魏鉅熔 丁勇 葉國林
(江西聯(lián)創(chuàng)精密機(jī)電有限公司 江西省南昌市 330096)
偵察車是偵察部(分)隊(duì)獲取偵察情報(bào)信息的重要偵察裝備,主要用于偵察敵情、地形,觀察戰(zhàn)場(chǎng)、測(cè)定目標(biāo)位置,觀察射擊效果,收集、處理及上報(bào)偵察情報(bào)信息等。該裝備機(jī)械化和自動(dòng)化程度較高,作業(yè)操縱復(fù)雜,訓(xùn)練難度大,且不易掌握,列裝部隊(duì)后需要投入較多的訓(xùn)練人員、物資和財(cái)力資源。使用偵察車實(shí)裝裝備在駐地訓(xùn)練時(shí),存在現(xiàn)地組織困難、目標(biāo)無法保障、裝備損耗大、維修保養(yǎng)成本高等問題,更為突出的問題是光電偵察時(shí)缺乏訓(xùn)練場(chǎng)景和各類目標(biāo),只能進(jìn)行偵察設(shè)備操作和控制動(dòng)作,無法進(jìn)行關(guān)鍵和核心操作,即對(duì)目標(biāo)進(jìn)行偵察和測(cè)定。
當(dāng)前備戰(zhàn)訓(xùn)練、以戰(zhàn)領(lǐng)訓(xùn)任務(wù)日趨繁重,常態(tài)化練兵需求日益增長(zhǎng)。模擬訓(xùn)練作為信息化條件下部隊(duì)訓(xùn)練的重要手段和方法,因此,研究并研制偵察車訓(xùn)練模擬器對(duì)部(分)隊(duì)了解和熟悉新式裝備的操作與使用,縮短裝備戰(zhàn)斗力生成周期、形成基于信息系統(tǒng)裝備體系作戰(zhàn)能力具有重大現(xiàn)實(shí)意義。通過分析和分解現(xiàn)役輪式和履帶式偵察車的組成和工作原理等,對(duì)輪式和履帶式偵察車的主要偵察設(shè)備和偵察軟件進(jìn)行模擬,構(gòu)建一種偵察車訓(xùn)練模擬器,為受訓(xùn)人員提供逼真的室內(nèi)操作使用環(huán)境和豐富的三維虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等,能夠快速提升受訓(xùn)人員熟悉裝備原理與操作使用、提升偵察技能及情報(bào)處理能力。
偵察車訓(xùn)練模擬器主要由模擬方艙、導(dǎo)調(diào)評(píng)估分系統(tǒng)、模擬偵察操控分系統(tǒng)及三維視景仿真分系統(tǒng)組成。
模擬方艙用于模擬實(shí)裝車輛方艙內(nèi)部偵察員所處的較為局湊的作業(yè)環(huán)境,其外形、尺寸及布局參考實(shí)裝車輛方艙部分設(shè)計(jì),盡量保證與裝備方艙接近,同時(shí)結(jié)合訓(xùn)練模擬器實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。艙體外表面噴涂軍綠色數(shù)碼迷彩,采用與實(shí)裝尺寸基本相同的半剖結(jié)構(gòu)形式,設(shè)備位置與實(shí)裝基本相同。
導(dǎo)調(diào)評(píng)估分系統(tǒng)是訓(xùn)練模擬器的控制與管理中心,主要用于實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、訓(xùn)練科目設(shè)置、訓(xùn)練過程導(dǎo)調(diào)、訓(xùn)練數(shù)據(jù)監(jiān)控、桌面監(jiān)控、訓(xùn)練成績(jī)?cè)u(píng)估等功能。導(dǎo)調(diào)評(píng)估分系統(tǒng)主要由導(dǎo)調(diào)評(píng)估席硬件和導(dǎo)調(diào)評(píng)估軟件組成。
模擬偵察操控分系統(tǒng)是訓(xùn)練模擬器的核心,模擬了實(shí)裝裝備的偵察顯控終端、控制手柄和偵察操控軟件,為受訓(xùn)人員提供與實(shí)裝基本一致的操控使用環(huán)境。主要用于模擬實(shí)現(xiàn)定位定向、光電偵察、偵察控制、伺服控制、激光告警等功能。操控分系統(tǒng)主要由模擬顯控終端、控制手柄、通信代理軟件和模擬操控軟件等組成。
