CN107832551A - 一种面向航天装备的组件化体系仿真系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种面向航天装备的组件化体系仿真系统及方法。系统包括模型编辑模块、仿真想定编辑模块、仿真运行模块和数据采集模块;模型编辑模块生成仿真模型或组件模型的基本代码框架,以及仿真模型资源库;仿真想定编辑模块以遍历的方式读取仿真模型资源库,提供创建仿真想定的功能,编辑和设置模型以及仿真想定的信息,保存为想定文件;仿真运行模块以遍历的方式读取本地指定路径下的想定文件,仿真开始运行后,发布周期性的仿真推进消息,完成仿真流程;数据采集模块用于在线获取仿真数据,并按照要求存储至数据库中,为模型的学习优化、仿真数据评估工作提供支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种面向航天装备的组件化体系仿真系统,属于体系对抗仿真领域领域。
背景技术
随着国家对于体系化作战的重视,军方对于航天装备的体系化、实战化能力提出了迫切要求。体系对抗仿真技术是推动各类装备体系化论证和研制的有效手段。目前,国内各军兵种、工业部门及高校均开展了广泛的体系对抗仿真研究与探索,但针对航天领域的体系化对抗仿真尚处于起步阶段。目前的研究现状存在如下局限性。一、采用仿真建模系统采用整体建模的思路,仿真模型的功能模块之间存在大量的重复和冗余,不利于专业知识成果的复用与组织管理;而采用组件化建模思想的建模工具克服了整体建模的弊端,但仍然存在组件划分方式与航天装备应用领域不相匹配的问题。其组件划分采用装备研制视角,将模拟对象划分为一系列子系统,而未采用作战用户视角进行组件化划分;二、仿真建模方法均为采用人工智能技术,在模型建模完成后便不再完善,缺乏利用仿真过程和结果数据进行自我学习和完善的能力,并无法正确和深入描述体系作战的过程。
体系对抗仿真建模的发展方向是可装配,重复使用已经配置完成的组件,根据需求对参数进行设置,对模型进行灵活装配,并利用人工智能相关技术不断优化,形成航天装备体系对抗仿真模型体系,构建面向航天装备的组件化体系仿真系统。
发明内容
本发明解决的技术问题是:克服现有技术的不足,提出了一种面向航天装备的组件化体系仿真系统及方法,有效提高航天装备相关专业仿真模型的专业性与复用性,也有利于提高仿真对于型号需求的响应速度。
本发明的技术方案是:一种面向航天装备的组件化体系仿真系统,包括模型编辑模块、仿真想定编辑模块、仿真运行模块和数据采集模块;
模型编辑模块生成仿真模型或组件模型的基本代码框架,以及仿真模型资源库;
仿真想定编辑模块以遍历的方式读取仿真模型资源库,提供创建仿真想定的功能,编辑和设置模型以及仿真想定的信息,保存为想定文件;
仿真运行模块以遍历的方式读取本地指定路径下的想定文件,仿真开始运行后,发布周期性的仿真推进消息,完成仿真流程;
数据采集模块用于在线获取仿真数据,并按照要求存储至数据库中,为模型的学习优化、仿真数据评估工作提供支撑。
所述模型编辑模块包括建模子模块和模型装配子模块;建模子模块负责通过使用或集成面向航天装备的组件化模型体系中的基类,生成仿真模型或组件模型的基本代码框架;模型装配子模块根据模型或其基类模型的属性信息,选择已有的实体模型和组件模型,通过可视化界面对其参数化,生成实例化后的实体。
所述仿真想定编辑模块提供新建想定、打开想定、保存想定、设置想定名称、想定仿真步长、想定开始/结束时间的功能;遍历仿真模型资源库库,获取可同于仿真想定编辑的所有模型,将模型部署到指定位置,通过编辑页面为模型设置属性,包括名称、所属方信息;最终形成的想定文件作为仿真运行模块的输入条件。
所述仿真运行模块完成仿真想定的初始化和运行工作;仿真想定初始化时读取想定文件,从文件中识别仿真开始时间,仿真步长,仿真结束时间以及参与仿真的模型类型和参数,根据模型类型和参数,由仿真模型资源库中以相应的参数实例化模型,并保存每个模型的指针形成模型指针列表;初始化完毕后开始仿真运行,通过模型指针列表调用模型执行推进。
