CN102364488B - 一种合成环境模拟平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合成环境模拟平台，用于在虚拟试验过程中为虚拟试验对象提供环境数据，包括：基础环境数据库、场景想定环境数据库、运行环境数据库、场景想定数据生成模块、运行环境数据生成模块、环境耦合模块。采用本发明实现了虚拟试验对象与合成环境模型相互作用的计算。

Description

一种合成环境模拟平台

技术领域

本发明涉及一种合成环境模拟平台。

背景技术

虚拟试验验证过程与试验环境有着密切的关系，试验环境会对整个试验过程和结果产生重要影响，特别是在多系统综合试验条件下，多个系统和多种试验环境的相互作用更加明显。在虚拟试验过程中，需要通过对环境进行通用、准确、全面、权威的模型描述和相应的表示，并以此为基础构建标准的合成环境数据库，从而实现试验对象和试验环境相互耦合。合成环境涉及的对象，包括自然环境(大气、地形、电磁和红外)和试验对象的各类实体，需要综合考虑试验验证应用对环境数据的交互性以及实时性的不同要求。试验对象和试验环境的耦合方式种类繁多，往往需要读取大量环境数据，并根据环境数据进行大量计算，甚至产生大量新的环境数据，这对虚拟试验的实时性保障提出了挑战。以往的合成环境数据库不是部署在专用平台上，浮点运算能力、网络带宽并不充裕，只能够满足非实时仿真等需求。即使将合成环境数据库部署为内存数据库，往往也只能满足本机的实时海量数据访问，难以实现网络化虚拟试验过程的实时海量数据访问需求。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对现有技术的不足，提供了一种合成环境模拟平台，从而实现了虚拟试验对象与合成环境模型相互作用的计算。

本发明的技术解决方案是：

一种合成环境模拟平台，用于在虚拟试验过程中为虚拟试验对象提供环境数据，包括：基础环境数据库、场景想定环境数据库、运行环境数据库、场景想定数据生成模块、运行环境数据生成模块、环境耦合模块，

所述基础环境数据库，包含标准化的环境数据信息，并与场景想定数据库生成模块相连；

所述场景想定数据生成模块，用于在虚拟试验过程的开始阶段，根据虚拟试验想定读取基础环境数据库中与虚拟试验对象的运行有关的环境数据信息，并对将读取的环境数据信息输出到场景想定数据库，所述虚拟试验想定描述虚拟实验过程中虚拟试验对象的部署方式、部署位置、运行时序、运动轨迹、活动范围和运行方案的设计；

运行环境数据生成模块，使用BerkleyDB或ExtremeDB软件将场景想定数据库的中用于进行环境耦合的场景想定数据读出，将读出的场景想定数据作为运行环境数据组成运行环境数据库并存储于内存中；

所述环境耦合模块，对运行环境数据库中的运行环境数据进行调用，根据虚拟实验对象对运行环境数据进行计算，将获得的交互结果输出到虚拟实验对象。

所述基础环境数据库，根据虚拟实验过程中环境数据的需求选取环境数据信息，并存储于硬盘驱动器中，所述环境数据信息包括标准化的地形信息、大气信息、水文信息、地磁信息、RCS信息、红外特性信息、道路拓扑信息、重力场信息；

存储有基础环境数据库的硬盘驱动器在虚拟试验开始前加载到所述合成环境模拟平台上，并于虚拟试验结束后从所述合成环境模拟平台上卸载。

所述运行环境数据生成模块，将提取出的场景想定数据进行分类，并按照类型将场景想定数据封装为类，存储于运行环境数据库中。

所述环境耦合模块集包括：受力计算模块、传输计算模块、成像计算模块和单点查询模块。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

采用本发明可以将虚拟试验对象和合成环境模型之间的海量环境数据交互在合成环境模拟平台上完成，交互结果输出给虚拟试验对象，解决了合成环境模型与虚拟试验对象之间交互过程中，数据交换量大、计算量大，难以保证实时性的问题。合成环境模拟平台的操作系统(linux或windows)、场景想定环境数据库、运行环境数据库安装在随机易失存储介质上，解决了环境数据保密问题。更加具体的优点表现如下：

(1)本发明将环境耦合计算和基础环境数据库部署到同一个合成环境模拟平台之上，消除了环境耦合计算中，虚拟试验对象对环境数据海量读写对虚拟试验网络造成的压力。

(2)本发明利用环境耦合模块对运行环境数据进行运算，如在实施例中，利用GPU作为环境耦合模块并分别实现受力计算、传输计算和成像计算，从而解决了环境耦合海量计算和虚拟试验实时性的矛盾。

