徐先勇 马培锋 李志华

摘要：针对海军水面舰艇反潜专业教学训练缺乏实装这一问题，采用模拟、虚拟相结合的方法，设计了一套高逼真的模拟训练系统，该系统模拟了多型专业装备，可实现反潜专业士官鱼雷对潜攻击协同反潜训练，具有一定的使用效益和推广价值。

关键词：反潜;教学训练;模拟;虚拟

中图分类号：TP391   文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）32-0136-03

Research on Design of Simulation Training System of Ship Tube Torpedo Anti-submarine

XU Xian-yong1， MA Pei-feng2， LI Zhi-hua1

（1.Navy Petty Officer Academy Weapon Department， Bengbu 233012， China; 2.PLA 92767 Technology Division， Qingdao 266100， China）

Abstract： In view of the lack of real equipment in the teaching and training of naval surface ship anti-submarine specialty， a simulation training system with high fidelity is designed by combining simulation and virtual method. The system simulates multiple types of professional equipment， which can realize the cooperative anti-submarine training during which sergeant in anti-submarine profession can use torpedo against submarine attack， and has certain use benefits and promotion value.

Key words： anti-submarine; teaching and training; simulation; virtual

某型舰用管装鱼雷反潜武器系统是我海军水面舰艇主战反潜武器装备，士官院校担负着水面舰艇各层次反潜专业人才培训任务。院校培养的专业人才能否胜任部队岗位取决于训练的环境是否与部队完全一致，训练的时间能否得到可靠保证[1]。舰用管装鱼雷反潜武器系统涉及的武器装备数量多、价格比较昂贵，院校装备数量有限，有的仅有1套，导致实训课“少数人操，多数人看”，训练效率不高，部分装备不能实现互联互通，影响实战训练效果。针对这一情况，本文设计了一套高逼真度的模拟训练系统，能够在低成本、低投入的条件下，让学员快速掌握武器装备操作技能，取得良好训练效果。

1 系统设计

1.1 系统功能

舰用管装鱼雷反潜模拟训练系统能够模拟反潜火控设备、管装鱼雷发控仪战斗、检查、训练操作;能够进行鱼雷发射装置准备、预备虚拟操作;能够进行管装鱼雷攻潜协同操作训练;能够模拟目标数据和环境数据，能够管理用户数据，记录操作过程，完成操作考核。

1.2 系统组成

舰用管装鱼雷反潜模拟训练系统尽可能真实地模拟部队舰载管装鱼雷反潜武器装备，其系统组成如图1所示，主要由硬件和软件2大部分组成。硬件部分主要包括导控台、反潜火控设备模拟台、管装鱼雷发控仪模拟台、鱼雷发射装置虚拟操作台，其中反潜火控设备模拟台和管装鱼雷模拟台与部队实装在外观、尺寸、结构组成上基本一致。软件部分包括训练管理软件、模拟操作软件和虚拟操作软件3部分，其中训练管理软件安装于导控台，用于设置操作训练初始态势、训练人员管理、考核等;模拟操作软件安装于2个模拟台位，真实模拟实装操作过程和各显示页面;虚拟操作软件安装于鱼雷发射装置虚拟操作台，由于鱼雷发射装置结构尺寸比较大，采取硬件模拟的方式难度较大、成本也比较昂贵，所以采用三维建模的方式对发射装置进行软模拟、对模型进行虚拟操作模拟实装操作全过程。

2 系统硬件设计

各模拟台位根据实装尺寸，依据实装1：1进行制作，比较好实现。难点是实装上一些按键输入控制和信号灯输出显示的实现。之前一些项目多采用上位机和单片机通信控制按键和信号灯的方式来实现，此种方法需要对单片机进行设计，实际运行过程中，单片机控制存在发热、不稳定等现象，开发周期较长、成本也较高[2]。本文拟采用对研华PCI总线隔离数字I/O卡PCI-1756编程控制的方式实现按键和指示灯的控制。

2.1 PCI-1756隔離数字I/O卡

本系统使用的PCI-1756隔离数字I/O卡是北京研华公司生产的一种基于PCI总线，能够提供32路隔离数字输入和32路隔离数字输出通道，隔离保护电压可到2500VDC，其管脚布置图和定义如图1、表1所示[3]。