所述数据采集服务模块用于仿真在线数据采集以及目标特征库的更新工作;数据采集服务模块与仿真运行模块时在后台运行,在每个仿真步长内通过遍历的形式访问每个仿真模型并采集其数据,保存至数据库中;在仿真结束后,追加本次仿真中新的目标特征类数据至目标特征库中,作为后续仿真工作的先验信息。
一种利用上述面向航天装备的组件化体系仿真系统进行仿真的方法,步骤如下:
1)根据系统提供的体系仿真建模体系和建模子模块完成建模和模型装配工作;
2)装配形成仿真模型资源库;
3)完成想定设计形成仿真想定文件;
4)读取仿真想定文件并加载仿真模型,开始仿真运行;
5)在仿真运行期间获取模型数据并存储至数据库,在仿真结束后更新目标特征数据库;
6)目标特征数据库供仿真模型在后续仿真中使用。
本发明与现有技术相比的优点在于:
根据体系仿真的实际需要,针对目前国内航天装备组件化建模的不足,建立面向航天装备的组件化体系仿真模型体系,并且开发形成了面向航天装备的组件化体系仿真系统。
1、在型号的具体应用中,完成了由面向装备研制的仿真体系向面向体系对抗的仿真建模体系的转变,基于面向航天装备的组件化体系仿真建模方法的设计理念和思想,经过实践,形成了大量可拓展、可装配的仿真模型和仿真组件,组件和模型达到了“即插即用”的预期效果,即可以继续在现有模型的基础上扩展和重用,又能够快速构建航天装备体系对抗仿真。
2、基于大数据与人工智能技术的机器学习模块,使部分仿真模型可以利用仿真历史数据进行学习强化,形成了建模、仿真、学习的闭环回路,提升了模型的智能化水平。
面向航天装备的组件化体系仿真系统的研究、实现及应用,在各航天装备的研制和立项工作中展开了应用。该系统的研究与应用为航天装备的体系对抗仿真提供了一个快速、稳定、可靠以及可扩展的环境,为大规模,多粒度,可扩展的航天装备的体系仿真系统,满足了体系仿真多样性,多变性,协同性和重构性的特点和要求,不断支撑着航天装备的体系仿真与评估,为航天装备的立项和研制做出贡献。为基于仿真数据统计评估的体系贡献率计算的研究奠定了基础,对于缩短建模试验周期、提高仿真试验的效率和质量具有重要意义。
附图说明
图1系统总体运行流程闭环回路图;
图2航天装备体系对抗仿真模型要素;
图3面向航天装备的组件化体系仿真系统功能模块图;
图4航天武器装备组件化建模划分图;
图5预警探测装备组件化建模划分图;
图6指挥控制模型组件化建模划分图;
图7航天装备组件化建模框架;
图8传感器组件工作流程图;
图9发射任务组件工作流程图;
图10拦截任务组件工作流程图;
图11实体释放任务组件工作流程图;
图12仿真运行模块工作流程图;
图13数据采集模块工作流程图。
具体实施方式
由于工业部门需要完成从交付装备到交付战斗力的转变,亟需开展体系作战仿真,研究装备对于体系的贡献率。体系具有多样性,多变性,协同性和重构性的特点。由于开展真实体系对抗成本较高,因此,亟需通过仿真技术完成体系对抗仿真,通过开展大规模的仿真试验,并完成仿真数据统计和分析工作,支撑体系仿真的研究。这就要求仿真模型具备高度的通用性、可重复使用性和学习能力,在建模时利用面向对象的软件开发思想深度剖析、抽象和提取模型的共性与特点,采用统一的模型装配关系、仿真推进接口、数据收发与交互接口、数据采集接口,为体系仿真建模人员、体系仿真数据分析评估人员提供支持。研究面向航天装备的组件化体系仿真建模方法,并以此为基础形成仿真仿真系统,以此为基础指导体系仿真各项工作的开展,为体系对抗背景下的体系仿真分析和体系贡献度计算提供底层支持,支撑航天装备的立项和使用。本系统由模型编辑模块、仿真想定编辑模块、仿真运行模块和数据采集模块构成。如图2所示。
模型编辑模块提供了建模和装配两大功能,因此,又分为建模子模块和模型装配子模块,建模子模块负责通过使用或集成面向航天装备的组件化模型体系中的基类,生成仿真模型或组件模型的基本代码框架;模型装配子模块,能够根据模型或其基类模型的属性信息,选择已有的实体模型和组件模型,通过可视化界面对其参数化,生成实例化后的实体。
