复杂光电装置操作训练系统的设计与实现

甘光勇，安建祝，谢晓钢，张玉双，岳玉芳，李有宽

（北京应用物理与计算数学研究所，北京100094）

0 引 言

复杂光电装置是激光技术与现代光电探测技术相结合的一种新型激光装置，该装置在每次使用前，需要对激光器光路中的几十片镜面进行精确调试，保障激光器能提供一定的干扰功率和良好的光束质量。为使岗位人员具备熟练的操作能力，需要开展反复的技能训练。

近年来，国内许多单位应用仿真技术，开发出了针对不同对象的操作训练系统。赵芳［1］等设计了数字化坦克车长指控训练模拟器。高才喜［2］等设计了新型末制导炮弹射击模拟训练系统。丁海燕［3］等设计了基于HLA 的舰空导弹反导仿真系统。但是大部分研究都集中于仿真技术的研究和操作流程的模拟上，在复杂光电装置中，如何实现光路调试、如何根据训练任务，进行协同训练，以及将不同岗位训练软件的共性特征提炼为软件架构的操作训练系统并不多。

本操作训练系统根据复杂光电装置的操作流程，建立了简化的光路调试模型，构造了逼真的虚拟光路调试环境，将光电装置、训练场景和操作岗位有机的结合在一起。本操作训练系统与实际光电装置的操作流程、操作响应状态一致，操作界面逼真度高，通过用户单位的使用，取得了良好的训练效果。

1 系统总体设计

1.1 软件体系结构

光电装置的操作过程复杂，各子系统之间存在大量的数据交换，操作岗位多。为了避免重复开发、缩短开发周期、统一操作界面风格以及规范接口等，将不同操作岗位上的共性特征提炼出来［4－6］，设计了各操作岗位通用的操作训练软件体系结构，见文献［7］。

每个岗位训练软件可分为两大部分：通用框架层和个性层。通用框架层主要包括RTI通讯模块、教学视频管理模块、训练控制界面模块、科目管理模块、实装模拟模块、成绩评定模块和训练日志模块构成，各模块功能如下：

（1）RTI通讯模块：实现与运行平台和其它分系统的交互，与运行平台的交互包括登录、退出等状态信息，与其它分系统的交互内容根据具体的分系统确定；

（2）教学视频管理模块：实现教学视频的选择与播放功能；

（3）训练控制界面模块：实现训练控制有关的软件界面，包括学员登录界面、模式选择界面、自选科目界面、考试等待界面、训练边框界面等；

（4）科目管理模块：实现训练科目表的读取、科目简介读取、科目初始化、科目启动等功能；

（5）实装模拟模块：实现模拟实装软硬件的界面、功能及响应；

（6）成绩评定模块：实现将学员的训练操作与标准操作文件进行对照，并给出成绩；

（7）训练日志模块：实现日志的记录和查看功能。

各岗位训练软件均可在通用框架的源代码基础上，增加各岗位软件的程序和数据，实现岗位的个性功能。

1.2 硬件体系结构

本操作训练系统的硬件由机柜、操作面板、计算机、网络等组成，其中机柜的大小、颜色要求与实际装置一致，操作面板的输入输出状态响应要求与实际操作面板的响应基本一致。根据复杂光电装置的岗位划分、分布式系统仿真的特点，设计了操作训练系统的网络拓扑结构［8，9］，如图1所示。

图1 操作训练系统的网络拓扑

在训练过程中，导调台接收各岗位发送的状态信息，将其显示给指挥员并存入训练数据库中。在训练结束后，指挥员根据训练过程中的信息对训练过程进行评估。仿真管理的主要功能是提供HLA／RTI运行环境、监控RTI服务器和运行状态等。外部信息模拟主要功能是生成目标轨迹、背景参数数据。系统指挥员通过监视器了解系统训练状态，通过语音调度系统进行全系统指挥控制。其它岗位的功能与实际光电装置的功能基本一致。

2 系统主要功能

2.1 训练功能

在不同的训练阶段，操作人员根据自己对岗位的熟练程度和训练任务的要求，可选择不同的训练模式，主要的训练模式有：

（1）视频学习：在视频学习模式下，各分系统学员可分别选择自己感兴趣的教学视频进行观看，从而可以有针对性的进行学习。教学视频的选择与播放功能通过视频管理模块实现。

（2）操作练习：在操作练习模式下，各学员可对本岗位的软硬件进行自由操作，不受操作时序限制，也不进行成绩评定，从而达到熟悉本岗位软硬件的目的。当用户进入操作练习模式后，不仅显示模拟实装的软硬件界面，还增加了训练状态信息显示来辅助学员完成训练。

