基于組件化建模技術(shù)的無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)設(shè)計(jì)*

黃克明 張明義 王 濤

(陸軍軍官學(xué)院 合肥 230031)

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基于組件化建模技術(shù)的無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)設(shè)計(jì)*

黃克明 張明義 王 濤

(陸軍軍官學(xué)院 合肥 230031)

針對開展無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)需求,運(yùn)用組件化技術(shù),通過模型體系和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì),初步構(gòu)建了無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng),并對組件接口和模型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)等問題進(jìn)行了研究。

無人機(jī); 模型; 組件化; 仿真實(shí)驗(yàn)

Class Number TP391.92

1 引言

近年來,隨著無人機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展與無人機(jī)裝備在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,無人機(jī)運(yùn)用問題研究受到普遍重視。應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù),通過仿真實(shí)驗(yàn)手段,在無人機(jī)運(yùn)用問題研究領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。

構(gòu)建無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),開展無人機(jī)運(yùn)用問題研究,需要有功能強(qiáng)大、體系完善的模型系統(tǒng)作支撐。面對當(dāng)前無人機(jī)裝備快速發(fā)展的特殊時期,很難做到一次研發(fā)系統(tǒng),長期滿足使用的需求。而傳統(tǒng)的面向?qū)ο蟮慕７椒?在互操作性、擴(kuò)展性和重用性方面都存在一定限制。同時由于無人機(jī)系統(tǒng)組成復(fù)雜,其作戰(zhàn)過程涉及地面、空中等諸多環(huán)節(jié),因此和一般的仿真模型相比,無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)在模型重用、模型組合、模型形式化表示等方面要求更高。針對上述情況,本文將組件化建模技術(shù)引入到無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)設(shè)計(jì)中,有效地減低建模任務(wù)的復(fù)雜性,提高了模型系統(tǒng)的重用性、可擴(kuò)充性和模型開發(fā)和集成效率。

2 無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)及其模型系統(tǒng)概述

無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)是在可控、可測、近似真實(shí)的模擬對抗環(huán)境中,運(yùn)用作戰(zhàn)模擬手段,開展無人機(jī)使用問題研究。通過實(shí)驗(yàn),可有計(jì)劃地改變實(shí)驗(yàn)中的無人機(jī)裝備力量、戰(zhàn)法、作戰(zhàn)環(huán)境等條件,考察各種條件下的作戰(zhàn)進(jìn)程和結(jié)局,對深入認(rèn)識無人機(jī)運(yùn)用規(guī)律,提高無人機(jī)使用效能具有重要意義。

無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕峭ㄟ^對無人機(jī)使用研究過程中所涉及的無人機(jī)裝備實(shí)體、行動、目標(biāo)、過程、環(huán)境等因素的行為和屬性進(jìn)行抽象與模擬仿真,是具有相互聯(lián)系、相互作用、相互影響關(guān)系的有機(jī)整體。模型系統(tǒng)是構(gòu)建無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本元素和核心內(nèi)容[1]。高精度、高可靠性的模型系統(tǒng)決定了仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的質(zhì)量及其可信性。模型系統(tǒng)構(gòu)建得是否逼真、完善與實(shí)用,更是直接關(guān)系到無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軍事以及經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。

3 無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 組件化建模技術(shù)

組件化建模技術(shù)將面向?qū)ο蠹夹g(shù)應(yīng)用于模型設(shè)計(jì)[2～5]。針對仿真對象的真實(shí)物理形態(tài)和行為規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì),技術(shù)實(shí)現(xiàn)上采用“組件化”建模思想,將系統(tǒng)模型細(xì)分為原子組件模型,一個完備的仿真實(shí)體由多個原子組件模型組合而成。這樣在實(shí)驗(yàn)前如果需要構(gòu)造一個新的無人機(jī)實(shí)體模型,就不需要重新建立一套完整的無人機(jī)系統(tǒng)模型,而是可以根據(jù)需要從模型庫中將相應(yīng)的原子組件模型組裝起來即可。組件化建模方法將模型開發(fā)看成是一個模型組裝過程,在系統(tǒng)指導(dǎo)下尋找可重用模型組件或開發(fā)新的模型組件,并進(jìn)行模型組裝,直接形成系統(tǒng)所需的仿真應(yīng)用模型,而無需完全從頭開發(fā)。這樣最大程度提高模型的復(fù)用性和降低建模復(fù)雜度,提高了開發(fā)效率。