仿真想定编辑模块,以遍历的方式读取装配完成的模型和组件,形成仿真模型资源库。提供创建仿真想定的功能,并支持通过鼠标拖拽的方式将仿真模型拖动至地图中,编辑和设置模型以及仿真想定的信息,保存为(可拓展标记语言)XML格式想定文件。也可打开想定文件,对想定进行编辑。
仿真运行模块,以遍历的方式读取本地指定路径下的想定文件,供操作人员选择要运行的仿真想定。仿真开始运行后,发布周期性的仿真推进消息,完成仿真流程。
数据采集模块,在仿真运行过程中产生了大量仿真过程和结果数据,数据采集模块用于在线获取仿真数据,并按照要求存储至数据库或(可拓展标记语言)XML格式文件中。为模型的学习优化、仿真数据评估等工作提供支撑。
航天装备体系对抗仿真具备多样性,多变性,协同性和重构性的特点,红蓝双方互有攻防,攻防可分为预警探测阶段与反导拦截阶段,在两个阶段中参与的模型由航天武器装备模型、预警探测系统模型、指挥决策系统模型三个要素构成,这也是构成红蓝双方模型体系的要素。面向航天装备的组件化体系仿真建模方法旨在构建一套仿真建模体系,涵盖体系对抗仿真所有的内容和要素。
图3为根据航天装备体系仿真所包含的要素,但是,在传统的装备研制建模中,将航天装备按照所属分系统进行划分,航天装备体系对抗仿真中,关注点在于航天装备在体系中的对抗而非装备的研制,因此,传统基于装备研制的组件化并不适用于体系对抗仿真对于组件化的需求。航天装备体系对抗仿真的目的在于试验和验证装备在体系中所发挥的效能,对于模型建模的需求在于模型能够体现在其执行特定任务的能力,本发明通过研究体系仿真对于建模的需求,将模型与能力进行解耦,利用实体加组件加任务的建模形式,形成了基于装备研制建模视角向基于体系对抗仿真建模视角的转化。
如图4、5、6所示,描述了航天武器装备模型、预警探测装备模型和指挥控制模型由装备研制视角向装备作战视角的发展,重点在于关注点从装备的本身的性能向装备在作战中的效能的转变。航天武器装备被分为结构、测量、控制等分系统;预警探测系统分为信号发生器、信号接收器、信号处理器等分系统。这是从装备研制的角度出发对仿真模型进行的组件化划分。模型体系根据体系仿真需求,改变从原始装备研制的角度,而是从装备作战的角度对参与航天装备体系仿真的各类装备进行了抽象,形成了有效、规范可拓展的航天装备组件化建模仿真体系框架,设计了模型基类以及一系列实体模型和组件模型,并且所有实体模型和组件模型均继承自该基类。利用面向对象编程多态性的思想,在每级的基类中的关键函数添加virtual关键字,实现了模型框架的可扩展性。
根据图3中的航天装备体系对抗仿真模型要素,将参与体系对抗仿真的分型分为两大类。即实体模型和组件模型,其中,实体模型为参与仿真的基本元素,而实体又可以由多个实体或组件构成。根据航天装备体系对抗仿真模型要素以及实体和组件所对应的体系作战有图不同,组件模型分为传感器组件、通信组件、任务组件、运动组件和目标特性组件,可以涵盖实现航天装备体系对抗仿真模型的功能;实体可分为平台实体和武器实体,其中,武器实体可满足航天武器装备模型的需要;平台实体用于仿真雷达站、卫星、指挥所等仿真要素,通过搭载各类实体和组件,装配成为特定的模型,可以满足预警探测模型和指挥控制模型的需要。
模型体系如图7所示,所包括的模型有:
1)HYSimBaseModel类,为所有实体模型和组件模型的基类,包含的参数有模型的名称、ID等信息,提供了模型的注册、初始化和运行的接口,供子类调用和重写。
实体模型:
2)HYSimBaseEntity类,是所有实体模型的基类,继承自HYSimBaseModel。包含的参数有实体的所属方(红方、蓝方)、经纬高、方位角、位置和速度等信息,可以装配有机动组件和目标特性组件。提供了相关信息和组件的Get和Set函数接口,供子类调用和重写。
