航天發(fā)射訓(xùn)練體系的分級(jí)建模技術(shù)

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本文作者：劉黨輝、劉培杰、尹云霞、蘇永芝

航天仿真技術(shù)是隨著系統(tǒng)仿真理論和航天任務(wù)的需要而發(fā)展起來(lái)的一門新型技術(shù)［1］。“不進(jìn)行仿真試驗(yàn)就不允許進(jìn)靶場(chǎng)”已成為航天工作必須遵循的一條管理規(guī)定［2］。世界上主要的航天大國(guó)均已以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基本手段進(jìn)行空間環(huán)境條件下系統(tǒng)規(guī)劃、方案論證、設(shè)計(jì)研究、測(cè)控、維護(hù)救生以及航天發(fā)射指揮操作訓(xùn)練等方面的仿真研究。目前，我國(guó)各發(fā)射場(chǎng)也配有一些仿真訓(xùn)練系統(tǒng)［3－5］，訓(xùn)練的重點(diǎn)是掌握復(fù)雜的火箭測(cè)試發(fā)射理論和技術(shù)，但缺乏任務(wù)綜合訓(xùn)練功能。為此，需要開(kāi)發(fā)一套包括虛擬發(fā)射場(chǎng)景、組織指揮流程、突發(fā)應(yīng)急事件處置、導(dǎo)調(diào)控制、訓(xùn)練評(píng)估等功能的航天發(fā)射訓(xùn)練模擬系統(tǒng)，用于發(fā)射基地各級(jí)測(cè)試、發(fā)射、指揮、保障等人員任務(wù)前的綜合訓(xùn)練。本文主要針對(duì)航天發(fā)射仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的建模問(wèn)題，分析了任務(wù)級(jí)、過(guò)程級(jí)和實(shí)體級(jí)的建模要求，給出了具體的建模方法，解決了基于模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)管理與控制，提高了系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。

1航天發(fā)射仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的建模要求

根據(jù)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)功能要求，將系統(tǒng)模型劃分為3個(gè)層次，即任務(wù)級(jí)、過(guò)程級(jí)和實(shí)體級(jí)模型，如圖1所示。每級(jí)模型能解決不同層次的問(wèn)題，有著不同的建模要求。

1．1任務(wù)級(jí)建模要求

航天發(fā)射仿真訓(xùn)練系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、可靈活配置的系統(tǒng)，每次訓(xùn)練前需要配置如下信息：訓(xùn)練目標(biāo)、訓(xùn)練階段、具體訓(xùn)練項(xiàng)目、參訓(xùn)人員、參訓(xùn)系統(tǒng)、參訓(xùn)設(shè)施、參訓(xùn)設(shè)備、訓(xùn)練環(huán)境、訓(xùn)練流程、評(píng)估指標(biāo)、故障類型、突發(fā)事件等，并描述各信息之間的相互關(guān)系和制約因素。這些信息的描述屬于任務(wù)級(jí)，應(yīng)該按照一定的格式采用自然語(yǔ)言的方式進(jìn)行描述，這樣便于管理人員的理解、編輯和修改；同時(shí)，也便于系統(tǒng)其他軟件模塊讀取相應(yīng)的信息。任務(wù)級(jí)建模的表現(xiàn)形式就是1個(gè)或多個(gè)格式化的任務(wù)想定文件。

1．2過(guò)程級(jí)建模要求

航天發(fā)射的組織指揮工作貫穿于發(fā)射活動(dòng)的全過(guò)程中，并直接決定了發(fā)射活動(dòng)的進(jìn)程，因此，針對(duì)航天發(fā)射的各級(jí)測(cè)試、發(fā)射、指揮、保障人員的全系統(tǒng)綜合訓(xùn)練尤為重要。訓(xùn)練過(guò)程包括：以任務(wù)想定為依據(jù)，各級(jí)組織指揮結(jié)構(gòu)按計(jì)劃組織實(shí)施發(fā)射任務(wù)，包括從火箭、衛(wèi)星、飛船的進(jìn)場(chǎng)到卸車、各種測(cè)試及成功發(fā)射等全過(guò)程，提供各系統(tǒng)主要人員的崗位訓(xùn)練功能；通過(guò)導(dǎo)調(diào)控制，控制仿真進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)、分系統(tǒng)、以及全系統(tǒng)綜合訓(xùn)練；通過(guò)訓(xùn)練評(píng)估，對(duì)參訓(xùn)者業(yè)務(wù)能力、指揮能力、解決問(wèn)題能力等給出綜合評(píng)定。過(guò)程級(jí)建模要求過(guò)程模型能清楚描述各參試機(jī)構(gòu)人員、任務(wù)、設(shè)備、物資、環(huán)境、事件等之間的關(guān)系，甚至火箭、衛(wèi)星的復(fù)雜測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試流程以及故障排除和突發(fā)事件的處置過(guò)程等，能夠清晰描述各單元之間的靜態(tài)關(guān)系以及隨任務(wù)進(jìn)程發(fā)生變化的動(dòng)態(tài)關(guān)系。