三維視景仿真分系統(tǒng)是訓(xùn)練模擬器的重要組成部分,模擬了偵察所需的逼真的三維戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,主要包括三維地理環(huán)境、氣象環(huán)境及虛擬目標(biāo)環(huán)境,三類環(huán)境可組合搭配構(gòu)建豐富的三維戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。其中,三維地理環(huán)境含城市、機(jī)場(chǎng)、海島、戈壁、丘陵、草原、高原等類型;氣象環(huán)境含晴天、陰天、多云等類型;虛擬目標(biāo)環(huán)境含裝甲車、坦克、地面工事、軍用卡車、火炮、空中直升機(jī)等類型。三維視景仿真分系統(tǒng)由三維視景仿真軟件組成。
訓(xùn)練模擬器的使用對(duì)象可分為組訓(xùn)人員和受訓(xùn)人員兩類角色。組訓(xùn)人員是訓(xùn)練的組織者和講評(píng)人員,受訓(xùn)人員是該類裝備的偵察員和偵察指揮員或者操作手等。組訓(xùn)人員使用導(dǎo)調(diào)評(píng)估分系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練的組織、導(dǎo)調(diào)與考評(píng)等;受訓(xùn)人員使用模擬偵察操控分系統(tǒng)進(jìn)行操作訓(xùn)練、技能訓(xùn)練等。整個(gè)訓(xùn)練過程可劃分為訓(xùn)練準(zhǔn)備、訓(xùn)練實(shí)施和訓(xùn)練評(píng)估三個(gè)階段,模擬器各階段的工作流程如下。
訓(xùn)練準(zhǔn)備階段:組訓(xùn)人員使用導(dǎo)調(diào)評(píng)估軟件,根據(jù)訓(xùn)練計(jì)劃要求擬制或選擇合適的訓(xùn)練方案,選擇訓(xùn)練科目并編制訓(xùn)練科目相關(guān)參數(shù)等內(nèi)容;受訓(xùn)人員使用通信代理軟件完成人員信息錄入與登錄。組訓(xùn)人員鎖定訓(xùn)練方案后模擬顯控終端將自動(dòng)啟動(dòng)模擬操控軟件等。
訓(xùn)練實(shí)施階段:組訓(xùn)人員使用導(dǎo)調(diào)評(píng)估軟件執(zhí)行訓(xùn)練開始,發(fā)布訓(xùn)練方案(含訓(xùn)練科目),訓(xùn)練方案初始數(shù)據(jù)自動(dòng)下發(fā)至通信代理軟件、模擬操控軟件和三維視景仿真軟件,模擬操控軟件根據(jù)訓(xùn)練方案要求自動(dòng)加載戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和生成模擬目標(biāo);受訓(xùn)人員通過操作模擬偵察操控分系統(tǒng)進(jìn)行定位導(dǎo)航、光電偵察、目標(biāo)搜索跟蹤、目標(biāo)測(cè)距等過程,訓(xùn)練過程中自動(dòng)采集與上報(bào)操作的按鍵信息、數(shù)據(jù)信息、狀態(tài)信息等信息。同時(shí),導(dǎo)調(diào)評(píng)估分系統(tǒng)支持訓(xùn)練實(shí)施過程中的桌面監(jiān)控。
訓(xùn)練評(píng)估階段:訓(xùn)練結(jié)束后,導(dǎo)調(diào)評(píng)估軟件從數(shù)據(jù)庫中讀取訓(xùn)練方案、訓(xùn)練科目、評(píng)估準(zhǔn)則、完成時(shí)間、操作數(shù)據(jù)、作業(yè)結(jié)果等信息,根據(jù)訓(xùn)練科目指標(biāo)體系及對(duì)照操作記錄、操作時(shí)間、關(guān)鍵步驟等進(jìn)行自動(dòng)客觀評(píng)分;同時(shí)組訓(xùn)人員可通過數(shù)據(jù)復(fù)演或桌面錄像方式查看受訓(xùn)人員的操作過程,結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行主觀評(píng)分;最后給出最終訓(xùn)練成績(jī),生成評(píng)估報(bào)告。
