有限狀態機在魚雷搜索策略程序設計中的應用

張勇平, 張靜遠, 尹文進

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有限狀態機在魚雷搜索策略程序設計中的應用

張勇平, 張靜遠, 尹文進

(海軍工程大學 兵器工程系, 湖北 武漢, 430033)

為了提高魚雷搜索策略程序設計效率和程序可讀性, 方便修改邏輯和調試程序, 提出了基于有限狀態機的魚雷搜索策略程序設計方案; 通過分析魚雷在搜索、跟蹤和識別目標等不同自導階段的自導邏輯關系, 提出了自導狀態、事件、活動的確定原則并建立了相應的模型; 結合有限狀態機理論, 建立了自導邏輯的事件狀態變遷關系圖, 提出了基于有限狀態機的程序實現方案。通過仿真, 對所建模型和設計方案進行了仿真驗證。仿真結果表明, 狀態機程序運行穩定, 調試和跟蹤方便, 尤其為增加狀態、更改邏輯和調試程序提供了便利。

魚雷; 自導邏輯; 有限狀態機; 搜索策略; 程序設計

0 引言

隨著現代魚雷智能化的不斷提高, 其復雜的自導邏輯和搜索策略對自導程序的設計提出了更高的要求。采用傳統的程序設計方法需要設置眾多的標志位和多層嵌套的條件判斷語句, 并且標志位的更改和判斷經常在不同嵌套層的判斷語句中。這種程序設計思想不僅使代碼冗長、程序可讀性和可移植性降低, 而且調試困難, 不便于后期更改邏輯。狀態機(state machine, SM)不僅可以使程序中多事件之間的邏輯關系變得簡潔明了, 同時它強大的錯誤處理能力、用戶選擇測試、條件執行等功能使多事件間的邏輯關系處理變得更為簡單。把狀態機應用到魚雷搜索策略程序設計中, 使用一個枚舉型狀態變量就可以代替幾十個標志位, 狀態的變更和選擇在同一嵌套層內完成, 程序流程清晰, 可讀性強。不僅有利于研制初期自導邏輯的修改完善, 而且可以減少程序設計中的錯誤。

國內對有限狀態機(finite state machine, FSM)的研究成果較多, 文獻[1]對狀態機的理論和應用進行了深入研究, 文獻[2]~[5]對狀態機的具體應用進行了研究。但是, 有限狀態機的應用難點不在于對其理論的掌握, 而在于對具體應用中狀態和事件的正確定義和建模。從可查閱的文獻來看, 還沒有把FSM應用到魚雷搜索策略程序設計中的研究成果。本文基于有限狀態機理論, 對魚雷自導邏輯進行分析和研究, 對其狀態、事件和活動等進行建模分析, 提出了魚雷搜索策略程序設計方案, 并通過魚雷制導性能仿真系統對設計方案進行了仿真驗證。

1 有限狀態機理論

FSM又稱有限自動機(finite automation, FA), 由狀態的有窮集和狀態之間的轉移關系組成, 是一種具有離散輸入輸出系統的數學模型, 主要為研究有限存儲的計算過程和某些語言類而抽象出來的[6]。FSM擁有有限數量的狀態, 每個狀態可以遷移到零個或多個狀態。它以一種“事件驅動”的方式工作, 可以通過事件驅動下系統狀態間的轉移, 來表達一個控制系統的控制流程。根據接受器和轉換器的不同可以分為多種類型, 接受器判斷是否接受輸入, 轉換器對給定輸入產生一個輸出, 常見的轉換器有Moore機和Mealy機。Moore機對每一個狀態都附加有輸出動作, 其輸出只與當前的狀態有關。Mealy機對每一個轉移都附加有輸出動作[1], 其輸出與當前的狀態和輸入有關。 Mealy機具有非自包含性, 在較復雜的系統中, 將增加系統的開發和維護的難度。Moor機具有自包含性, 有利于系統的開發和維護[7]。

定義FSM是一個5元組

2 自導邏輯分析與建模

2.1 狀態、事件和活動的確定原則

2.1.1 狀態的確定原則

狀態是物質或對象的生命周期中滿足某種條件、執行某些動作或等待某些事件發生的一個階段, 能持續一段時間[8]。分析魚雷自導系統的工作過程并定義一個對象, 該對象的屬性為魚雷各種自導參數的組合。如果某時刻該對象對魚雷產生相同或類似的控制行為, 那么該對象便可作為FSM的一個狀態。

2.1.2 事件的確定原則

對狀態產生的影響包括“內因”和“外因”兩種, “外因”是運行于該狀態以外且對該狀態產生影響的各種因素, “內因”是狀態的異常工作及正常工作積累量變后的質變。“內因”和“外因”可以抽象為“事件”, 是時空中顯式出現的特定現象, 它可以觸發狀態轉移[9]。由系統內部產生的觸發事件為系統事件, 外部觸發事件為外部事件。分析魚雷自導工作過程, 那些促使自導系統調整或更改參數的特定現象可以歸結為事件。

