Design of Embedded Simulation Training System for Portable Anti-tank Weapon

ZHAO Dandan, MENG Weizhen, ZHAO Hui, TIAN Liping

JPRMG ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (4) : 27-31.

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JPRMG ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (4) : 27-31. DOI: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2023.04.004

Design of Embedded Simulation Training System for Portable Anti-tank Weapon

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Abstract

This paper describes the basic concept and present situation of embedded training, proposes the design idea of embedded simulation training system for portable anti-tank weapons, constructs the structure of embedded simulation training for weapons, designs the evaluation system of embedded simulation training for weapons, and calculates the weight of evaluation index in the evaluation system based on Analytic Hierarchy Process(AHP). This paper introduces the design of embedded weapon simulation training system, including hardware module design based on function decomposition and software design based on task flow. The embedded simulation training system can be used as a reference for designing similar products.

Key words

embedded / analytic hierarchy process / simulation training / evaluation

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ZHAO Dandan, MENG Weizhen, ZHAO Hui, et al. Design of Embedded Simulation Training System for Portable Anti-tank Weapon[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2023, 43(4): 27-31 https://doi.org/10.15892/j.cnki.djzdxb.2023.04.004

0 引言

随着信息技术在军事领域中的应用与发展,出现了一种全新的训练模式—嵌入式模拟训练[1-2]。嵌入式模拟训练是将训练系统嵌入到实际装备中,在真实的装备环境下实施的训练,可使受训者获得与实战相符的心理与生理适应性,大幅提升训练质量。美国陆军于1987年提出了嵌入式训练的概念,正式确定嵌入式训练为首选训练方式。当前,美国及其盟国普遍加大对嵌入式训练技术的研究与应用,其陆海空军已为多种武器装备构建了嵌入式训练功能。嵌入式训练已成为各军事强国军事训练的首选方式,代表了军事训练技术的最新发展趋势[3-5]
嵌入式训练的目的是通过有效、近似实战的模拟训练,提高部队作战人员和武器装备在现代复杂战场环境下的作战能力。本文阐述了嵌入式训练基本概念和现状,提出了便携式反坦克武器嵌入式模拟训练设计思路,构建了武器嵌入式模拟训练结构,设计了武器嵌入式模拟训练系统评价体系,基于层次分析法计算了评价体系中评价指标权重,介绍了武器嵌入式模拟训练系统的设计。用户使用结果表明,该嵌入式模拟训练系统满足用户需求,可作为相似类产品的设计参考。

1 武器嵌入式模拟训练系统

1.1 嵌入式训练

对便携式反坦克武器实施嵌入式训练,可以提高其战时作战效能。嵌入式训练是在装备内部嵌入训练系统,在所使用的装备自身上完成训练,通过在真实的作战系统或设备上嵌入或增加的训练系统,使操作人员更加熟练地掌握各项装备操作技能[6]
嵌入式训练生成虚拟的战场态势,通过与实际装备的信息交互,驱动实际装备运行;同时采集操作人员在实际装备上的操作信息,反馈到训练系统内,控制训练态势的演变,从而完成训练过程。

1.2 系统功能及特点

便携式反坦克武器一般具有发射前锁定、发射后不管的特点,主要用于摧毁敌方主战坦克、装甲车辆、火力点等高价值点目标。
一种采用电视和非制冷红外双模图像制导,便携式反坦克武器嵌入式训练系统设计采用“实装+训练弹”的方式,利用野外真实环境和目标,培养射手对红外/电视导引头真实图像的识别能力,掌握武器系统的使用方法、操作要领和瞄准跟踪目标的技能,实现嵌入式训练。
图1为该便携式反坦克武器嵌入式训练系统组成原理图。
Fig.1 Portable anti-tank weapon embedded training system composition principle