3)HYSimWeapon类,为所有武器实体模型的基类,继承自HYSimBaseEntity。包含的参数有打击目标句柄、发射单元句柄,并提供了模型的目标、发射单元的获取与设置函数,供子类调用和重写。
4)HYSimJammer类,为所有干扰机实体模型的基类,继承自HYSimBaseEntity。包含的参数有干扰开始时间、结束时间和干扰能力,并提供了相关参数的获取与设置函数,供子类调用和重写。
干扰机实体只能由航天装备实体在仿真过程中创建。干扰机实体也应装配机动组件,进行计算分离后自身的位置、速度、姿态。默认的干扰机实体只具有压制干扰能力,根据其配置单开始干扰时间、结束干扰时间。建模人员可以从HYJammer类派生新的目标特性组件,添加更多的约束条件以及更加复杂的算法。
5)HYSimEntity类,为所有平台实体模型的基类,继承自HYSimBaseEntity。它是通过装配的不同类型的任务以完成不同的使命,所以提供了添加任务和任务执行函数,供子类调用和重写。例如,发射车实体模型可使用平台实体模型。在该模型中需要通过其父类提供的函数配置发射车的经度、纬度、高度、方位角等信息。固定位置发射则不需要装配机动组件,如为机动发射则需装配发射车的机动模型。
6)HYSimMissile类,为所有航天装备实体模型的基类,继承自HYSimWeapon。包含的参数有最小射程、最大射程、机动组件句柄,任务列表、弹头列表和干扰机列表。并提供了相关参数的获取与设置函数以及任务执行函数,供子类调用和重写。
航天装备实体模型为武器实体,类型为HYSimMissile或其子类,装载于发射车实体。航天装备实体模型的装配有机动组件、目标特性组件、释放任务组件、弹头实体和干扰机实体。
7)HYSimWarHead类,为所有弹头实体模型的基类,继承自HYSimWeapon。包含的参数有杀伤范围、杀伤概率和传感器指针,并提供了相关参数的获取与设置函数,供子类调用和重写。
弹头实体类型为HYSimWeapon或其子类,只能由航天装备实体在仿真过程中创建,在创建时根据仿真计算结果,对其目标进行赋值。如果要进行末制导的仿真,可以为其装配传感器组件,调用传感器组件Detect()函数进行探测,以实现其探测目标的功能。弹头实体可以装配目标特性组件以仿真其目标特性。弹头实体也应装配机动组件,进行计算分离后自身的位置、速度、姿态。弹头实体在机动至目标后,调用Destory()函数,根据其毁伤概率毁伤目标。
建模人员可以从HYWarHead类派生新的目标特性组件,添加更多的约束条件以及更加复杂的算法。
组件模型:
8)HYSimBaseCompoment类,为所有组件模型的基类,继承自HYSimBaseModel。包含的参数有装备该组件的模型的指针,提供了相应模型操作的接口。
9)HYSimMotion类,为所有机动组件模型的基类,继承自HYSimBaseCompoment。包含的参数有最大速度和最小速度,并提供了相关参数的获取与设置函数,供子类调用和重写。
机动组件用于航天装备实体运动过程的计算仿真。在建模和使用时,航天装备运动相关的算法均需集成于该模型的机动组件,实体通过ControlCopmpoments()函数来调用机动组件。机动组件默认的最大速度和最小速度两个参数,当计算记过不满足时会自动销毁装载它的实体。
建模人员可以从HYSimMotion类派生新的机动组件,添加更多的约束条件以及更加复杂的算法。如发动机平均、装药量以及气动参数等条件,重写机动组件的ControlFromEntity()函数。
10)HYSimMission类,为所有任务组件模型的基类,继承自HYSimBaseCompoment。包含的参数有任务是否激活、任务优先级,任务开始时间和任务结束时间,并提供了相关参数的获取与设置函数,供子类调用和重写。
11)HYSimSensor类,为所有传感器组件模型的基类,继承自HYSimBaseCompoment,传感器组件是能够体现本系统具备人工智能特性的模型之一。包含的参数有探测距离,并提供了探测函数和相关参数的获取与设置函数,供子类调用和重写。传感器任务的基本流程如图8所示。