（3）科目练习：在科目练习模式下，学员可根据需要选择训练科目，训练成绩只在本地显示，不发送给导调台进行记录。学员可查看训练成绩来了解自己的训练情况，通过反复训练达到不断提高操作水平的目的。

（4）科目考试：在科目考试模式下，学员需等待导调台指定训练科目，在接受训练科目后，进行相应的科目准备，然后等待导调台的 “开始训练”指令后进入训练界面。训练成绩不仅在本地显示，同时还发送到导调台进行记录。该模式用来对学员的操作水平进行考核。

（5）全流程训练：只有在全系统各岗位全部进入全流程训练模式时，才可进行该模式的训练。在该模式下，各岗位等待导调台的 “开始训练”指令，并从运行平台接收外部信息模拟数据，模拟完整的全系统协同训练。

各模式下的工作流程如图2所示。

2.2 教学演示功能

教学演示是以动画、图片等形式介绍系统的工作原理、子系统的组成、功能及特点，介绍子系统的详细操作步骤、各岗位的职能以及操作中的注意事项。制作完成后的视频片既可以在训练模式中选择播放，也可采用播放软件直接播放。

2.3 训练管理功能

图2 各模式下的工作流程

训练管理主要包括操作日志记录和科目管理。操作日志记录下学员登录后的重要操作，有助于学员发现错误操作。为了便于对训练日志进行管理，将所有的日志存放在Data＼Log目录下，为每个学员创建一个子目录，在某个学员的目录下，同一天的日志存放在以日期命名的目录下。科目管理实现训练科目表的读取、科目简介读取、科目初始化、科目启动等功能。

3 系统实现技术

3.1 光路调试模型的建立

在光路调试训练软件中，需要建立光路调试模型和虚拟光路调试环境。简化的光路调试模型基于光线光学原理，在满足右手法则的全局坐标系xyz 内，光线数据的参数由原点位置（x0，y0，z0）和传输方向（α，β）组成，其中，α是光线与xy 平面的夹角，β是光线在xy 平面投影与x 轴的夹角，如图3所示。

图3 全局坐标系下的光线参数

镜面参数由位置（xm，ym，zm）和方向（γ，δ）组成。光线传输方向的矢量和镜面的法向量分别为

定义镜面坐标系为：镜面法向为x′轴，水平面内与x′轴垂直的方向为y′轴，z′轴与x′轴、y′轴满足右手系关系，如图4所示。

图4 镜面坐标系与全局坐标系

从镜面坐标系x′y′z′到全局坐标系xyz 的变换为

逆变换为其转置T′。因此，光线珒l 在镜面坐标系为L＝珒l·T′。镜面上的点在全局坐标系为珗rm＋珗r′·T。

每束光由五条光线组成，光场坐标系定义在光线1（中心光线）上，五条光线的起点在初始光场坐标系yz 平面上的分布如图5所示。

图5 五条光线的位置

光束中任一点（x0，y0，z0）光线的方程和镜面方程分别为

两方程联立求解，得到此光束传输到镜面的中心位置处为

3.2 基于OSG 的虚拟光路调试环境

OSG（open scene graph）是一个基于OpenGL 的开源场景图形工具包，能为图形程序的开发提供场景管理和渲染优化功能。本操作训练系统中，基于建立的光路调试模型，采用OSG 函数库实现了虚拟光路调试环境，包括光路调试的场景管理、三维光路模型位置姿态的设置与更新、光斑映射与更新。

简化光路调试模型的示意图如图6所示，一束平行光经过镜面M1、M2、M3后，传输到镜面M4上。由于到达镜面M2上的光束带有方位或俯仰方向上的可调节误差，需要通过调整镜面M2和M3的方位或俯仰角，将光瞳的中心调整到与M4 的镜面中心重合，保障后续光路的光束平行。

图6 光路调试模型

光路调试中的场景管理与三维光路模型位置姿态的设置、更新，其基本原理与OSG 场景管理、节点位置的设置与更新类似，本文不重点阐述。在光路调试过程中，需要通过观察镜面上光斑图像，判断调光效果。在虚拟光路调试环境中，应用了纹理映射技术实现光斑图像的模拟。先选定需要进行纹理映射的镜面，建立镜面的外切正方形几何体，并将正方形几何体的位置设置在镜面内侧，且与镜面节点同属于一个变换节点，然后根据光斑数据矩阵创建该正方形几何体的纹理图像，设置纹理格式为长方形2D 纹理，将2D 纹理映射到正方形几何体上。采用节点回调方式更新纹理节点中的数据块，在光路调整过程中，该纹理不断被更新，模拟的镜面上光斑图像如图7所示。