图1 一种便携式反坦克武器嵌入式训练系统组成原理

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1.3 系统结构

嵌入式训练系统结构如图2所示,由应用层、功能层、数据层、操作系统层、物理层组成。应用层主要有自检界面、训练监控界面和训练管理界面。功能层包括设备自检、人员管理、数据采集处理、实时监控、训练记录、训练记录复演、训练评估、成绩管理等模块。数据层有视频数据、武器状态数据和操控数据。物理层包括视频采集卡、CAN卡、串口卡和主板等。
Fig.2 Function structure diagram

图2 功能结构图

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2 武器嵌入式模拟训练系统评价体系

2.1 评价指标框架

武器嵌入式模拟训练系统评价体系构建应遵循两个基本原则:与武器系统的一致性和人机交互的良好性[7]。根据这两个原则,构建了武器嵌入式模拟训练系统评价体系,该体系由两级指标组成,第一级指标有操作时间、操作动作、锁定状态和发射姿态。其中操作时间由4项二级指标(目标搜索时间、导弹上电时间、击发时间、超时时间)组成,操作动作由5项二级指标(总按键次数、上电次数、锁定次数、攻击方式切换次数、击发次数)组成,锁定状态由3项二级指标(锁定位置横向偏差、锁定位置纵向偏差、目标/波门大小比值)组成,发射姿态由4项二级指标(俯仰角姿态、倾斜角姿态、导引头俯仰框架角、导引头偏航框架角)组成。

2.2 基于AHP的评价指标权重

运用AHP确定模拟训练系统评价指标的权重[8-10]:
1)建立嵌入式模拟训练系统评价体系指标如图3所示。
Fig.3 The evaluation system of embedded simulation training for weapons

图3 嵌入式模拟训练系统评价体系

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2)根据专家访谈意见,对指标两两比较的相对重要程度按1~7区间进行比例标度,构造AB两个层次的判断矩阵,矩阵数据可根据专家的建议确定,构造B1B2B3B4A的判断矩阵如式(1):
A=113511331/31/3111/51/311
(1)
该矩阵的特征值为:
W1=154=1.968W2=9=1.732W3=1/94=0.577W4=1/154=0.508
(2)
归一化得A层下B1B2B3B4的权重分别为:w1=0.411,w2=0.362, w3=0.121, w4=0.106。
3)一致性检验。对A层进行单排序检验计算:λmax=4.06,一致性指标CI= λmax-nn-1=0.02,一致性比例 CR=CIRI,其中RI为平均一致性指标,当n=4时,RI=0.90, CR= CIRI=0.022<0.1,符合一致性检验
4)计算排序各层次评价指标权重如表1所示。
Table 1 Evaluation metrics weight allocation of embedded simulation training system

表1 嵌入式模拟训练系统评价指标权重分配表

Level 1
indicator
Weight Level 2 indicator Weight
Operation
time
0.332 Target search time 0.3
Missile power-up time 0.2
Launch time 0.3
Timeout time 0.2
Operation
action
0.302 Total number of operations 0.2
Number of power-ups 0.1
Number of locks 0.2
Number of attack mode switches 0.2
Number of launches 0.3
Lock
status
0.143 Lateral deviation 0.3
Longitudinal deviation 0.3
Size ratio of target/wave gate 0.4
Launch
attitude
0.223 Pitch angle 0.25
Tilt angle 0.25
Pitch frame angle of seek 0.25
Yaw frame angle of seek 0.25

