一种基于虚实交互的电子信息装备模拟训练系统及方法

1.本发明涉及电子信息装备模拟领域，特别是涉及一种基于虚实交互的电子信息装备模拟训练系统及方法。


背景技术：

2.电子信息装备具有涉及专业领域众多、系统复杂、软件密集等特点，对装备操作和维修保障的人员要求高，因此需要对电子信息装备操作和维护人员进行充分的训练。电子信息装备模拟化训练手段为在信息化条件下训练，加快能力生成提供了重要的训练平台。
3.电子信息装备具有多节点分布式、软件密集、逻辑状态复杂等特点，仅利用计算机仿真技术的虚拟装备模拟器，难以模拟复杂的状态变化，且操作的真实性难以满足训练需求。而如果利用半实物装备模拟器的方式，难以模拟电子信息装备的设备内部板卡、电路的复杂关系，半实物模拟器实现过于复杂，不易体现组成结构、操作过程、故障现象和故障排除过程，难以实现故障诊断与维修训练。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于虚实交互的电子信息装备模拟训练系统及方法，能够将半实物装备模拟器的真实性、高效性的优势和虚拟装备模拟器的灵活性、便利性、经济性的优势有效结合起来，有助于提高电子信息装备操作和维修训练水平。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种基于虚实交互的电子信息装备模拟训练系统，包括：模拟训练系统导控中心和多个电子信息系统模拟节点；每个所述电子信息系统模拟节点均与所述模拟训练系统导控中心连接；
7.所述电子信息系统模拟节点包括主控单元、半实物装备分系统和虚拟装备分系统；所述主控单元、所述半实物装备分系统和所述虚拟装备分系统构成导控局域网；所述主控单元用于控制所述半实物装备分系统和所述虚拟装备分系统模拟装备的状态并保持所述半实物装备分系统和所述虚拟装备分系统状态同步；所述半实物装备分系统用于进行装备操作训练；所述虚拟装备分系统用于进行装备维修训练。
8.可选地，还包括导控网总线；每个所述电子信息系统模拟节点均通过上述导控网总线与所述模拟训练系统导控中心连接。
9.可选地，还包括信道网总线；每个所述电子信息系统模拟节点中的半实物装备分系统均与所述信道网总线连接。
10.可选地，所述虚拟装备分系统包括依次连接的装备结构仿真模型、装备机理仿真模型、环境模型、人机交互模型以及训练数据采集与评估模型。
11.可选地，所述半实物装备分系统包括扩展设备功能接口；所述扩展设备功能接口用于与所述半实物装备分系统进行状态同步。
12.本发明还提供一种基于虚实交互的电子信息装备模拟训练方法，所述基于虚实交
互的电子信息装备模拟训练方法应用于所述的基于虚实交互的电子信息装备模拟训练系统，所述基于虚实交互的电子信息装备模拟训练方法包括：
13.导控中心指定训练计划；所述训练计划包括训练人员和训练案例；所述训练案例包括操作训练案例和维修训练案例；
14.导控中心将所述训练计划发送至各主控单元；
15.主控单元根据所述训练计划控制电子信息系统模拟节点进行训练；
16.主控单元获取半实物装备分系统或者虚拟装备分系统传输的操作记录；
17.主控单元根据所述操作记录控制半实物装备分系统和虚拟装备分系统模拟装备状态；
18.所述导控中心根据所述操作记录进行训练评估。
19.可选地，主控单元根据所述训练计划控制电子信息系统模拟节点进行训练，具体包括：
20.判断所述训练计划中的训练案例是否为维修训练案例，得到判断结果；
21.若所述判断结果为是，则引导被训人员在虚拟装备分系统进行训练；
22.若所述判断结果为否，则引导被训人员在半实物装备分系统进行训练。
23.可选地，主控单元获取半实物装备分系统或者虚拟装备分系统传输的操作记录，具体包括：
24.当判断结果为是时，主控单元获取虚拟装备分系统传输的操作记录；
25.当判断结果为否时，主控单元获取半实物装备分系统传输的操作记录。
26.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