(3)本发明根据虚拟试验需求加载或卸载基础环境数据库，具备保密性能。地形、水文等可能涉密的基础环境数据存放在可拔插硬盘驱动器上，在整个虚拟试验过程中，数据直接和合成环境模拟平台之外的对象交互。虚拟试验结束后，移除存有基础环境数据的硬盘驱动器，由于合成环境模拟平台不含有非易失性存储介质，不会有任何基础环境数据残留在虚拟试验网络上。

(4)运行环境数据库生成模块根据将场景想定数据库的中用于进行环境耦合的场景想定数据读出并存储于内存中，从而在内存中构建了运行环境数据库，可以实现对运行环境数据的快速存取。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为本发明实施例图。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

如图1所示，为本发明示意图。包括基础环境数据库、场景想定环境数据库、运行环境数据库、场景想定数据生成模块、运行环境数据生成模块、环境耦合模块。

基础环境数据库用于在虚拟试验过程中生成场景想定数据库。构成基础环境数据库的环境数据信息由第三方提供，并根据具体的虚拟实验过程中对环境数据的需求选取，环境数据信息包括标准化的地形信息、大气信息、水文信息、地磁信息、RCS信息(Radar Cross-Section，雷达发射截面)、红外特性信息、道路拓扑信息、重力场信息。选取好的基础环境数据按照数据来源分类，封装成不同的环境数据文件，分别储存于特定的硬盘驱动器上，并在虚拟实验开始前加载到合成环境模拟平台上。

场景想定环境数据库是由基础环境数据库中的环境数据信息根据虚拟试验想定选取后生成的。虚拟试验想定是描述虚拟实验过程中虚拟试验对象的部署方式、部署位置、运行时序、运动轨迹、活动范围和运行方案的设计。例如一个关于导弹发射的想定需要包含导弹的型号、番号、发射点、发射时刻、预定弹道等信息。

运行环境数据库是由存储于内存中用于进行环境耦合运算的场景想定数据构成。使用BerkleyDB或ExtremeDB等数据库软件将场景想定数据库中需要进行环境耦合运算的场景想定数据提取后转存到内存，从而构成运行环境数据库。

场景想定数据生成模块与加载有基础环境数据库的硬盘驱动器相接口，根据虚拟试验想定从基础环境数据库中提取基础环境数据构成场景想定数据库。

根据虚拟试验想定中的具体规定，确定每一个虚拟试验对象的所需要的环境数据的空间范围和时间范围。所属空间范围是指与虚拟试验对象在虚拟试验过程中发挥作用或者进行活动相关的空间范围；所述时间范围是该虚拟试验对象在整个虚拟试验过程中发挥作用或者进行活动的时间区间。具体方法如下：

第一步，根据想定文件确定参与虚拟试验的所有对象，根据对象特点分为有确定活动范围对象和无确定活动范围对象两种。对于有确定活动范围的对象，根据其活动范围确定其所需的环境数据的空间范围和时间范围。例如对于一个没有任何传感器的炮弹，其所需的大气环境数据的空间范围即是其弹道所经过的范围，时间范围即是其从发射到落地的时间区间。对于没有确定活动范围的对象，则根据其最大活动范围确定其所需的环境数据的空间范围和时间范围。例如对于一个发射方向不确定，发射时间不确定的炮弹，其所需的大气环境数据的空间范围是其射程所覆盖的全部区域，时间范围即是从虚拟试验开始到结束的时间区间。

第二步，将全部虚拟试验对象所需的环境数据的空间范围和时间范围进行布尔运算求合集，得到整个虚拟试验过程所需要的基础环境数据的空间范围和时间范围，从而进行基础环境数据的提取，生成场景想定数据。

运行环境数据生成模块与场景想定数据库相接口，其功能与场景想定数据生成模块相类似，从场景想定环境数据库中提取场景想定数据生成运算环境数据并转存到内存中构造运行环境数据库。

环境耦合模块对运行环境数据库中的运行环境数据进行调用，根据虚拟实验对象对运行环境数据进行计算，包括受力计算模块、传输计算模块、成像计算模块和单点查询模块。单点查询模块根据虚拟试验对象在虚拟试验过程中提出的请求，向虚拟试验对象发出某一时刻某一位置的特定环境数据。受力计算模块通过基于有限元计算方法计算虚拟试验对象在虚拟试验过程中的受力情况；传输计算模块通过光线跟踪算法计算电磁波在大气或其它介质中的传播过程；成像计算模块通过基于GPU的SAR成像算法，根据合成环境数据中的RCS数据计算SAR成像结果。并将获得的交互结果输出到虚拟实验对象。

