CN115859685A - 一种面向空战博弈的集中式仿真方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于计算机仿真技术领域，具体涉及一种面向空战博弈的集中式仿真方法及系统。系统包括：仿真控制器、N个飞机模拟器、空战裁决器、数据管理器、数据存储单元，其中，仿真控制器，在一个仿真周期内通过模型任务调度，实现各飞机模拟器和空战裁决器的一步仿真；N个飞机模拟器完成飞行控制模型、传感器模型和武器模型的一步仿真计算；空战裁决器计算空战裁决数据；数据管理器通过将空战博弈红蓝双方数据分类存储和管理实现红蓝双方飞机模拟器对数据的读取、写入和权限控制；数据存储单元，用于存储所有模型计算输出的飞机飞行数据、传感器数据、武器数据和空战裁决数据。

Description

一种面向空战博弈的集中式仿真方法及系统

技术领域

本发明属于计算机仿真技术领域，具体涉及一种面向空战博弈的集中式仿真方法及系统。

背景技术

空战博弈是一种以飞机、传感器、武器为载体的策略对抗，真实的空战博弈存在成本高、周期长、风险大的问题。为了开展海量的空战博弈对抗仿真，需要建立一个成本低、迭代快、虚拟化的空战博弈仿真系统。现有的空战博弈仿真系统主要以基于计算机网络的分布式仿真系统为主，各仿真实体通过局域网进行数据交互，这种基于以太网通信的仿真系统一方面存在信息交互的网络时延问题，另一方面存在网络消息丢帧带来的可靠性问题。基于共享内存的分布式仿真系统通过共享内存实现数据交互，虽然解决了网络时延的问题，但是多进程间通信存在数据同步困难，难以实现超高倍速的仿真系统加速的问题。

发明内容

本发明的目的：提供一种面向空战博弈的集中式仿真方法及系统，以满足空战博弈仿真系统的信息交互、时间/数据同步和仿真加速的需求。

本发明的技术方案：

一种面向空战博弈的集中式仿真系统，包括：仿真控制器、N个飞机模拟器、空战裁决器、数据管理器、数据存储单元，其中，

仿真控制器实现空战对抗场景配置和仿真运行控制功能，在一个仿真周期内，仿真控制器通过模型任务调度，实现各飞机模拟器和空战裁决器的一步仿真推进；

N个飞机模拟器完成飞行控制模型、传感器模型和武器模型的一步仿真计算并将飞机飞行数据、传感器数据、武器数据通过数据管理器进行存储；

空战裁决器完成空战裁决一步仿真计算并将空战裁决数据通过数据管理器进行存储；

数据管理器作为所有仿真数据的数据读写接口，通过将空战博弈红蓝双方数据分类存储和管理实现红蓝双方飞机模拟器对数据的读取、写入和权限控制；

数据存储单元，用于存储所有模型计算输出的飞机飞行数据、传感器数据、武器数据和空战裁决数据。

进一步地，仿真系统的最大仿真倍速Ω满足：

其中，仿真步长为dt，所有飞机模拟器和空战裁决器一步仿真计算的平均运行耗时为St。

进一步地，所述系统还包括：外部空战博弈决策控制单元，外部空战博弈决策控制单元通过外部控制接口与N个飞机模拟器交互用于向N个飞机模拟器发送飞行控制指令、传感器控制指令和武器发射控制指令。

一种面向空战博弈的集中式仿真方法，其特征在于，所述方法借助上述的系统执行，所述方法包括：

步骤1：仿真控制器针对特定的空战博弈态势，构建仿真场景配置文件，仿真场景配置文件的初始配置信息包含仿真步长、空战区域、飞机数量、飞机初始位置速度和姿态信息、传感器和武器载荷；

步骤2：各个飞机模拟器和空战裁决器模型获取并解析步骤1中的仿真场景配置文件，根据仿真场景配置文件中的空战区域对空战裁决器模型进行初始化；根据仿真场景配置文件中的仿真步长、飞机初始位置速度和姿态信息、传感器和武器载荷对飞机模拟器的飞行控制模型、传感器模型和武器模型进行初始化；