3.2 無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腕w系設(shè)計(jì)[6～9]

基于組件化技術(shù)構(gòu)造無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)的基礎(chǔ)是對實(shí)體模型進(jìn)行分解,將所有具備個性特征的裝備實(shí)體模型分解成若干個共性的組件模型。考慮到無人機(jī)系統(tǒng)組成、性能、功能、任務(wù),主要戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)和保障對象,以及環(huán)境因素等,為實(shí)現(xiàn)無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹赜眯浴⒖蓴U(kuò)展性,將各類作戰(zhàn)單元的屬性和行為進(jìn)行抽象,如圖1所示,模型體系按組件共性分為:平臺組件模型、機(jī)動組件模型、設(shè)備組件模型、行為組件模型、輔助組件模型五大類,每類組件模型又可以根據(jù)實(shí)際裝備進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化分類,可根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)模和粒度需要對其進(jìn)行擴(kuò)充。

圖1 無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腕w系

1) 平臺組件模型描述了無人機(jī)裝備實(shí)體在戰(zhàn)場環(huán)境下的實(shí)際載體平臺的物理特性。包括通用無人機(jī)平臺組件模型、通用飛機(jī)平臺組件模型、直升機(jī)平臺組件模型、導(dǎo)彈組件模型、地面常見目標(biāo)平臺組件模型和艦艇平臺組件模型等。由于實(shí)際裝備種類多樣,差異較大,無法從細(xì)節(jié)描述每一個裝備實(shí)體,因此平臺組件模型給出了某一類裝備通用物理平臺特征,通過加載不同的組件以及參數(shù)設(shè)置的不同,來模擬特定的裝備實(shí)體。

2) 機(jī)動組件模型描述了不同類型裝備實(shí)體的動力性能和機(jī)動特性,主要包括固定翼機(jī)動組件模型、旋轉(zhuǎn)翼機(jī)動組件模型、導(dǎo)彈機(jī)動組件模型、裝甲機(jī)動組件模型、車輛機(jī)動組件模型、艦艇機(jī)動組件模型等。

3) 設(shè)備組件模型描述了各種無人機(jī)裝備實(shí)體平臺搭載的任務(wù)設(shè)備單元。不同的實(shí)體,通過組合不同的設(shè)備組件,是實(shí)現(xiàn)裝備實(shí)體功能的主要組件。包括各種無人機(jī)典型探測傳感器,如SAR、可見光、紅外、航空相機(jī)等組件模型,還包括數(shù)據(jù)處理組件模型,通信組件模型、預(yù)警雷達(dá)、對空監(jiān)視和搜索雷達(dá)以及多種導(dǎo)彈組件模型等。探測設(shè)備需考慮環(huán)境等輔助組件下的的探測、偵察過程等。通信組件模型描述不同種類的通信設(shè)備的工作性能和運(yùn)行狀態(tài)。

4) 行為組件模型描述了裝備實(shí)體的基本作戰(zhàn)動作,對于無人機(jī)裝備,主要包括起降任務(wù)組件模型,返航任務(wù)助教模型、突防任務(wù)組件,以及執(zhí)行各種戰(zhàn)場偵察、目標(biāo)監(jiān)視、偵察校射、電子干擾、毀傷評估等任務(wù)組件模型等,還包括無人機(jī)主要保障目標(biāo)和作戰(zhàn)目標(biāo)的典型行為組件模型等。每個裝備實(shí)體的作戰(zhàn)行為實(shí)際上是一個基本作戰(zhàn)動作序列,基于這些動作序列可以完成各種作戰(zhàn)任務(wù)。

5) 輔助組件模型描述了無人機(jī)裝備實(shí)體執(zhí)行特定任務(wù)時的環(huán)境因素,包括地理環(huán)境、氣象環(huán)境和電磁環(huán)境等組件模型;目標(biāo)特性因素,主要有雷達(dá)反射特性、紅外特性和可見光特性等;還包括編隊(duì)組件模型、交戰(zhàn)裁決組件模型和網(wǎng)絡(luò)模型等。

3.3 無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)架構(gòu)

