模塊，不同之處再設(shè)計(jì)專用模塊。這樣對于減少設(shè)計(jì)人員的工作量也有幫助。

4）形成型譜，構(gòu)建通用化產(chǎn)品庫。對軟件模塊、結(jié)構(gòu)單體，甚至艙體結(jié)構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，按照性能特性，進(jìn)行系列型譜［7］的規(guī)定。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立通用化產(chǎn)品庫，將系列型譜輸入到通用化產(chǎn)品庫中，并規(guī)范數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與導(dǎo)出。在對新型號模擬器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，利用這些已成熟的通用件技術(shù)，使其對新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)產(chǎn)生指導(dǎo)作用，這樣能夠提高模擬器的可靠性，并降低設(shè)計(jì)成本。

5）利用先進(jìn)技術(shù)，為模擬器通用化設(shè)計(jì)提供新思路。目前國內(nèi)的武器裝備模擬器還局限于半實(shí)物仿真的設(shè)計(jì)形式，通過提供與實(shí)裝一致的硬件操作部件進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)技能訓(xùn)練。該傳統(tǒng)訓(xùn)練方式，造價(jià)較高，沉浸感低且因體型笨重，硬件操控部件需要定期維護(hù)，通用性較差。本文將模擬器艙體和單體操作部件作為仿真對象，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)［8-10］，針對實(shí)裝艙體，構(gòu)建虛擬三維場景，以頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備（如圖2 所示）實(shí)現(xiàn)視景漫游。將可操作開關(guān)、按鍵、手柄等部件抽象成邏輯資源，利用虛擬現(xiàn)實(shí)人機(jī)交互設(shè)備，如數(shù)據(jù)手套，捕捉、采集手部動(dòng)作，反饋回頭戴顯示設(shè)備，保持操作方式，流程與實(shí)裝一致。通過將實(shí)物虛化，用軟件實(shí)現(xiàn)邏輯功能，達(dá)到一裝多用的目的，這將大大提高模擬器的通用化程度。

圖2 使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備實(shí)現(xiàn)艙體操作環(huán)境的替換

3 模擬器通用化工作的作用與意義

進(jìn)行通用化改進(jìn)工作的出發(fā)點(diǎn)就是為了最大限度地減少模擬器研制過程中的重復(fù)勞動(dòng)，利用已有的通用化軟硬件單元和特定功能模塊，在節(jié)省人力、物力的同時(shí)進(jìn)行模擬器的設(shè)計(jì)研制工作，達(dá)到降低研制成本、簡化對模擬器的保障和維護(hù)、縮短設(shè)計(jì)研制周期、增強(qiáng)產(chǎn)品競爭力、提高模擬訓(xùn)練系統(tǒng)效能的目的。

3.1 降低生產(chǎn)成本

通用化工作可以在一定程度上緩解在武器裝備模擬器的研制過程中產(chǎn)生的，所需投入較高和經(jīng)濟(jì)承受能力有限這一問題。武器裝備模擬器的研制，從最開始的裝備調(diào)研，到最后的安裝部署，中間涉及原材料的采購，軟硬件的設(shè)計(jì)，資金耗費(fèi)巨大，且回籠周期較長。對模擬器的研制進(jìn)行通用化改進(jìn)工作，先研制通用化程度較高的基本型模擬器，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行新研，可以在一定程度上節(jié)約采購成本，減少重復(fù)的勞動(dòng)造成的人力的浪費(fèi)。

3.2 縮短研制周期、降低研制風(fēng)險(xiǎn)

研制新的模擬器時(shí)，以現(xiàn)有的模擬器型號為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn)研制，能夠利用已經(jīng)得到驗(yàn)證的技術(shù)和成果，這樣一來，勢必會減少設(shè)計(jì)與試驗(yàn)所花費(fèi)的時(shí)間，從而達(dá)到縮短研制周期的目的。此外，在成功的產(chǎn)品上有計(jì)劃地實(shí)施新的技術(shù)方案，對產(chǎn)品進(jìn)行升級開發(fā)可以規(guī)避研制風(fēng)險(xiǎn)，在舊有的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上不斷進(jìn)行改進(jìn)研制，可以增強(qiáng)性能，延長產(chǎn)品使用年限。

3.3 簡化保障與維護(hù)工作

對模擬器進(jìn)行通用化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)單體普遍具有可替換、通用化的特點(diǎn)。這減少了零組件的數(shù)量與種類，從而簡化了維護(hù)保障的工序，降低了從業(yè)人員的技能要求，提高了產(chǎn)品的可靠性。這對于成體系、成系統(tǒng)部署的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)來說，大大削弱了后期維護(hù)的難度。

3.4 形成良好的發(fā)展戰(zhàn)略

裝備模擬器的制造面向部隊(duì)型號眾多的主戰(zhàn)裝備。一旦軍方對某一型號裝備模擬器訂購量不大，不能批量生產(chǎn)，勢必會無法承擔(dān)設(shè)計(jì)成本。對模擬器進(jìn)行通用化改進(jìn)研制，增加不同型號產(chǎn)品之間的復(fù)用比例，這樣既可以縮減降低研制成本，也解決了軍方某些型號武器裝備模擬器需求量不大的難題，打破傳統(tǒng)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)模式［11］。同時(shí)不會錯(cuò)過需求多樣化但訂購量不大的軍方用戶，能夠快速占領(lǐng)市場，穩(wěn)定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在模擬器制造領(lǐng)域擁有一定的競爭力。

3.5 提高模擬訓(xùn)練系統(tǒng)效能

裝備模擬器作為基本單元組成模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，其系統(tǒng)效能受模擬器可靠性、維修性、保障性的影響。當(dāng)對模擬器進(jìn)行通用化改進(jìn)工作時(shí)，選定不同型號模擬器之間具有通用與互換功能的部件或功能單元。這些基本單元可以是各種原材料，包括設(shè)備、元器件、單體及其種類、結(jié)構(gòu)、規(guī)格，甚至可以是具有獨(dú)立功能的模塊，既可以是硬件，也可以是軟件。本文設(shè)定模擬器通用化程度系數(shù)［12］

式中，∑j代表裝備模擬器中通用單元總件數(shù)，∑代表裝備模擬器所有單元總件數(shù)，模擬器通用化程度隨著通用部件或單元的數(shù)目增多而增大。通用化程度越大，則模擬器故障間隔時(shí)間增加，保障時(shí)間縮短，可維修性增強(qiáng)。這樣一來，模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的系統(tǒng)效能隨模擬器通用化程度的提高而線性增強(qiáng)，如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)效能隨通用化程度變化關(guān)系

4 結(jié)論

隨著現(xiàn)代武器裝備不斷推陳出新，為順應(yīng)陸軍部隊(duì)規(guī)模結(jié)構(gòu)和力量編成改革需要，開展模擬器通用化的改進(jìn)研制勢在必行。這對模擬器軟硬件通用化工作提出了新的要求。武器裝備模擬器的通用化程度高低對整個(gè)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的綜合評估有著現(xiàn)實(shí)意義。本文主要針對陸軍裝甲武器裝備模擬器通用化改進(jìn)工作的經(jīng)驗(yàn)與方法進(jìn)行總結(jié)，對其他武器裝備模擬器的設(shè)計(jì)與保障工作提供的借鑒尚有局限，還需在今后的實(shí)際工作中不斷深入研究。