導(dǎo)調(diào)評(píng)估分系統(tǒng)為組訓(xùn)人員提供操作使用平臺(tái),主要由導(dǎo)調(diào)評(píng)估席硬件和導(dǎo)調(diào)評(píng)估軟件組成。導(dǎo)調(diào)評(píng)估席硬件作為導(dǎo)調(diào)評(píng)估軟件的載體,主要由導(dǎo)調(diào)計(jì)算機(jī)、顯示器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備組成。導(dǎo)調(diào)評(píng)估分系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與模擬偵察操控分系統(tǒng)內(nèi)的各設(shè)備互聯(lián),構(gòu)建內(nèi)部局域網(wǎng)。導(dǎo)調(diào)評(píng)估軟件是導(dǎo)調(diào)評(píng)估分系統(tǒng)的核心,實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練方案設(shè)置、訓(xùn)練科目下發(fā)、訓(xùn)練情況監(jiān)視、訓(xùn)練成績(jī)?cè)u(píng)判以及系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理等功能,主要包含數(shù)據(jù)管理模塊、訓(xùn)練科目設(shè)置模塊、訓(xùn)練過程導(dǎo)調(diào)模塊、態(tài)勢(shì)顯示模塊、訓(xùn)練數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊、訓(xùn)練成績(jī)?cè)u(píng)估模塊。
在訓(xùn)練準(zhǔn)備階段,組訓(xùn)人員使用導(dǎo)調(diào)評(píng)估軟件錄入和編輯受訓(xùn)人員基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息、訓(xùn)練科目及參數(shù)信息、科目評(píng)估準(zhǔn)則信息,編輯訓(xùn)練時(shí)間、參訓(xùn)人員、訓(xùn)練科目(三維場(chǎng)景選擇,目標(biāo)類型、數(shù)量、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度等)、初始態(tài)勢(shì)等信息,形成訓(xùn)練方案,訓(xùn)練方案是每次訓(xùn)練的依據(jù)。
在訓(xùn)練實(shí)施階段,待受訓(xùn)人員登錄后,組訓(xùn)人員使用導(dǎo)調(diào)評(píng)估軟件選擇并鎖定訓(xùn)練方案,執(zhí)行開始指令、下發(fā)訓(xùn)練方案數(shù)據(jù),加載三維地形及目標(biāo)模型,展示訓(xùn)練方案的初始態(tài)勢(shì),實(shí)時(shí)接收、解析、顯示和存儲(chǔ)受訓(xùn)人員的操作數(shù)據(jù)、按鍵數(shù)據(jù)、反饋數(shù)據(jù)等;根據(jù)操作反饋實(shí)時(shí)顯示三維態(tài)勢(shì)信息。同時(shí),通過桌面監(jiān)控模塊監(jiān)視受訓(xùn)人員操作模擬顯控終端的桌面,并根據(jù)訓(xùn)練需要可對(duì)監(jiān)控的桌面進(jìn)行錄像,為后續(xù)訓(xùn)練評(píng)估提供視頻來源。