2.2 按键输入控制和信号灯输出显示

按键和信号灯均为红波公司采购，尺寸、大小、颜色，技术参数均与实装一致。实装上按钮主要完成输入操作，有扩展键盘、功能热键等;信号灯主要完成装备操作时状态显示功能。按键的控制主要依托PCI-1756卡数字输入控制实现，硬件连接方式如图3所示。按钮在电路上就相当于一个开关，一端接电源正极，另一端接PCI-1756卡DI通道，电源负极接输入通道公共端。一块PCI-1756卡可实现32个按钮输入控制，可以采取多块PCI-1756卡级联的方式实现更多按钮输入控制。信号灯的控制主要依托PCI-1756卡数字输出控制实现，硬件连接方式如图4所示。信号灯一端接PCI-1756卡DO通道，另一端接输出通道公共端，电源正极接输出通道公共端，负极接地线。一块PCI-1756卡可实现32个信号灯输出控制，可以采取多块PCI-1756卡级联的方式实现更多信号灯输出控制。

3 系统软件设计

软件部分包括训练管理软件、模拟操作软件和虚拟操作软件3部分，其中训练管理软件设计比较简单，在此不做赘述，下面重点介绍模拟操作软件和虚拟操作软件设计。

3.1虚拟操作软件设计

首先，利用3Dmax软件对鱼雷发射装置进行实体建模和渲染，图5所示为发射装置组成部件之一发射气瓶三维模型，然后，在三维引擎Unity中分别进行主界面和虚拟操作训练等场景的交互设计[4]。采用开放式开发和项目式开发相结合的方式，在进行操作演示时采用固定操作步骤的项目式开发模式，比如在展示鱼雷发射装置准备操作的步骤时，按照规定的装备操作程序进行操作，学员不能对演示步骤进行任意操作，只能选择暂停、快进、停止操作，确保在学员在进行自主学习时，可以有正确的操作规范供参考学习。在进行操作练习时，采用两种开发模式相结合的方式开发，可以对操控部件进行操控，如果操作顺序、方法错误或者与设计不一致时，响应会不正确。这样可以纠正学员在平时操作中的孤僻动作。

3.2模拟操作软件设计

模拟操作软件主要是反潜火控设备模拟操作软件和发控仪模拟操作软件两部分，两者设计方法一样，下面以反潜火控设备模拟操作软件设计为例作介绍。系统启动时，对设备状态信息进行自检，如果设备异常，将报告错误信息并返回初始状态;如果设备正常，系统连接外部关联系统，如果失败，系统启动单机训练模式，并生成单机模拟训练数据，并将数据推送给业务处理核心功能模块;如果外部系统连接成功，则系统进入联网训练模式，并开启各类监听线程，以实时获取各类训练交互信息，当获得数据时，系统将数据推送给业务处理核心功能模块，进行解析与解算，并根据指令完成相应业务功能。每次完成后，都将继续监听相关信息，知道用户发出推出指令为止。反潜火控设备模拟操作软件控制系统软件总体流程如图6所示。

业务处理核心功能模块获得训练数据后，首先，将数据包分拆、解析我舰信息、目标信息、武器状态信息、指控命令等，如果解析失败，将报告错误信息，并确定是否重新获取新的信息进行解析;如果解析成功，系统将根据命令进行攻击诸元解算，如果解算结果为可攻击，则系统向发控仪、PCI-1756隔离数字I/O卡、显示设备等发送相关对应的命令与数据，成功反馈后，进入下轮解析、解算、攻击循环，知道用户发出退出指令为止。业务处理模块数据流程如图7所示。

4 应用效果

运行测试是检验模拟训练系统科学、有效的重要环节和途径[5]。系统建成后，按照部队鱼雷對潜攻击操演流程，可模拟各战位操作，通过近一年学员使用测试，结果表明，该系统仿真性能、电气性能、可靠性能等均达到标准要求。

5 结束语

针对院校反潜装备训练短缺的问题，本文提出了模拟、虚拟结合的方法构建管装鱼雷反潜模拟训练系统。利用PCI-1756隔离数字I/O卡实现模拟台位按键输入和信号灯输出控制，构建模拟操作台位，对发射装置进行三维建模，构建虚拟操作系统，进行模拟操作和训练管理软件设计，形成可单战位操作和各战位协同操作的模拟训练系统。该系统价格低廉、性能稳定可靠，设计理念可供其他武备类专业模拟训练系统参考。

参考文献：

[1] 刘兴堂，万少松，张双选.论军用模拟训练器/系统的发展趋势[J].系统仿真学报，2002，14（5）：647-649.

[2] 吴吉伟，李阳，徐先勇.基于CAN总线技术的管装鱼雷武器系统模拟器研究[J].数字海洋与水下攻，2020（12）：77-80.

[3] PCI-1756隔离数字I/O卡使用说明[P].北京：研华公司，2016.

[4] 刘保华，李建海.虚拟现实技术在装备教学中的应用研究[J].空军院校教育，2011（2）：61-62.

[5] 吕杨，周俊山，周敏.水声对抗模拟训练系统设计[J].海军大连舰艇学院学报，2019（3）：42-45.

【通联编辑：梁书】