基于組件化技術(shù)的無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)主要有基礎(chǔ)組件模型數(shù)據(jù)庫,組件對象數(shù)據(jù)庫和裝備實(shí)體模型數(shù)據(jù)庫構(gòu)成,如圖2所示。

1) 組件模型數(shù)據(jù)庫,按照上述模型體系分為五個基本類型組件庫,是最基本的模型組件的集合。其中每類模型組件都完成一些特定的功能,從不同角度描述仿真對象。將這些組件進(jìn)行組裝后可以提供一個作戰(zhàn)單元的全部功能。

圖2 無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)架構(gòu)

加入到組件模型數(shù)據(jù)庫的組件模型需經(jīng)過概念模型設(shè)計(jì)、當(dāng)前組件模型庫分析、組件模型開發(fā)和組件模型提交等步驟。概念模型設(shè)計(jì)是裝備實(shí)體相關(guān)功能和行為的一次抽象描述,由此產(chǎn)生組件復(fù)用需求,確定模型組件構(gòu)成關(guān)系;當(dāng)前組件模型庫分析是在概念模型設(shè)計(jì)完成后,需在當(dāng)前組件模型數(shù)據(jù)庫中查找是否有滿足本仿真實(shí)體需求的模型組件,或者經(jīng)過組裝后可以完全滿足要求的,則無需開發(fā)仿真模型,否則針對缺少的模型組件部分進(jìn)行開發(fā);組件模型開發(fā),組件模型開發(fā)是在概念模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)學(xué)模型和仿真模型的設(shè)計(jì)開發(fā)工作,其中的活動包括模型分析、設(shè)計(jì)、編程和測試,最后將檢驗(yàn)后的組件模型加入到組件模型庫中并進(jìn)行注冊。

2) 組件對象數(shù)據(jù)庫,是根據(jù)無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)中仿真實(shí)體需要,將相應(yīng)的組件模型的參數(shù)一一賦值,也就是組件模型實(shí)例化的對象合集。同一組件模型在賦予不同的參數(shù)后,可以形成不同的組件對象,如無人機(jī)平臺組件模型,賦予不同參數(shù)后可成為“捕食者”無人機(jī)對象,也可以成為“死神”無人機(jī)對象。

3) 裝備實(shí)體模型數(shù)據(jù)庫,組件化建模的核心內(nèi)容是組件的產(chǎn)生和組裝。將五類組件對象組裝后形成的有獨(dú)立作戰(zhàn)能力的裝備實(shí)體集合。在組裝時以平臺組件模型為基礎(chǔ),將平臺所搭載的機(jī)動組件模型、設(shè)備組件模型、行為組件模型以及輔助組件模型集成到該平臺上形成在想定中的存在的一個個裝備實(shí)體,一般具有機(jī)動、通信、探測或打擊等一系列作戰(zhàn)能力。

由于仿真對象的特異性,系統(tǒng)必然存在一些針對性較強(qiáng)的專用組件模型。所以系統(tǒng)模型組裝是將一些共用組件和專用組件組裝在一起,構(gòu)成多樣仿真實(shí)體的過程。系統(tǒng)模型組裝后可以實(shí)例化成仿真實(shí)體,在不同的想定環(huán)境下運(yùn)行后支持系統(tǒng)應(yīng)用研究。

3.4 組件模型接口設(shè)計(jì)[10]

為提高靈活性,組件模型采用參數(shù)和功能分離的設(shè)計(jì)思路,在方便模型封裝的同時能夠?qū)崿F(xiàn)功能之間的訪問。組件模型接口設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)組件模型重用性、可擴(kuò)展性和互操作性關(guān)鍵所在。只有使用統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn),才能實(shí)現(xiàn)組件之間、組件和用戶之間的互相通信、協(xié)同工作,共同完成仿真任務(wù)。無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)將原子組件模型接口設(shè)計(jì)分為屬性、輸入接口、輸出接口、接收事件和發(fā)送等,如圖3所示。其中屬性則用于設(shè)置組件的性能參數(shù),初始狀態(tài)等,接口用于傳輸模型周期性數(shù)據(jù),事件一般用于傳輸臨時性數(shù)據(jù)。

圖3 原子組件模型接口示意圖

通過組裝關(guān)聯(lián)功能的多個組件可以生成復(fù)合組件,復(fù)合組件的接口同原子組件一樣,由屬性、輸入和輸出接口以及接收和發(fā)送事件組成。復(fù)合組件內(nèi)部通過連線和映射統(tǒng)一內(nèi)部接口和外部接口,如圖4所示。