1．3實(shí)體級(jí)建模要求

航天發(fā)射仿真訓(xùn)練系統(tǒng)涉及很多實(shí)體對(duì)象，包括人員、火箭、衛(wèi)星、塔架、設(shè)備、廠房、車輛、供電、倉(cāng)庫(kù)、雷達(dá)、電臺(tái)、指揮大廳、會(huì)議廳等實(shí)體以及地形、河流、橋梁、氣象、樹(shù)木、火災(zāi)、爆炸、推進(jìn)劑泄漏、敵特破壞等自然對(duì)象或特殊對(duì)象。不同實(shí)體對(duì)象有不同的幾何形狀、物理特性、運(yùn)動(dòng)特性和行為特性。由于在訓(xùn)練中對(duì)不同的實(shí)體對(duì)象關(guān)注點(diǎn)不一樣，為了降低建模的難度，一般針對(duì)訓(xùn)練內(nèi)容涉及的實(shí)體的特定形狀，物理、運(yùn)動(dòng)、行為等特征采用適當(dāng)?shù)慕７椒?，而?duì)僅僅用于輔助顯示的對(duì)象采用簡(jiǎn)單的幾何建?；蛑苯硬捎眉y理貼圖的方法。實(shí)體的物理特征（如質(zhì)量、慣性、硬度等）、運(yùn)動(dòng)特征（如位置、速度、碰撞等）、行為特征（如電壓、電流、信號(hào)、狀態(tài)、控制等）一般需要采用數(shù)學(xué)模型的方式進(jìn)行描述，以便根據(jù)不同情況或輸入呈現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)和狀態(tài)。根據(jù)不同對(duì)象特點(diǎn)，數(shù)學(xué)模型可簡(jiǎn)可繁，以滿足訓(xùn)練要求為準(zhǔn)。

2多級(jí)建模方法

根據(jù)航天發(fā)射訓(xùn)練系統(tǒng)不同層次的建模要求，通過(guò)比較目前流行的一些建模軟件的不同特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，采用XML實(shí)現(xiàn)任務(wù)級(jí)建模，采用UML實(shí)現(xiàn)過(guò)程級(jí)建模，采用Creator、VegaPrime、MATLAB分別實(shí)現(xiàn)實(shí)體對(duì)象的幾何與運(yùn)動(dòng)、物理與行為的數(shù)學(xué)建模。

2．1基于XML的任務(wù)級(jí)建模

航天發(fā)射仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的任務(wù)級(jí)建模就是將訓(xùn)練任務(wù)想定文檔轉(zhuǎn)化為XML格式文檔，便于人和計(jì)算機(jī)的共同理解。建模的過(guò)程大致如下。

2．1．1分析任務(wù)想定要素

依據(jù)預(yù)先擬定的任務(wù)想定文檔，分析任務(wù)想定的基本要素和子要素、要素之間的聯(lián)系和約束、要素的不同表現(xiàn)形式、要素的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)特性等。要素分析盡可能全面，但也要精簡(jiǎn)，邏輯、類別和層次關(guān)系清晰，能夠涵蓋全部任務(wù)想定。對(duì)于航天發(fā)射仿真訓(xùn)練系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，任務(wù)想定一般包括任務(wù)背景、訓(xùn)練目標(biāo)、訓(xùn)練內(nèi)容、組織機(jī)構(gòu)、人員配置、裝備物資、場(chǎng)地環(huán)境等要素。對(duì)于任務(wù)基本信息，應(yīng)描述任務(wù)時(shí)間、地點(diǎn)、對(duì)象、目的等特性。對(duì)于裝備物資，應(yīng)描述裝備物資類別、屬性、功能、權(quán)限等特性。