27.本发明中每个所述电子信息系统模拟节点均与所述模拟训练系统导控中心连接；所述电子信息系统模拟节点包括主控单元、半实物装备分系统和虚拟装备分系统；所述主控单元、所述半实物装备分系统和所述虚拟装备分系统构成导控局域网；所述主控单元用于控制所述半实物装备分系统和所述虚拟装备分系统模拟装备的状态并保持所述半实物装备分系统和所述虚拟装备分系统状态同步；所述半实物装备分系统用于进行装备操作训练；所述虚拟装备分系统用于进行装备维修训练。本发明包含半实物装备分系统和虚拟装备分系统，能够将半实物装备模拟器的真实性、高效性的优势和虚拟装备模拟器的灵活性、便利性、经济性的优势有效结合起来，有助于提高电子信息装备操作和维修训练水平。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明提供的基于虚实交互的电子信息装备模拟训练系统框图；
30.图2为电子信息装备模拟训练实例示意图；
31.图3为电子信息系统模拟节点训练过程控制时序图；
32.图4为基于虚实交互的电子信息装备模拟训练方法流程图。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明的目的是提供一种基于虚实交互的电子信息装备模拟训练系统及方法，能够将半实物装备模拟器的真实性、高效性的优势和虚拟装备模拟器的灵活性、便利性、经济性的优势有效结合起来，有助于提高电子信息装备操作和维修训练水平。
35.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
36.如图1所示，本发明提供的一种基于虚实交互的电子信息装备模拟训练系统，包括：模拟训练系统导控中心和多个电子信息系统模拟节点；每个所述电子信息系统模拟节点均与所述模拟训练系统导控中心连接；所述电子信息系统模拟节点包括主控单元、半实物装备分系统和虚拟装备分系统；所述主控单元、所述半实物装备分系统和所述虚拟装备分系统构成导控局域网；所述主控单元用于控制所述半实物装备分系统和所述虚拟装备分系统模拟装备的状态并保持所述半实物装备分系统和所述虚拟装备分系统状态同步；所述半实物装备分系统用于进行装备操作训练；所述虚拟装备分系统用于进行装备维修训练。
37.在实际应用中，所述系统还包括导控网总线；每个所述电子信息系统模拟节点均通过上述导控网总线与所述模拟训练系统导控中心连接。导控网总线采用计算机局域网总线实现，完成模拟训练系统导控中心与各电子信息系统模拟节点中的主控单元、半实物装备分系统、虚拟装备分系统之间的连接。
38.在实际应用中，所述系统还包括信道网总线；每个所述电子信息系统模拟节点中的半实物装备分系统均与所述信道网总线连接。信道网总线也采用计算机局域网总线实现，完成各电子信息系统模拟节点中的半实物装备分系统之间的连接。
39.在实际应用中，所述虚拟装备分系统包括依次连接的装备结构仿真模型、装备机理仿真模型、环境模型、人机交互模型以及训练数据采集与评估模型。
40.装备结构仿真模型包含所模拟的装备的外观模型、内部结构模型以及虚拟维修工具模型，采用计算机三维建模软件和贴图绘制软件完成模型，最终在unity3d引擎软件中实现集成工作。装备机理仿真模型采用有限状态自动机原理，建立装备操作训练和维修训练相关的装备正常工作状态下的机理模型，以及故障案例相应故障仿真模型，驱动装备训练过程。环境仿真模型采用计算机三维建模软件完成。
41.人机交互模型通过unity软平台中的ngui插件完成，实现人机交互的触发响应，以及模块之间的交互。训练数据采集与评估模型采用计算机软件开发完成训练过程中操作内容和顺序的采集，以及按照设定的操作训练评估模型进行评估。
42.虚拟装备分系统在运行过程中，依据所属的模拟训练系统的训练数据库根据科目设置以及人员操作来变换各个虚拟模型的状态，以此作为对科目设置以及人员操作的响应。
43.在实际应用中，所述半实物装备分系统包括扩展设备功能接口；所述扩展设备功能接口用于与所述半实物装备分系统进行状态同步。半实物装备分系统在实装结构与功能
基础上，扩展设备功能接口关键信号，可进行断路故障设置和故障信号模拟，以保持与虚拟装备分系统的状态同步；半实物装备分系统在运行过程中，依据所属的模拟训练系统的训练科目以及人员操作来设置半实物装备分系统状态，以此作为对科目设置以及人员操作的响应。半实物装备分系统主要由与模拟对象相同的多个设备模拟器互联构成。各设备模拟器采用与真实设备相同的外部结构和接口，内部采用以嵌入式处理器为核心的嵌入式系统电路，扩展出按键、显示屏、指示灯、通话手柄以及各种接口。各设备模拟器的结构中包括业务接口、控制接口，业务接口用于模拟原装备的方式实现设备之间的互联，控制接口用于与主控单元的信息交互。