3.3 训练系统的FOM／SOM 设计

本操作训练系统中各子系统的状态响应、接口关系复杂，各岗位之间存在大量的协同操作。根据系统总体设计的基础和操作训练的要求，开发了FOM／SOM［10，11］。

本操作训练系统的实体类型有：导调台、外部信息模拟、系统指挥员、通信管理、状态监测、跟踪与控制、目标捕获、光源模拟、光路调试模拟。所发生的事件有：学员进行流程操作时，将操作步骤名称和时间发送至系统指挥员；学员完成科目练习或科目考试时，将岗位编号、训练成绩发送至系统指挥员等。可以确定联邦中的对象类为：TargetInfo（目标信息）、ToZkBatt（发送至通信管理的信息）、Manager＿Time（仿真时间）。交互类为：Mark（训练成绩）、Trace（跟踪状态）、SimuStart（仿真开始指令）、StudInfo（学员信息）等。

本操作训练系统时涉及到的部分对象类及属性、交互类及参数见表1、表2。表1是从本操作训练系统的FOM设计文档中截取的目标信息类和通信管理接收信息类；表2显示的部分交互类及参数。

表1 仿真系统的FOM／SOM（对象类）

表2 仿真系统的FOM／SOM（交互类）

4 操作训练的评估

4.1 操作流程的评估

在不同的训练模式下，需要考核操作人员对本岗位的熟练程度。操作训练流程的评估需要考虑：操作的时序、可否交换、可否重复、可否跳过等因素。操作训练系统中的流程评定与具体的训练科目相关，不同科目下的标准操作流程各不相同。

首先针对每个科目编写标准操作流程文件，以XML文件格式存放在＼Evaluate目录下；在科目初始化时，由成绩评定模块读取相应的标准操作流程文件；训练过程中的每一步操作都要由成绩评定模块进行评判，成绩评定模块会将此步操作与标准操作流程文件进行对照，如果对照结果不匹配，则会出现错误警告，学员可以继续训练；如果出现了3 次以上的错误警告，则本次训练结束，成绩为“不合格”，且不计算具体分数；如果训练过程中出现的不合法的操作少于3次，则当学员完成此科目的所有操作后，可以点击 “完成”按钮，此时成绩评定模块会对其整个操作过程进行综合评估，如果不合法的操作步数不大于3次并且完成了所有必做的操作，那么成绩 “合格”，在 “合格”的情况下，再考察其完成加分操作步骤的个数，并计算出60－100的具体分数作为最终的成绩评分。

标准操作流程文件的示例如图8 所示，其中，＜阶段＞＜／阶段＞表示需要串行执行的操作步骤，＜可跳过项＞＜／可跳过项＞表示某个阶段中可跳过的操作步骤，＜得分项＞＜／得分项＞表示某个阶段中必做操作中的步骤，＜等价项＞＜／等价项＞表示某个阶段中等价操作的步骤。

图8 标准操作流程文件示例

4.2 操作响应状态的评估

操作人员进行科目练习、科目考试以及全流程训练时，在标准操作流程文件中增加了对操作响应状态的判断，操作训练系统中的操作响应状态包含面板上的指示灯变化、模拟图像的显示阈值、光路调整的误差范围等。

操作响应状态评定的原则如下：

（1）操作人员按照标准操作流程进行的操作，训练系统状态响应正常；

（2）操作人员违反操作流程进行操作，系统状态显示误操作后的指示灯、模拟图像，让操作人员直观的看到误操作后的响应；

（3）在同一训练科目中，若误操作1 次，成绩评定时减5分。

4.3 操作界面的逼真度

操作训练系统的操作界面包含硬件面板与训练软件界面。硬件面板上的按钮／指示灯选用与实际装置相同厂家的批次，其布局、大小、颜色、响应状态与实际的操作面板一致。训练软件界面上的布局、按键响应、菜单级联关系等与实际装置基本一致。

经组织实际装置操作人员进行测评，训练系统的操作流程与实际操作流程符合程度达95%，操作状态响应与实际操作状态响应一致度达90%，操作训练系统的界面逼真度达90%。

5 结束语

本复杂光电装置的操作训练系统是集计算机仿真技术和网络通信技术为一体的新型模拟训练系统，系统采用基于HLA 协议的分布式半实物仿真方式实现，其操作流程、操作响应状态与实际光电装置一致，操作界面逼真度高，具有设计思想先进、性能稳定、模块化程度高等特点，不仅满足了用户单位日常训练的需要，而且对提高装置的使用技能，具有重大的经济意义。

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