2．1．2建立一套專用標(biāo)記符

為了便于理解XML格式的任務(wù)想定，除了采用系統(tǒng)定義的標(biāo)記符外，需要定義1套專用的標(biāo)記符。在信息轉(zhuǎn)化和處理的過(guò)程中，為了保證任務(wù)想定數(shù)據(jù)的規(guī)范性和正確性，需要采用XMLSchema進(jìn)行定義和規(guī)范。通過(guò)XMLSchema，每1個(gè)XML文件均可攜帶1個(gè)有關(guān)其自身格式的描述，不同開(kāi)發(fā)者可以使用約定的標(biāo)準(zhǔn)XMLSchema來(lái)交換數(shù)據(jù)。不同仿真平臺(tái)也可使用某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的XMLSchema來(lái)驗(yàn)證從外部接收到的數(shù)據(jù)。

2．1．3生成XML格式的任務(wù)想定

依據(jù)任務(wù)想定和標(biāo)記符直接編寫(xiě)XML格式的文檔仍然較為復(fù)雜，為此，采用VC＋＋開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的信息編輯界面，通過(guò)友好的圖像化界面提高錄入效率，然后由底層程序自動(dòng)生成XML格式的任務(wù)想定。MSXML4．0也提供了通過(guò)XSDSchema來(lái)校驗(yàn)XML文檔正確性的手段，因此可進(jìn)一步根據(jù)系統(tǒng)異常提示來(lái)修改完善文檔。裝備物資配置編輯界面如圖2所示，不僅可以對(duì)裝備物資進(jìn)行增刪節(jié)點(diǎn)、修改屬性等操作，還能添加擁有調(diào)派權(quán)限的人員和組織關(guān)聯(lián)。擁有權(quán)限的人員可以在訓(xùn)練系統(tǒng)中對(duì)該裝備物資進(jìn)行調(diào)派，對(duì)于擁有權(quán)限的組織，所有該組織的下屬人員都具有調(diào)派該裝備物資的權(quán)限，具體權(quán)限控制在訓(xùn)練系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，任務(wù)想定子系統(tǒng)只對(duì)其進(jìn)行配置。XML格式的任務(wù)想定如圖3所示。

2．1．4解析XML格式的任務(wù)想定

為了和其他模型交換數(shù)據(jù)，或者直接提取任務(wù)想定中的信息，還需要解析XML文件。微軟提供的組件MSXMLDOM是MicrosoftXML的解析器，提供了豐富的接口，方便在程序中操作XML文檔。DOM可對(duì)結(jié)構(gòu)化的XML文檔進(jìn)行解析，文檔中的指令、元素、實(shí)體、屬性等所有內(nèi)容個(gè)體都用對(duì)象模型表示，整個(gè)文檔被看成是一個(gè)結(jié)構(gòu)信息樹(shù)，而不是簡(jiǎn)單的文本流，生成的對(duì)象模型就是樹(shù)的節(jié)點(diǎn)，對(duì)象同時(shí)包含了方法和屬性?；贒OM組件對(duì)XML想定文件進(jìn)行解析，需要設(shè)計(jì)一個(gè)XML類來(lái)完成針對(duì)XML的各種操作。

2．2基于UML的過(guò)程級(jí)建模

UML（UnifiedModelingLanguage，統(tǒng)一建模語(yǔ)言）是一種面向?qū)ο蟮?、直觀的、功能強(qiáng)大的、可視化的建模語(yǔ)言［6］，已成為建模語(yǔ)言事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)用UML語(yǔ)言來(lái)建立過(guò)程級(jí)模型已得到廣泛應(yīng)用［7－9］。建模過(guò)程大致如下。