2.1.3 活動的確定原則

活動是FSM中的一系列控制行為的組合, 是和某一個狀態或事件相關聯的。魚雷自導系統在工作過程中根據不同的狀態和事件而做出的某些控制行為可以稱之為活動, 這些活動是不能引起狀態改變的。

2.2 狀態、事件和活動的建模

2.2.1 狀態的建模

魚雷從入水到自導開機階段是按照固定的程序航行, 不在本文的研究范圍之內。魚雷從自導開機到命中目標期間的狀態是非常復雜和眾多的。限于篇幅, 不可能逐一建模分析。下面重點對未發現目標以及發現后丟失目標兩種情況下的狀態進行建模分析, 以主流的魚雷前視聲自導技術為例進行討論。

未發現目標情況下, 假設魚雷按設定的彈道程序航行并搜索目標。在沒有內部或外部事件觸發時, 魚雷以某一種彈道形式搜索目標。同一種彈道形式有著相同或類似的自導、控制參數組合, 因此, 每一種搜索彈道形式可以歸結為一種狀態。各種狀態建模如下。

狀態1: 直航搜索

狀態2: 蛇形搜索

狀態3: 環形搜索

狀態4: 螺旋線形搜索

狀態5: 漸開線形搜索

自導系統檢測到目標后, 便轉入目標捕獲、核實過程[10]。假設魚雷自導探測邏輯如下: 由于檢測目標時的虛警存在, 需要2個脈沖周期的核實確認。檢測到目標后, 自導系統調整發射波束偏移角使其指向目標, 此時, 自導系統處在一種發現目標狀態。在隨后的2個脈沖周期中, 若有1個脈沖檢測到目標則認為自導系統捕獲到目標。之后調整水平舵的控制參數使魚雷在水平面上對準目標, 在下一個脈沖周期到達前, 各種參數保持不變, 自導系統處在捕獲狀態。在隨后的2個脈沖周期中, 若有一個脈沖檢測到目標便認為該目標已經過核實確認。此后, 魚雷調整水平和垂直舵的參數, 轉入雙平面跟蹤, 同時調整波束參數, 自導系統處在追蹤狀態。若2個脈沖周期中都未檢測到目標, 自導系統則認為探測到的是虛假目標, 此后更改為探測到該目標前的航向繼續搜索。根據上述分析, 各種狀態建模如下。

狀態6: 發現

狀態7: 待捕獲

狀態8: 捕獲

狀態9: 待核實

狀態10: 核實

2.2.2 事件的建模

按照事件的確定原則, 魚雷自導系統中彈道定時器觸發的彈道變更信號是時間累積到限定值觸發的信號, 可以歸結為一種系統事件。另外, 自導系統檢測到目標、識別出氣幕彈、噪聲干擾器和誘餌都會促使魚雷改變彈道和自導參數, 因此是一種外部事件。根據上述分析, 自導系統的事件建模如下。

事件1: 變更彈道信號

事件2: 檢測到目標

事件3: 未檢測到目標

事件4: 識別出氣幕彈

事件5: 識別出噪聲干擾器

事件6: 識別出點源誘餌

事件7: 識別出尺度誘餌

2.2.3 活動的建模

按照活動的確定原則, 調整水平和垂直舵的角度是和彈道定時器的發出變更彈道信號相關聯的。因此, 可以歸結為一種活動。調整發射波束偏移角、接收波束偏移角等自導參數是在檢測到目標或識別出假目標等事件時做出的, 不會引起狀態的改變, 因此是一種活動。關閉和啟動彈道定時器與發現和丟失目標2個狀態相關聯的, 可以視為一種活動。另外, 某些事件發生時需要改變自導狀態, 這也是一種特殊的活動。按照上述分析, 自導系統的活動建模如下。

活動1: 調整水平舵的角度

活動2: 調整垂直舵的角度

活動3: 改變魚雷航速

活動4: 調整發射波束偏移角

活動5: 調整接收波束偏移角

活動6: 調整發射脈沖周期

活動7: 調整發射脈沖寬度

活動8: 關閉彈道定時器

活動9: 啟動彈道定時器

2.3 狀態機的建模

魚雷自導系統未發現目標情況下的邏輯和狀態變遷關系比較簡單, 此處不予討論。根據上述所建的狀態和事件模型以及自導邏輯, 建立事件-狀態變遷關系, 見圖1。

3 程序設計方案

3.1 狀態機的選擇

魚雷自導系統中引起狀態變遷的事件都是以脈沖周期為間隔發生的, 事件發生后切換到一個新的狀態, 然后調整相關的自導參數和彈道控制參數。從狀態機的理論來看, 該狀態機的一系列活動都只與某一個狀態有關。因此, 把自導狀態機設計成Moore機更為合適。這也為日后改變自導邏輯提供了方便, 只需更改或加入新的狀態和與該狀態相關的活動即可, 便于自導程序的維護和升級。