圖4 復(fù)合組件接口示意圖

4 無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程

在上述模型系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,通過組件模型開發(fā)軟件來實(shí)現(xiàn)無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)。組件模型開發(fā)軟件主要用于編輯生成組件模型對象,從而形成基礎(chǔ)的組件模型數(shù)據(jù)庫,并可用于將多個已經(jīng)發(fā)布的組件模型組裝成為裝備實(shí)體模型。通過以圖形方式建立友好操作界面,使建模人員可以對組件模型進(jìn)行開發(fā)與管理,其主要實(shí)現(xiàn)過程為:

1) 定義組件模型

依據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腕w系設(shè)計(jì)和具體想定設(shè)計(jì),對組件模型進(jìn)行定義,包括名稱、屬性、接口、事件的定義。定義的仿真組件模型是平臺無關(guān)的。

2) 生成代碼框架

根據(jù)組件模型定義文件,生成組件模型代碼框架。代碼框架包括組件代模型碼框架和該組件模型的單元測試代碼框架。

3) 開發(fā)組件模型

在組件模型代碼框架上對組件模型的功能進(jìn)行具體編程實(shí)現(xiàn),并進(jìn)行組件模型的輸出。實(shí)現(xiàn)后,經(jīng)過在指定的平臺下編譯鏈接后,生成仿真組件可執(zhí)行庫文件并進(jìn)行單元測試,確保組件的輸入、輸出、運(yùn)行操作按照設(shè)計(jì)的邏輯執(zhí)行。

4) 發(fā)布組件模型

使用組件打包工具將仿真組件原子模型打成仿真組件模型包文件。仿真組件包文件中可以包含用戶自定義的仿真組件運(yùn)行時依賴的文件。打包后,將仿真組件模型包發(fā)布到仿真模型庫中,發(fā)布的組件模型可以部署到仿真運(yùn)行節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行。

5) 實(shí)例化組件模型

實(shí)例化就是組件模型根據(jù)實(shí)際裝備的參數(shù)化過程。實(shí)例化的組件不能修改原有組件模型的屬性、接口、事件的定義。同一組件模型可以通過賦予不同參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)多次實(shí)例化過程,這種方法非常適用同一系列不同型號裝備的模型開發(fā)。組件模型實(shí)例化任務(wù)在整個實(shí)驗(yàn)過程中是可選的任務(wù),實(shí)驗(yàn)人員可以根據(jù)需要裁剪。實(shí)例化后組件模型需加入到組件對象數(shù)據(jù)庫中并發(fā)布,供裝備實(shí)體模型組裝使用。

6) 組裝復(fù)合模型

根據(jù)實(shí)際裝備和仿真實(shí)驗(yàn)需要,選擇相應(yīng)的組件模型進(jìn)行組裝,并定義配置信息,從而生成所需的裝備實(shí)體模型,組裝好的實(shí)體模型仍然需要發(fā)布到裝備實(shí)體模型數(shù)據(jù)庫中。

5 結(jié)語

無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為無人機(jī)裝備運(yùn)用問題研究提供了重要技術(shù)手段。模型系統(tǒng)是其重要組成部分,為進(jìn)一步提高系統(tǒng)擴(kuò)展與重用性能、減少模型開發(fā)工作量、避免低水平重復(fù)建設(shè),在模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)時引入組件化建摸技術(shù)具有重大意義,規(guī)范了模型的開發(fā),實(shí)現(xiàn)了模型的重用,有力推動無人機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ唾Y源的重用、共享和互操作。

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The Design of UAV Simulation Model System Based on Component Modeling Technology

HUANG Keming ZHANG Mingyi WANG Tao

(Army Officer Academy of PLA, Hefei 230031)

According to the practical needs of carrying out the UAV simulation experiments, using component technology, through the design of model system and system architecture, the paper constructs the UAV simulation experiments model system. The realization of the component interface and the model system is studied.

UAV, model, component, simulation experiment

2015年6月7日,

2015年7月26日

黃克明,男,博士研究生,講師,研究方向:無人機(jī)技術(shù)與作戰(zhàn)運(yùn)用。

TP391.92

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.024