2．2．1分析過(guò)程建模要素

航天發(fā)射訓(xùn)練系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程大致如下：根據(jù)訓(xùn)練要求，生成任務(wù)想定模型，存入服務(wù)器端任務(wù)想定數(shù)據(jù)庫(kù)；導(dǎo)演組依據(jù)訓(xùn)練科目和訓(xùn)練內(nèi)容，通過(guò)導(dǎo)調(diào)文書(shū)和實(shí)時(shí)干預(yù)控制仿真訓(xùn)練過(guò)程，相關(guān)信息保存到服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)；各客戶端參訓(xùn)人員接收導(dǎo)調(diào)文書(shū)，按照各自職責(zé)執(zhí)行訓(xùn)練科目或處置突發(fā)事件，并報(bào)告情況；評(píng)判組根據(jù)參訓(xùn)人員完成任務(wù)情況和評(píng)分指標(biāo)對(duì)訓(xùn)練人員進(jìn)行考核；服務(wù)器對(duì)演練過(guò)程中產(chǎn)生的所有信息進(jìn)行記錄，供訓(xùn)練后分析使用。因此，需要采用多種適當(dāng)形式的構(gòu)圖實(shí)現(xiàn)過(guò)程建模。

2．2．2選擇適當(dāng)建模機(jī)制

采用UML實(shí)現(xiàn)航天發(fā)射仿真訓(xùn)練過(guò)程建模，包括訓(xùn)練機(jī)構(gòu)、訓(xùn)練流程、訓(xùn)練科目、考評(píng)、導(dǎo)控等環(huán)節(jié)及相互關(guān)系，需要采用不同的UML構(gòu)圖進(jìn)行建模。對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)模型，采用UML提供的用例圖、類圖（包括包圖）、對(duì)象圖、構(gòu)件圖和配置圖等靜態(tài)建模方法；對(duì)于系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)的時(shí)序狀態(tài)或交互關(guān)系模型，采用狀態(tài)圖、活動(dòng)圖、序列圖和合作圖等動(dòng)態(tài)建模方法。以航天發(fā)射中控制分系統(tǒng)與遙測(cè)分系統(tǒng)的匹配測(cè)試為例，對(duì)匹配測(cè)試組織指揮過(guò)程進(jìn)行建模。控制分系統(tǒng)與遙測(cè)分系統(tǒng)匹配測(cè)試的主要內(nèi)容有：箭機(jī)數(shù)字量特征碼匹配檢查；耗盡關(guān)機(jī)信號(hào)匹配檢查；模擬量起始電平、極性及加速度表脈沖數(shù)匹配檢查。與仿真訓(xùn)練系統(tǒng)測(cè)試有關(guān)的參訓(xùn)人員包括01指揮員、控制系統(tǒng)指揮、遙測(cè)系統(tǒng)指揮等。采用UML建立的匹配測(cè)試組織指揮過(guò)程序列圖如圖4所示。

2．2．3自動(dòng)生成框架代碼

依據(jù)建立的UML模型，運(yùn)用StarUML能自動(dòng)生成程序中大部分重要的框架代碼（可以依據(jù)模型生成Java、C＋＋、C代碼），然后在此基礎(chǔ)上添加一些UML模型中未描述的細(xì)節(jié)信息，這樣能有效地減少代碼編寫(xiě)的工作量。例如，在UML提供的各種圖中，類圖是最基本、最重要也是最常使用的一種圖，它描述了各個(gè)類所具有的屬性和方法、各個(gè)類之間存在的關(guān)系（泛化、關(guān)聯(lián)、聚合、組合和依賴關(guān)系等）以及其上的約束。SartUML生成的C＋＋類中，一般由成員變量集合、成員函數(shù)聲明集合、可見(jiàn)性與類名等4部分組成。但是，UML類圖對(duì)于有些細(xì)節(jié)無(wú)法說(shuō)明，需要編程人員手動(dòng)添加，這包括函數(shù)的具體功能實(shí)現(xiàn)以及部分定義。為了實(shí)現(xiàn)從一個(gè)類中派生出新的類，可通過(guò)向泛化類中增添新的信息或?qū)ζ溥M(jìn)行修改而得到特化類［10］，UML類圖中的泛化關(guān)系可以無(wú)差錯(cuò)地映射為代碼中的繼承關(guān)系。

2．3基于VC＋＋嵌入模塊的混合實(shí)體級(jí)建模

為了營(yíng)造真實(shí)的航天發(fā)射過(guò)程和感受，仿真訓(xùn)練系統(tǒng)提供了豐富的可視化仿真環(huán)境，需要對(duì)大量實(shí)體進(jìn)行建模，包括對(duì)象的幾何、物理、運(yùn)動(dòng)和行為級(jí)建模。由于系統(tǒng)主要基于VC＋＋平臺(tái)開(kāi)發(fā)，實(shí)體級(jí)建模軟件最好與VC＋＋具有方便的接口，便于系統(tǒng)功能的集成。通過(guò)對(duì)比分析，對(duì)于實(shí)體的幾何和運(yùn)動(dòng)模型，采用Creator和VegaPrime軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)；對(duì)于物理和行為模型，采用MATLAB軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2．3．1實(shí)體的幾何與運(yùn)動(dòng)特性建模