圖1 事件-狀態變遷圖

3.2 狀態機的解釋與執行

魚雷自導邏輯是非常復雜的, 涉及到目標識別、丟失目標后再搜索和水聲反對抗等, 其狀態數目有好幾十種, 采用面向對象的方法處理則需 要設計幾十個類, 這無疑增加了程序的復雜性。這里采用流程狀態機實現是比較方便的, 其執行圖見圖2。其中, 活動可以分為入口動作和出口動作2種。入口動作是變遷到新狀態時執行的與新狀態有關的一系列活動[11], 包括調整波束參數和變更彈道參數等。出口動作是原狀態變遷到一新狀態中, 執行的原狀態出口活動, 主要是把狀態設定為下一個新狀態。

3.3 程序實現

3.3.1 數據結構及函數的設計

狀態和事件的數據結構采用枚舉數據類型即可實現, 狀態入口動作和狀態出口動作分別采用一個函數實現。設計如下。

Event{DetectTarget, IdentifyBlister, IdentifyNois

圖2 狀態機執行圖

DetectFunction() //檢測函數

{

TorpedoGuideState= DetectTarget; //完成自導檢測過程并對事件變量賦值

}

State_EntryFunction() //狀態入口函數

{

AdjustBallisticParameter(); //調整彈道控制參數

AdjustBeamParameter(); //調整波束參數

AdjustPulseParameter(); //調整脈沖參數

}

State_ExitFunction() //狀態出口函數

{

TorpedoGuideState=NextState;

//把狀態設置為下一個狀態

}

3.3.2 程序架構的設計

要實現狀態機的基于事件的狀態變遷過程, 需要重復判斷的選擇機制。以C++程序設計語言為例, 采用switch-case語句就可以很好的實現上述狀態機的功能。程序架構設計如下。

switch(TorpedoGuideState)

{

case Research: //狀態1;

{

Research_EntryFunction(); //狀態入口函數

Research_ExitFunction(); //狀態出口函數

break;

}

case FindTarget:

{

FindTarget _EntryFunction(); //狀態入口函數

FindTarget _ExitFunction(); //狀態出口函數

break;

}

.........

default:

break;

}

4 應用實例

在魚雷自導性能的分布式仿真系統中, 對上述狀態機模型在魚雷聯邦成員的程序設計中進行了應用。從魚雷初始搜索開始, 共建立了26個狀態模型, 11個事件模型和24種活動, 使用枚舉變量定義狀態和事件, 利用函數實現特定活動, 采用switch-case語句進行設計。對不同雷目距離、不同自導參數和多種對抗態勢下進行了10次魚雷對潛攻擊仿真。其中: 3次結果為魚雷識別并穿越出噪聲干擾器后發現并命中目標; 4次結果為直接發現并命中目標; 3次結果為魚雷被誘餌誘騙后旋回搜索未發現目標導致攻擊失敗。上述結果很好地實現了預先設計的邏輯和搜索策略。

5 結束語

有限狀態機應用的難點是系統狀態、事件以及狀態機的正確建模, 本文把有限狀態機理論應用到魚雷搜索策略的程序設計中。通過分析自導邏輯的特點, 研究了自導狀態、事件和活動的確定原則, 建立了發現目標情況下自導狀態、事件、活動以及狀態機的模型, 最后對狀態機的執行過程和程序實現進行了研究。基于本文設計的自導程序在魚雷自導性能仿真系統中進行了仿真驗證, 仿真結果表明, 程序運行穩定, 調試和跟蹤方便, 尤其是為增加狀態、更改邏輯和調試程序提供了便利。

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Application of Finite State Machine to Program Design of Torpedo Search Strategy

ZHANG Yong-ping, ZHANG Jing-yuan, YIN Wen-jin

(Department of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

A design scheme of torpedo search strategy program based on finite state machine is presented to improve the design efficiency and readability of torpedo search strategy program, and to facilitate the modification of logic and debugging. The definition standard and model of homing state, event, and activity are established by analyzing the torpedo homing logic relations at such stages as searching, pursuit and identification of target. The state transition diagram of homing logic and the implementation of homing program are introduced based on the finite state machine theory. The model and design scheme are validated by simulation, and the results show that the program operation on state machine is stable; the debugging and pursuit are easy; especially, adding state, altering logic and debugging program become convenient.

torpedo; homing logic; finite state machine; search strategy; program design

TJ630.34

A

1673-1948(2012)04-0256-05

2012-03-14;

2012-04-12.

張勇平(1979-), 男, 在讀博士, 工程師, 主要研究方向為魚雷自導技術、水聲信號處理及系統仿真.

(責任編輯: 楊力軍)