传感器组件在仿真过程中,调用其Detect()函数进行探测,遍历每个所有实体,通过实体的GetCharacterCom()函数获取其目标特性组件的雷达散射截面积(RCS)参数,通过计算是否能够探测到,实现其探测目标的功能,在能够探测到目标的基础上,传感器组件利用目标特性库中的特征训练得到的(K最邻近分类器)KNN分类器对目标特性进行分类,确定目标的在目标特征库中所属类别。建模人员可以从HYSimSensor类派生新的传感器组件,添加更精细的参数和更复杂的算法,实现自定义的传感器组件。
12)HYSimCommunication类,为所有通信组件模型的基类,继承自HYSimBaseCompoment。包含的参数有通信模型的列表和通信时延,并提供了相关参数的获取与设置函数,供子类调用和重写。
13)HYSimCharacterCompoment类,为所有目标特性组件模型的基类,继承自HYSimBaseCompoment,参数包含了装备该组件的模型的指针,提供了相应模型操作的接口。
默认的目标特性组件使用红外辐射强度以及雷达散射截面积(RCS)来描述。建模人员可以从HYSimCharacterCompoment类派生新的目标特性组件,添加更多的约束条件以及更加复杂的算法。如平均温度、有效辐射面积、角闪烁、极化散射矩阵.、一维距离像、二维成像、散射中心分布以及目标极点以及它们随时间的变化率来描述。
14)HYSimLaunchMission类,为所有发射任务组件模型的基类,继承自HYSimMission。包含的参数有目标指针和使用的武器的指针,并提供了发射函数以及相关参数的获取与设置函数,供子类调用和重写。
通过装配“发射任务”,可实现发射功能。在通过HYSimEntity提供的SetMissionArray()函数进行装配。在完成发射任务参数设置后,当发射时间满足后,先调用canLaunch()函数查询所用武器的射程以及自身与目标的距离,距离满足发射条件则调用发射函数Launch(),否则不执行发射函数Launch()。发射任务的基本流程如图9所示。
建模人员可以从HYSimLaunchMission类派生新的发射任务组件,添加更多的约束条件以及更加复杂的算法。
15)HYSimInterceptMission类,为所有拦截任务组件模型的基类,继承自HYSimMission,拦截任务组件模型是能够体现本系统具备人工智能特性的模型之一。包含的参数有所使用的拦截弹列表,系统以为内置的拦截弹模型添加了预置命中点以及强化学习的算法。子类也可调用和重写相关算法。
通过装配“拦截任务”,可实现发射功能。在通过HYSimEntity提供的SetMissionArray()函数进行装配。在实体模型完成拦截任务装配后,拦截任务会访问实体所装载的拦截弹类型,并获取拦截弹能力参数。在被分配拦截目标后,先调用canLaunch()函数,利用目标先验信息计算预置命中点,若计算得到预置命中点则执行发射函数Launch(),否则不执行发射函数Launch()。最后根据拦截结果更新目标先验信息。发射任务的基本流程如图9所示。
建模人员可以从HYSimInterceptMission类派生新的拦截任务组件,添加更多的约束条件以及更加复杂的算法。
16)HYSimReleaseMission类,为所有释放组件模型的基类,继承自HYSimMission。包含的参数有释放时间、释放速度、释放的角度、释放实体列表和目标列表,其工作流程为在释放时间以或航天装备机动组件实时计算结果或提前设置的释放相对速度、释放相对角度释放对应的实体并提供了释放函数以及相关参数的获取与设置函数,供子类调用和重写。释放组件任务的基本流程如图11所示。
仿真想定编辑模块,功能对想定的新建、打开、编辑、保存。通过对想定的有效管理,能提高想定的编辑效率,快速形成仿真想定格式为(可拓展标记语言)XML。仿真想定编辑是所有的仿真系统均具备的功能。在此不再赘述。