在訓(xùn)練評(píng)估階段,訓(xùn)練結(jié)束后,導(dǎo)調(diào)評(píng)估軟件能夠根據(jù)各訓(xùn)練科目的評(píng)估準(zhǔn)則自動(dòng)對(duì)按鍵信息、參數(shù)信息、操作關(guān)鍵動(dòng)作、操作順序進(jìn)行評(píng)分,并能將錯(cuò)誤信息用高亮和不同顏色進(jìn)行展示。同時(shí),組訓(xùn)人員可通過數(shù)據(jù)復(fù)演和視頻復(fù)演方式,對(duì)受訓(xùn)人員的操作進(jìn)行復(fù)演,對(duì)各過程進(jìn)行人工評(píng)判調(diào)整,給出最終訓(xùn)練成績(jī),之后形成訓(xùn)練檔案。在訓(xùn)練評(píng)估結(jié)束后,組訓(xùn)人員可通過訓(xùn)練評(píng)估檔案對(duì)訓(xùn)練過程進(jìn)行講評(píng),分析容易出錯(cuò)的操作和動(dòng)作。
訓(xùn)練考評(píng)準(zhǔn)則要素是操作時(shí)間、操控步驟順序以及各動(dòng)作和要素的加權(quán)平均。當(dāng)為綜合訓(xùn)練科目時(shí),是各個(gè)科目的加權(quán)平均,權(quán)重系數(shù)可動(dòng)態(tài)調(diào)整。評(píng)估公式:(∑((單課目分值)*課目權(quán)重)/∑課目權(quán)重)*時(shí)間比例。
單課目分值:若操作存在遺漏或操作順序不正確,則該單科目0 分;若操作無遺漏、順序正確且需填寫參數(shù),評(píng)定參數(shù)數(shù)值輸入正確率(100 * 填寫正確參數(shù)項(xiàng) / 參數(shù)項(xiàng)數(shù));若操作無遺漏、順序正確且無需填寫參數(shù),則單科目分值為100 分。
時(shí)間比例:若訓(xùn)練用時(shí)小于等于優(yōu)秀時(shí)間,則時(shí)間比例為1,否則依據(jù)以下公式計(jì)算時(shí)間比例:1 -(0.4 *(實(shí)際用時(shí)-優(yōu)秀時(shí)間)/(及格時(shí)間-優(yōu)秀時(shí)間))。依據(jù)公式計(jì)算的時(shí)間比例若小于0,則以0 計(jì)。
最終依據(jù)評(píng)估公式,計(jì)算出百分制的訓(xùn)練成績(jī),將訓(xùn)練成績(jī)分為4 類,分別為:優(yōu)秀(90 分及以上)、良好(70分以上至90 分以下)、及格(60 至70 分)和不及格(60分以下)。
導(dǎo)調(diào)評(píng)估軟件的處理流程如圖1所示。
圖1:導(dǎo)調(diào)評(píng)估軟件處理流程
模擬偵察操控分系統(tǒng)為受訓(xùn)人員提供操作使用平臺(tái),為保障受訓(xùn)人員能夠使用與實(shí)際裝備基本一致的布局、顯示、接口、反饋等人機(jī)交互體驗(yàn)與操控使用感受,使用訓(xùn)練模擬器后能夠快速上實(shí)際裝備操作,縮短受訓(xùn)人員熟悉和操作使用實(shí)際裝備的時(shí)間。模擬偵察操控分系統(tǒng)須具有與實(shí)際裝備基本一致的顯示控制終端、控制手柄等設(shè)備,以及模擬操控軟件等。
通過對(duì)實(shí)際裝備的顯示控制終端進(jìn)行實(shí)物測(cè)繪,記錄顯示控制終端的外形尺寸、對(duì)外接口、顯示控制、按鍵與反饋、材質(zhì)材料等,采用半實(shí)物仿真技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建,保障顯示控制終端的外形布局、接口方式、顯示輸出大小和分辨率、按鍵與反饋、材質(zhì)材料、專用鍵盤、手感力反饋等與實(shí)際裝備保持一致;控制手柄選用與實(shí)際裝備一致的型號(hào),能夠保證與實(shí)際裝備一致的大小、尺寸、按鍵、方位俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)速度與反饋、按壓力度等要求;模擬操控軟件具有與實(shí)際裝備一致的軟件菜單、工具欄,定位導(dǎo)航、觀察場(chǎng)景顯示、圖像偵察控制、伺服方位控制、激光告警等界面。其組成框圖及連接關(guān)系如圖2所示。