44.模拟训练系统由k个电子信息系统模拟节点、模拟训练系统导控中心、导控网总线、信道网总线组成，所述k为大于1的正整数；每个电子信息系统模拟节点由主控单元、半实物装备分系统、虚拟装备分系统、导控局域网总线组成，其中，主控单元与半实物装备分系统、虚拟装备分系统通过导控局域网总线构成节点内的导控局域网；虚拟装备分系统利用三维建模软件、虚拟现实软件开发的与实际装备具有内外部结构一致的三维虚拟装备，通过键盘、鼠标、触摸屏进行人机交互，模拟装备机理，用于装备的维修训练，并与半实物分系统同步展现装备状态。模拟训练系统导控中心采用高性能计算机或者服务器构成，运行导控软件，完成整个模拟训练系统的训练科目编辑、训练网络管理、训练想定管理、训练想定下发、训练过程监控、训练评估功能。
45.主控单元有计算机或者服务器构成，完成本节点训练科目下达、训练过程监控、训练评估功能；半实物装备分系统采用与实际装备外部构造一致的模拟器构成，其外部结构、外观、操作显示界面、人机交互方式、外部状态显示与实际装备完全一致，对给定故障库内各类故障的显示及故障对设备功能影响与实装一致，用于装备的模拟操作训练，为维修训练提供外部状态响应；各电子信息系统模拟节点内主控单元与半实物装备分系统、虚拟装备分系统通过导控局域网总线互联在一起。
46.在一次综合性模拟训练中，基于半实物分系统完成装备操作训练，基于虚拟装备分系统完成维修训练；主控单元依据导控信息控制模拟器与其他节点之间的互通状态、通信质量，依据虚拟装备分系统操作记录，控制半实物分系统和虚拟装备分系统中模拟装备的状态，保持半实物分系统和虚拟装备分系统状态同步。
47.本发明能解决电子信息装备的虚拟装备模拟器模拟状态变化困难、半实物装备模拟器模拟设备内部故障诊断与排除困难的问题。
48.本发明还提供一种基于虚实交互的电子信息装备模拟训练方法，所述基于虚实交互的电子信息装备模拟训练方法应用于所述的基于虚实交互的电子信息装备模拟训练系统，所述基于虚实交互的电子信息装备模拟训练方法包括：
49.导控中心指定训练计划；所述训练计划包括训练人员和训练案例；所述训练案例包括操作训练案例和维修训练案例。
50.导控中心将所述训练计划发送至各主控单元。
51.主控单元根据所述训练计划控制电子信息系统模拟节点进行训练。
52.主控单元获取半实物装备分系统或者虚拟装备分系统传输的操作记录。
53.主控单元根据所述操作记录控制半实物装备分系统和虚拟装备分系统模拟装备状态。
54.所述导控中心根据所述操作记录进行训练评估。
55.作为一种可选地实施方式，主控单元根据所述训练计划控制电子信息系统模拟节点进行训练，具体包括：
56.判断所述训练计划中的训练案例是否为维修训练案例，得到判断结果。
57.若所述判断结果为是，则引导被训人员在虚拟装备分系统进行训练。
58.若所述判断结果为否，则引导被训人员在半实物装备分系统进行训练。
59.作为一种可选地实施方式，主控单元获取半实物装备分系统或者虚拟装备分系统传输的操作记录，具体包括：
60.当判断结果为是时，主控单元获取虚拟装备分系统传输的操作记录。
61.当判断结果为否时，主控单元获取半实物装备分系统传输的操作记录。
62.如图4所示，本发明还提供基于虚实交互的电子信息装备模拟训练方法在实际应用中的具体工作方法，包括以下步骤：
63.步骤1：导控中心拟制训练计划，明确训练人员，选择操作训练案例、维修训练案例，编辑制作训练科目。
64.步骤2：导控中心将训练计划下达至各电子信息系统模拟节点的主控单元，各主控单元按照训练计划设定本节点半实物分系统和虚拟装备分系统初始状态。
65.步骤3：如图2所示，所属模拟训练系统按照训练计划中各案例的顺序开展训练。
66.训练案例为操作训练案例时，首先将科目按顺序分解为操作内容1，操作内容2，
…
操作内容n等n个训练内容，所属模拟训练系统按照训练计划中各案例的顺序开展训练。