仿真运行模块,为想定的运行提供支撑环境。在本系统中,想定运行模块的工作流程如图12所示。其工作流程如下,首先选择要运行的想定文件,读取结构化的(可拓展标记语言)XML想定文件,获取想定基本信息(仿真开始时间、结束时间和仿真步长)并根据想定信息加载仿真模型,同时维护一个仿真模型指针列表。模型加载完毕后,遍历仿真模型指针列表,循环通过每个模型的指针调用其OneStepRun()函数,直至仿真结束,每个仿真步长结束后还要监测是否有模型的增减,并更新仿真模型指针列表。
数据采集模块是能够体现本系统具备人工智能特性的模块。传统的数据采集模块只完成了在线数据采集功能,本系统的数据采集模块还完成了目标特性(K最邻近分类器)KNN分类器的训练工作,如图13所示。在每次仿真结束后,根据每个目标的目标特性更新目标特性库,并重新训练得到(K最邻近分类器)KNN分类器,供下一次仿真时的传感器组件使用。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种面向航天装备的组件化体系仿真系统,其特征在于:包括模型编辑模块、仿真想定编辑模块、仿真运行模块和数据采集模块;
模型编辑模块生成仿真模型或组件模型的基本代码框架,以及仿真模型资源库;
仿真想定编辑模块以遍历的方式读取仿真模型资源库,提供创建仿真想定的功能,编辑和设置模型以及仿真想定的信息,保存为想定文件;
仿真运行模块以遍历的方式读取本地指定路径下的想定文件,仿真开始运行后,发布周期性的仿真推进消息,完成仿真流程;
数据采集模块用于在线获取仿真数据,并按照要求存储至数据库中,为模型的学习优化、仿真数据评估工作提供支撑。
2.根据权利要求1所述的一种面向航天装备的组件化体系仿真系统,其特征在于:所述模型编辑模块包括建模子模块和模型装配子模块;建模子模块负责通过使用或集成面向航天装备的组件化模型体系中的基类,生成仿真模型或组件模型的基本代码框架;模型装配子模块根据模型或其基类模型的属性信息,选择已有的实体模型和组件模型,通过可视化界面对其参数化,生成实例化后的实体。
3.根据权利要求1所述的一种面向航天装备的组件化体系仿真系统,其特征在于:所述仿真想定编辑模块提供新建想定、打开想定、保存想定、设置想定名称、想定仿真步长、想定开始/结束时间的功能;遍历仿真模型资源库库,获取可同于仿真想定编辑的所有模型,将模型部署到指定位置,通过编辑页面为模型设置属性,包括名称、所属方信息;最终形成的想定文件作为仿真运行模块的输入条件。
4.根据权利要求1所述的一种面向航天装备的组件化体系仿真系统,其特征在于:所述仿真运行模块完成仿真想定的初始化和运行工作;仿真想定初始化时读取想定文件,从文件中识别仿真开始时间,仿真步长,仿真结束时间以及参与仿真的模型类型和参数,根据模型类型和参数,由仿真模型资源库中以相应的参数实例化模型,并保存每个模型的指针形成模型指针列表;初始化完毕后开始仿真运行,通过模型指针列表调用模型执行推进。
5.根据权利要求1所述的一种面向航天装备的组件化体系仿真系统,其特征在于:所述数据采集服务模块用于仿真在线数据采集以及目标特征库的更新工作;数据采集服务模块与仿真运行模块时在后台运行,在每个仿真步长内通过遍历的形式访问每个仿真模型并采集其数据,保存至数据库中;在仿真结束后,追加本次仿真中新的目标特征类数据至目标特征库中,作为后续仿真工作的先验信息。
6.一种利用权利要求1-5任意所述面向航天装备的组件化体系仿真系统进行仿真的方法,其特征在于步骤如下:
1)根据系统提供的体系仿真建模体系和建模子模块完成建模和模型装配工作;
2)装配形成仿真模型资源库;
3)完成想定设计形成仿真想定文件;
4)读取仿真想定文件并加载仿真模型,开始仿真运行;
5)在仿真运行期间获取模型数据并存储至数据库,在仿真结束后更新目标特征数据库;
6)目标特征数据库供仿真模型在后续仿真中使用。
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