如图2所示为本发明实施例图。本发明的合成环境模拟平台采用硬件平台进行部署。硬件系统包含实现环境耦合模块的GPU运算器、存储生成的场景想定数据库和操作系统的RAMdisk阵列、连接基础环境数据库硬盘驱动器的插槽、光驱等，不含固定的硬盘驱动器。RAMDisk阵列是一种是用随机存储器制造的随机存储装置，通过sata接口和计算机相连。

在GPU运算器上，采用模块分别实现环境耦合模块中的各计算模块，利用各计算模块并行算法计算虚拟试验对象与环境模型相互作用的一系列计算程序模块，包括气动、动态地形交互、红外传输、电磁传输等功能模块。输入为虚拟试验对象的位置、姿态等轻量化数据；输出为虚拟试验对象和环境模型的交互结果，如红外传感器接收到的光谱分布、飞行器的升力、阻力、滚转力矩等轻量化数据。在计算过程中，和运行环境数据库进行数据交换，利用GPU进行并行计算。

本发明分为准备阶段和运行阶段两个个部分。

在准备阶段：首先根据虚拟试验的具体需求安装含有标准化基础环境数据库的硬盘驱动器。然后从光驱把操作系统载入到RAMdisk阵列上。最后根据虚拟试验想定确定对应的基础环境数据的空间范围和时间范围，用只读的方式读取基础环境数据库，生成场景想定环境数据库，储存在RAMdisk阵列上。针对场景想定环境数据库再使用BerkeleyDB等内存数据库管理软生成运行环境数据库，并转存到内存中完成虚拟试验准备。

在运行阶段，虚拟试验对象按照虚拟试验想定中规定的环境耦合需求，与合成环境模拟平台建立连接，合成环境模拟平台收到计算环境耦合的请求和所需要的信息后，并分发给环境耦合集中的各个环境耦合模块，环境耦合模块调用运行环境数据库中的运行环境数据，通过GPU并行计算的方式进行环境耦合计算，计算出SAR回波仿真、空气动力学受力等。例如，若计算SAR回波仿真，则从运行环境数据库中读取SAR视场内大气环境电磁参数、地面RCS特性参数和地面地形参数，调用GPU进行SAR回波仿真计算。若计算空气动力学受力，则需从运行环境数据库中读取该虚拟试验对象在该时刻(需要被计算的时刻)该位置的大气环境数据，包含气压、粘滞系数、温度等大气参数，将相应值赋给空气动力学计算模型网格的边界，调用GPU进行空气动力学有限元计算，将计算后的交互结果返回给虚拟试验对象。

在虚拟试验过程结束之后，取出合成环境模拟平台中，存放有基础环境数据库的硬盘驱动器。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (4)

1.一种合成环境模拟平台，用于在虚拟试验过程中为虚拟试验对象提供环境数据，其特征在于包括：基础环境数据库、场景想定环境数据库、运行环境数据库、场景想定数据生成模块、运行环境数据生成模块、环境耦合模块，

所述基础环境数据库，包含标准化的环境数据信息，并与场景想定数据库生成模块相连；

所述场景想定数据生成模块，用于在虚拟试验过程的开始阶段，根据虚拟试验想定读取基础环境数据库中与虚拟试验对象的运行有关的环境数据信息，并对将读取的环境数据信息输出到场景想定数据库，所述虚拟试验想定描述虚拟实验过程中虚拟试验对象的部署方式、部署位置、运行时序、运动轨迹、活动范围和运行方案的设计；

运行环境数据生成模块，使用BerkleyDB或ExtremeDB软件将场景想定数据库中的用于进行环境耦合的场景想定数据读出，将读出的场景想定数据作为运行环境数据组成运行环境数据库并存储于内存中；

所述环境耦合模块，对运行环境数据库中的运行环境数据进行调用，根据虚拟实验对象对运行环境数据进行计算，将获得的交互结果输出到虚拟实验对象。

2.根据权利要求1所述的一种合成环境模拟平台，其特征在于：所述基础环境数据库，根据虚拟实验过程中环境数据的需求选取环境数据信息，并存储于硬盘驱动器中，所述环境数据信息包括标准化的地形信息、大气信息、水文信息、地磁信息、RCS信息、红外特性信息、道路拓扑信息、重力场信息；

存储有基础环境数据库的硬盘驱动器在虚拟试验开始前加载到所述合成环境模拟平台上，并于虚拟试验结束后从所述合成环境模拟平台上卸载。

3.根据权利要求1所述的一种合成环境模拟平台，其特征在于：所述运行环境数据生成模块，将提取出的场景想定数据进行分类，并按照类型将场景想定数据封装为类，存储于运行环境数据库中。

4.根据权利要求1所述的一种合成环境模拟平台，其特征在于：所述环境耦合模块包括：受力计算模块、传输计算模块、成像计算模块和单点查询模块。

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