目前，常用的三維建模軟件很多，如3DMaxStudio、Lightwave3D、MultiGenCreator、Maya、Softimage、Houdinl等。其中，MultiGenCreator針對(duì)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)需求，能夠在滿足實(shí)時(shí)性的前提下生成面向仿真的、逼真性好的實(shí)體級(jí)模型和大型場(chǎng)景模型，已廣泛用于實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)之中。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)仿真對(duì)象的渲染和運(yùn)動(dòng)控制，常用的軟件包括OpenGVS、OpenGLperformer、VegaPrime、Vtree、WorldToolKit、WorldUP、Realimation、3DLinX、Openlnventor等。其中，VegaPrime是目前國(guó)內(nèi)最常用的虛擬現(xiàn)實(shí)視景驅(qū)動(dòng)軟件之一，它是一個(gè)能滿足大多數(shù)視景仿真要求的開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，具有豐富的VC＋＋接口，并且容易實(shí)現(xiàn)大量的場(chǎng)景特效。因此，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用MultiGenCreator進(jìn)行三維建模，運(yùn)用VegaPrime進(jìn)行實(shí)體對(duì)象運(yùn)動(dòng)控制或雨雪云霧等一些特效的制作，并使用VC＋＋進(jìn)行仿真程序的管理和集成，從而能夠迅速創(chuàng)建實(shí)時(shí)交互式三維視景系統(tǒng)。圖5給出了一個(gè)火災(zāi)搶救的仿真場(chǎng)景，圖6給出了一個(gè)火箭發(fā)射起飛仿真場(chǎng)景。

2．3．2實(shí)體的物理和行為特性建模

MATLAB／Simulink具有簡(jiǎn)潔的編程語(yǔ)言、強(qiáng)大的計(jì)算功能、直觀的可視化仿真結(jié)果和靈活的接口，非常適合對(duì)各種復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行仿真和開(kāi)展相關(guān)研究。采用MATLAB／Simulink能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析，可以處理線性和非線性系統(tǒng)，離散、連續(xù)和混合系統(tǒng)，以及單任務(wù)和多任務(wù)系統(tǒng)，并在同一系統(tǒng)中支持不同的變化速率。MAT－LAB／Simulink具有FORTRAN、C／C＋＋程序的外部接口。航天發(fā)射仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的不同實(shí)體具有不同的物理或行為特征，如火箭的發(fā)射飛行過(guò)程的動(dòng)態(tài)仿真，除了火箭的幾何模型，也需要建立火箭的運(yùn)動(dòng)方程模型，甚至包括火箭飛行各階段中主要控制指令與飛行狀態(tài)之間的關(guān)系。采用MATLAB／Simulink對(duì)火箭的飛行特性建模，仿真結(jié)果如圖7所示。圖7a中，曲線1、曲線2、曲線3分別表示慣性坐標(biāo)軸x、y、z方向的速度；圖7b中，曲線1、曲線2、曲線3分別表示慣性坐標(biāo)軸x、y、z方向的位移。

3結(jié)語(yǔ)

依據(jù)航天發(fā)射仿真訓(xùn)練系統(tǒng)總體功能要求，分析了系統(tǒng)的模型體系構(gòu)成，從任務(wù)級(jí)、過(guò)程級(jí)、實(shí)體級(jí)3個(gè)層次分析了各自的建模要求，并分別采用XML、UML以及Creator、VegaPrime、MATLAB等軟件解決了實(shí)際建模問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了基于模型驅(qū)動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真，大大提高了仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的靈活性、擴(kuò)展性、可視性和人機(jī)交互性，為教學(xué)和訓(xùn)練提供了一個(gè)良好的仿真訓(xùn)練平臺(tái)。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的智能化程度，擬進(jìn)一步引入人工智能推理模型，增強(qiáng)某些環(huán)節(jié)人機(jī)交互的智能化程度。