圖2:模擬偵察操控分系統(tǒng)組成框圖及連接關(guān)系
操作訓(xùn)練使用流程:受訓(xùn)人員根據(jù)組訓(xùn)人員下發(fā)的訓(xùn)練科目進(jìn)行操作訓(xùn)練,訓(xùn)練時(shí)可先從簡(jiǎn)單科目開始訓(xùn)練,待有一定基礎(chǔ)后進(jìn)行綜合科目訓(xùn)練。訓(xùn)練科目基本涵蓋了本裝備的特點(diǎn),如典型的訓(xùn)練科目包含設(shè)備加電、定位導(dǎo)航、光電偵察、伺服控制、激光告警、目標(biāo)測(cè)定、目標(biāo)處理上報(bào)等。綜合訓(xùn)練科目是將上述訓(xùn)練科目進(jìn)行組合開展偵察全流程訓(xùn)練,需要偵察員之間協(xié)同操作與訓(xùn)練,如從起點(diǎn)到觀察點(diǎn)、設(shè)備加電、觀察戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、伺服調(diào)整、目標(biāo)測(cè)定與上報(bào)等全流程。訓(xùn)練過程中,通信代理軟件自動(dòng)采集訓(xùn)練過程中產(chǎn)生的各類操作數(shù)據(jù)、按鍵數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)、導(dǎo)航數(shù)據(jù)等,并上報(bào)至導(dǎo)航評(píng)估分系統(tǒng)。訓(xùn)練過程中,受訓(xùn)人員通過伺服控制和場(chǎng)景控制三維視景仿真分系統(tǒng)的視景,三維視景接收指令后進(jìn)行實(shí)時(shí)變化和輸出顯示,模擬實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)觀察和目標(biāo)搜索、跟蹤及測(cè)定等過程。綜合訓(xùn)練科目時(shí),模擬偵察操控分系統(tǒng)處理流程如圖3所示。
圖3:模擬偵察操控分系統(tǒng)處理流程
三維視景仿真分系統(tǒng)為模擬偵察操控分系統(tǒng)提供虛擬三維地理環(huán)境、虛擬目標(biāo)環(huán)境及天候氣象環(huán)境模擬,是訓(xùn)練模擬器的重要組成部分,包含三維視景仿真軟件。三維視景仿真軟件構(gòu)建的虛擬戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境需模擬光電設(shè)備和熱像設(shè)備偵察的圖像和過程,需要貼近實(shí)際情況。
三維視景仿真軟件采用三維實(shí)體建模、渲染、處理生成圖形技術(shù),模擬了偵察所需的逼真三維戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,主要包括三維地理環(huán)境、氣象環(huán)境及虛擬目標(biāo)環(huán)境,三類環(huán)境可組合搭配構(gòu)建豐富的三維戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。其中,三維地理環(huán)境含城市、機(jī)場(chǎng)、海島、戈壁、丘陵、草原、高原等典型地形類型;氣象環(huán)境含晴天、陰天、多云、下雪等類型;虛擬目標(biāo)環(huán)境含地面的裝甲車、坦克、地面工事、軍用卡車、火炮,以及空中的直升機(jī)、無人機(jī)、戰(zhàn)斗機(jī)、巡航導(dǎo)彈等常見類型。