3 模拟训练系统设计

3.1 功能模块设计

采用模块化思想将武器嵌入式模拟训练系统功能划分成设备自检、人员管理、数据采集处理、实时监控、训练记录、训练记录复演、训练评估、成绩管理等模块:
1)设备自检模块:检查各部件及数据库状态,并显示各项自检结果。
2)人员管理模块:对要参加训练的人员信息进行管理,可添加新人员、修改和删除已有人员信息等功能。
3)数据采集处理模块:是模拟训练系统与武器装备连接的桥梁,主要功能是通过视频采集卡、CAN卡、串口卡等采集武器装备数据输入到模拟训练系统内部并进行解析。
4)实时监控模块:实时显示训练相关信息,包括射手人员信息、导引头视频信息、导引头框架角信息、装备状态信息以及射手操作信息,协助教练员实时掌握操作员训练状况,及时指出并纠正出现的错误操作。
5)训练记录模块:记录导弹上电到本次训练结束的视频图像数据、武器状态和射手操作数据,为训练监控模块、成绩评定模块、记录回放模块提供所需的信息。
6)训练记录复演模块:根据时间戳同步导引头视频画面、武器状态信息和操作事件列表,进行训练记录回放。
7)训练评估模块:针对考核设计评定模型,综合射手的各项操作,根据评定模型对射手训练过程进行训练效果评估,并将成绩存储到数据库。
8)成绩管理模块:用于对射手的训练记录进行管理,具备查询、删除和批量导出训练成绩记录等功能,能对历史训练成绩进行图形化显示分析。

3.2 软件设计

基于任务流进行武器嵌入式模拟训练系统软件设计[11-12],系统任务是以时间序列为基准的一系列顺序动作集合:系统启动初始化完成后,自动进行自检,自检失败提示故障信息,根据故障提示信息进行故障定位和处理,自检正常则软件自动进入主界面,并进行参数设置,启动训练,通过界面查看包括实时视频的操控信息,训练结束后,系统计算显示本次训练成绩,并将训练相关数据和视频文件存储到数据库。通过训练复演能直观地了解射手的不足之处,以便采取针对性训练措施,提高实战水平。
武器嵌入式模拟训练系统软件工作流程图如图4所示。
Fig.4 Workflow

图4 工作流程图

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3.3 训练评估

训练效果评估是对受训射手训练过程中战术选择、战机把握能力做出的实时准确的评判[13]。对使用该便携式反坦克武器嵌入式模拟训练系统的某部队进行统计,随机选取了12名射手,对其训练效果进行评估,评估结果如表2所示。由表2可知,该模拟训练系统设计能客观评估出受训对象的训练结果,经调研,这12名射手在使用该装备时,其表现基本与评估结果一致。
Table 2 Training evaluation

表2 训练评估值

No. Training result Trainee
1 95 Shooter1
2 88 Shooter2
3 83 Shooter3
4 76 Shooter4
5 94 Shooter5
6 85 Shooter6
7 92 Shooter7
8 86 Shooter8
9 84 Shooter9
10 87 Shooter10
11 89 Shooter11
12 86 Shooter12

4 结论

文中基于嵌入式训练技术,设计并实现了一种便携式反坦克武器嵌入式模拟训练系统,通过采集、处理和存储武器系统的导引头视频、射手操控、武器系统状态等信息,实现教练员对训练的实时、全方位监控,可以严格把握训练标准、训练状况,确保训练安全,为训练过程管理、训练数据分析评估等提供更加高效、自动化的手段,全面提升了训练效果和效率。

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Abstract
为提高某导弹模拟训练系统中评估的客观性与准确性,确立以准确性、熟练度和操作人员状态为主的评价指标体系,构建适当的数学模型计算各子指标分值,将子指标定量化,解决由考官进行评判时存在的主观性强、标准不统一等缺点。利用专家系统,对考评过程中需要的专业知识和评价规则进行存储,实现了评分过程的自动化。针对层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)需要多次赋值保证一致性和群组决策特征根法(group eigenvalue method, GEM)结构模糊的缺点,提出了基于AHP和GEM融合算法的权重设置方案,利用AHP-GEM算法对各子指标得分进行加权评估,最终形成了一套合理有效的模拟训练评估系统。最后,通过与考官人工评分的方法进行比较,验证了所提评分系统的合理性和准确性。
HAO L L, ZHANG J S, LI T, et al. Design of missile weapon simulation training evaluation system[J]. Systems Engineering and Electronics, 2020, 42(4): 843-850.
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