67.步骤4：确定当前训练案例是否为维修案例，是则引导被训人员在虚拟装备分系统进行操作，虚拟装备分系统按照操作时间触发机制，采集操作数据并上报主控单元；各主控单元将本节点虚拟装备分系统操作记录上报导控中心，导控中心依据模拟系统通信规则确定各节点之间业务数据互通状态、通信质量，并分发给各节点主控单元；主控单元依据导控信息控制模拟器与其他节点之间的互通状态、通信质量，依据虚拟装备分系统操作记录，控制半实物分系统和虚拟装备分系统中模拟装备的状态，保持半实物分系统和虚拟装备分系统状态同步；否则转入步骤5。
68.训练案例为操作训练案例时，确定当前训练案例为操作训练案例，引导被训人员在半实物分系统进行操作，半实物分系统按照操作时间触发机制，采集操作数据并上报主控单元。
69.步骤5：引导被训人员在半实物分系统进行操作，半实物分系统按照操作时间触发机制，采集操作数据并上报主控单元。
70.步骤6：各主控单元将本节点半实物分系统操作记录上报导控中心，导控中心依据模拟系统通信规则确定各节点之间业务数据互通状态、通信质量，并分发给各节点主控单元。
71.步骤7：主控单元依据导控信息控制模拟器与其他节点之间的互通状态、通信质量，依据半实物分系统操作记录，控制半实物分系统和虚拟装备分系统中模拟装备的状态，保持半实物分系统和虚拟装备分系统状态同步；在各个电子信息系统模拟节点中，主控单元控制半实物装备分系统和虚拟装备分系统实现同步，具体方式是主控单元分别发送电子信息系统模拟节点中各模拟器状态给半实物装备分系统和虚拟装备分系统；发送消息的方
式是采用udp的socket通讯方式，交互的数据格式使用已实现规定好的json格式。
72.如图3所示，在维修训练中，主控单元分别下发维修训练开始消息给半实物装备分系统以及虚拟装备分系统，两个分系统根据维修科目去模拟对应模拟器的故障现象，之后参训人员在虚拟装备分系统上根据故障现象分析故障原因，进行虚拟维修操作，虚拟装备分系统将维修操作步骤及模拟器状态上报给主控单元，主控单元通知半实物装备分系统去同步显示对应的模拟器中间状态；参训人员完成维修步骤后，虚拟装备分系统将显示最终状态，并将维修结果及模拟器状态上报给主控单元，主控单元通知半实物装备分系统去同步显示对应的模拟器状态；完成维修训练后，主控单元根据上报的维修操作步骤及结果进行自动评估打分。
73.步骤8：所属模拟训练系统判断当前案例是否为本训练科目中的最后一个案例，否返回至步骤3，是转入步骤9。
74.步骤9：导控中心依据各节点模拟器操作记录进行训练评估。
75.步骤10：训练结束。
76.本发明同现有技术相比的优点在于：
77.1、通过提供电子信息系统模拟节点，使得半实物装备模拟器能够模拟复杂的装备状态变化，保证了该系统具有较好的真实性、高效性；同时通过虚拟装备模拟器模拟设备内部故障诊断与排除过程，保证了该系统具有较好的灵活性、便利性和经济性。
78.2、通过主控单元依据虚拟装备分系统及半实物分系统操作记录，控制半实物分系统和虚拟装备分系统中模拟装备的状态，保持半实物分系统和虚拟装备分系统状态同步，使得被训人员进行操作训练或维修训练过程中，不仅可观察装备内部板卡、电路的复杂关系，同时可检查装备状态响应，提高装备维修训练水平，促进维修训练方法研究。
79.3、通过组建分布式多网关架构的电子信息装备维修训练系统，可保证k个电子信息系统模拟节点同时运行，为被训人员同时进行相同或不同的维修训练及操作训练提供支撑平台，且导控中心可依据各节点模拟器操作记录对维修操作训练过程进行评估。减少经费开支，又可避免训练过程的误操作对实装的损害，有助于提高电子信息装备操作和维修训练水平。
80.本发明中主控单元依据导控信息控制模拟器与其他节点之间的互通状态、通信质量，依据虚拟装备分系统操作记录，控制半实物分系统和虚拟装备分系统中模拟装备的状态，保持半实物分系统和虚拟装备分系统状态同步；在一次综合性模拟训练中，基于半实物分系统完成装备操作训练，基于虚拟装备分系统完成维修训练。本发明解决了采用基于半实物模拟器和虚拟装备模拟器分别进行操作训练和维修训练，解决了电子信息装备因软件密集、逻辑状态复杂等带来的虚拟装备模拟器模拟状态变化困难、半实物装备模拟器模拟设备内部故障诊断与排除困难等问题。本发明能够将半实物装备模拟器的真实性、高效性的优势和虚拟装备模拟器的灵活性、便利性、经济性的优势有效结合起来，有助于提高电子信息装备操作和维修训练水平。