三維戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境包含可見光場(chǎng)景和紅外場(chǎng)景兩種狀態(tài),同一場(chǎng)景下可見光和紅外場(chǎng)景能夠進(jìn)行切換,切換時(shí)要求場(chǎng)景和目標(biāo)狀態(tài)連續(xù)性好,無明顯卡頓和延遲。其中動(dòng)畫,遵守黃金分割和對(duì)稱呼應(yīng)的規(guī)律以求美觀協(xié)調(diào);其中造型,在實(shí)裝基礎(chǔ)上使用美術(shù)的近大遠(yuǎn)小、近實(shí)遠(yuǎn)虛的透視關(guān)系;對(duì)于色彩,結(jié)合實(shí)裝,在莊重大方的基礎(chǔ)上,按照光感要素(色相、明度、彩度)、形色要素(形狀、大小、位置)、心理要素(冷暖、輕重、遠(yuǎn)近)的規(guī)律調(diào)配材質(zhì)色彩。對(duì)裝備性能、作戰(zhàn)目標(biāo)、火炮毀傷效果進(jìn)行高逼真度的仿真模擬,視覺效果逼真、畫面流暢、火光、煙霧等特效真實(shí)感強(qiáng),為受訓(xùn)人員提供場(chǎng)景豐富、效果逼真近似實(shí)戰(zhàn)的訓(xùn)練場(chǎng)景。
使用Unity3d 開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)可見光和紅外場(chǎng)景仿真。其中,可見光場(chǎng)景仿真時(shí),偵察裝備偵察目標(biāo)的基本程式為:先劃定偵察區(qū)域,然后按照一定的掃描方式使偵察裝備視場(chǎng)覆蓋目標(biāo),再探測(cè)目標(biāo),識(shí)別目標(biāo)。因此,可見光場(chǎng)景仿真下,偵察裝備是否發(fā)現(xiàn)目標(biāo),取決于目標(biāo)是否落入搜索區(qū)域、目標(biāo)與偵察裝備是否通視、通視條件下的探測(cè)概率、識(shí)別概率。紅外場(chǎng)景仿真時(shí),主要是對(duì)虛擬目標(biāo)和地理環(huán)境的真實(shí)感紅外合成。實(shí)現(xiàn)機(jī)制是對(duì)外部因素影響下的可視模型的紋理灰度數(shù)據(jù)求解、存儲(chǔ)傳輸以及繪制。其中外部因素包括環(huán)境濕度、環(huán)境溫度、時(shí)間段以及大氣參數(shù),根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算出物體表面的輻射強(qiáng)度,通過材質(zhì)紅外映射圖像計(jì)算,利用先進(jìn)的表面著色器編程疊加紋理,逐幀計(jì)算各像素灰度值,并實(shí)時(shí)渲染到屏幕上,從而實(shí)現(xiàn)了紅外仿真,其處理流程如圖4所示。目標(biāo)跟蹤實(shí)現(xiàn)方式首先是記錄目標(biāo)的像素位置和像素灰度值,分割出運(yùn)動(dòng)目標(biāo),得到其位置、大小、然后根據(jù)其特征對(duì)周圍的地物、植被或其他物體的灰度圖像進(jìn)行對(duì)比,判斷其值是否相等或在誤差范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤。
圖4:紅外場(chǎng)景仿真處理流程
本文所介紹的偵察車訓(xùn)練模擬器是基于半實(shí)物仿真技術(shù)和三維建模仿真技術(shù),集操作訓(xùn)練、技能訓(xùn)練、席位協(xié)同訓(xùn)練于一體的綜合性、多功能訓(xùn)練模擬器。該訓(xùn)練模擬器在結(jié)構(gòu)布局上緊貼實(shí)際裝備,偵察操控的操作使用感受緊貼實(shí)際裝備,具有逼真的操控使用環(huán)境,訓(xùn)練科目豐富支持全流程訓(xùn)練;三維視景仿真采用當(dāng)前最為先進(jìn)的圖形圖像處理技術(shù)和建模仿真技術(shù),生成了逼真的可見光和紅外三維虛擬場(chǎng)景,較好地模擬了該偵察車偵察設(shè)備所觀察的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和目標(biāo)環(huán)境,且場(chǎng)景可自由組合支持外部導(dǎo)入擴(kuò)展。偵察車訓(xùn)練模擬器設(shè)計(jì)合理,運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。該模擬器的研制和使用將對(duì)新型偵察車訓(xùn)練起到一定的積極作用。