81.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
82.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据
本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种基于虚实交互的电子信息装备模拟训练系统，其特征在于，包括：模拟训练系统导控中心和多个电子信息系统模拟节点；每个所述电子信息系统模拟节点均与所述模拟训练系统导控中心连接；所述电子信息系统模拟节点包括主控单元、半实物装备分系统和虚拟装备分系统；所述主控单元、所述半实物装备分系统和所述虚拟装备分系统构成导控局域网；所述主控单元用于控制所述半实物装备分系统和所述虚拟装备分系统模拟装备的状态并保持所述半实物装备分系统和所述虚拟装备分系统状态同步；所述半实物装备分系统用于进行装备操作训练；所述虚拟装备分系统用于进行装备维修训练。2.根据权利要求1所述的基于虚实交互的电子信息装备模拟训练系统，其特征在于，还包括导控网总线；每个所述电子信息系统模拟节点均通过上述导控网总线与所述模拟训练系统导控中心连接。3.根据权利要求1所述的基于虚实交互的电子信息装备模拟训练系统，其特征在于，还包括信道网总线；每个所述电子信息系统模拟节点中的半实物装备分系统均与所述信道网总线连接。4.根据权利要求1所述的基于虚实交互的电子信息装备模拟训练系统，其特征在于，所述虚拟装备分系统包括依次连接的装备结构仿真模型、装备机理仿真模型、环境模型、人机交互模型以及训练数据采集与评估模型。5.根据权利要求1所述的基于虚实交互的电子信息装备模拟训练系统，其特征在于，所述半实物装备分系统包括扩展设备功能接口；所述扩展设备功能接口用于与所述半实物装备分系统进行状态同步。6.一种基于虚实交互的电子信息装备模拟训练方法，其特征在于，所述基于虚实交互的电子信息装备模拟训练方法应用于权利要求1-5任意一项所述的基于虚实交互的电子信息装备模拟训练系统，所述基于虚实交互的电子信息装备模拟训练方法包括：导控中心指定训练计划；所述训练计划包括训练人员和训练案例；所述训练案例包括操作训练案例和维修训练案例；导控中心将所述训练计划发送至各主控单元；主控单元根据所述训练计划控制电子信息系统模拟节点进行训练；主控单元获取半实物装备分系统或者虚拟装备分系统传输的操作记录；主控单元根据所述操作记录控制半实物装备分系统和虚拟装备分系统模拟装备状态；所述导控中心根据所述操作记录进行训练评估。7.根据权利要求6所述的基于虚实交互的电子信息装备模拟训练方法，其特征在于，主控单元根据所述训练计划控制电子信息系统模拟节点进行训练，具体包括：判断所述训练计划中的训练案例是否为维修训练案例，得到判断结果；若所述判断结果为是，则引导被训人员在虚拟装备分系统进行训练；若所述判断结果为否，则引导被训人员在半实物装备分系统进行训练。8.根据权利要求7所述的基于虚实交互的电子信息装备模拟训练方法，其特征在于，主控单元获取半实物装备分系统或者虚拟装备分系统传输的操作记录，具体包括：当判断结果为是时，主控单元获取虚拟装备分系统传输的操作记录；当判断结果为否时，主控单元获取半实物装备分系统传输的操作记录。

技术总结
本发明公开一种基于虚实交互的电子信息装备模拟训练系统及方法，涉及电子信息装备模拟领域，每个电子信息系统模拟节点均与模拟训练系统导控中心连接；电子信息系统模拟节点包括主控单元、半实物装备分系统和虚拟装备分系统；主控单元、半实物装备分系统和虚拟装备分系统构成导控局域网；主控单元用于控制半实物装备分系统和虚拟装备分系统模拟装备的状态并保持半实物装备分系统和虚拟装备分系统状态同步；半实物装备分系统用于进行装备操作训练；虚拟装备分系统用于进行装备维修训练。本发明将半实物装备模拟器的真实性、高效性的优势和虚拟装备模拟器的灵活性、便利性、经济性的优势有效结合，提高电子信息装备操作和维修训练水平。训练水平。训练水平。


技术研发人员：孙慧贤 李召瑞 王文娟 郭宝锋 王欣 李擎 吉兵
受保护的技术使用者：中国人民解放军陆军工程大学
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/15