步骤3：仿真控制器通过模型调度管理，控制飞机模拟器和空战裁决器运行一步仿真计算得到空战裁决数据并通过数据管理器存储至全局数据；

步骤4：仿真控制器通过数据管理器读取空战裁决数据，若空战裁决数据中空战博弈胜负已分，则停止仿真并记录空战对抗仿真结果；否则返回步骤3。

进一步地，步骤3：具体包括：

1)飞机模拟器飞行控制模型一步仿真计算得到飞行数据：

2)传感器模型一步仿真计算得到传感器数据；

3)武器模型一步仿真计算得到武器数据；

4)空战裁决器一步仿真计算得到空战裁决数据，具体为根据初始化配置的空战区域和数据管理器读取的飞行数据、传感器数据和武器数据对空战裁决模型进行一步仿真迭代得到空战裁决数据，空战裁决模型一步仿真计算输出的空战裁决数据通过数据管理器存储至全局数据；

进一步地，步骤3中，飞机模拟器飞行控制模型一步仿真计算得到飞行数据，具体包括：

根据飞行控制模型当前状态和外部空战博弈决策控制单元的飞行控制指令对飞行控制模型进行一步仿真迭代，飞行控制模型一步仿真计算输出飞机位置、速度、姿态作为飞行数据，并通过数据管理器存储至己方飞机阵营数据和全局数据。

进一步地，步骤3中，传感器模型一步仿真计算得到传感器数据，具体包括：

根据初始化配置的传感器参数、外部空战博弈决策控制单元的传感器控制指令和数据管理器读取的红方阵营数据和蓝方阵营数据对传感器模型进行一步仿真迭代得到传感器数据，传感器模型一步仿真计算输出的数据通过数据管理器存储至己方飞机阵营数据。

进一步地，步骤3中，武器模型一步仿真计算得到武器数据，具体包括：

根据初始化配置的武器类型参数、外部空战博弈决策控制单元的武器发射控制指令和数据管理器读取的红方阵营数据和蓝方阵营数据对武器模型进行一步仿真迭代得到武器数据，武器模型一步仿真计算输出的数据通过数据管理器存储至己方飞机阵营数据和全局数据。

本发明的有益效果：

1.扩展性

不同于传统的仿真数据和态势显示互相耦合，本发明中空战博弈仿真系统是数据到数据的仿真推演，没有态势显示界面对操作系统的约束，可以在不同操作系统和超算上运行。通过仿真步长的设定，可以实现计算机硬件能力支持的最大仿真系统加速功能。

2.低时延

本发明中采用集中式系统架构运行，仿真控制器对系统各仿真模型统一仿真推进，在同一个进程内模型间的数据交互不存在网络通信时延和消息丢帧的问题，也无多进程间共享内存对数据同步的要求，可以保证仿真系统中各飞机获取的空战博弈态势信息在时间和数据的一致性同步。

3.可靠性

本发明中采用数据管理器作为唯一的仿真数据读写接口，实现了空战博弈数据的公有属性和私有属性的访问权限控制，可以有效保证红蓝双方博弈对抗数据的安全和可靠。

附图说明

图1为空战博弈集中式仿真系统架构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

空战博弈仿真系统由仿真控制器、飞机模拟器、空战裁决器和数据管理器、数据存储单元组成，所有元素集中式运行在一个进程中进行统一的任务管理、模型管理和数据管理，系统架构如图1所示。

仿真控制器实现空战对抗场景配置和仿真运行控制功能；飞机模拟器完成飞行控制模型、传感器模型和武器模型的一步仿真计算；空战裁决器完成空战裁决一步仿真计算。在一个仿真周期内，仿真控制器通过模型任务调度，实现各飞机模拟器和空战裁决器的一步仿真推进。

其中，空战对抗场景配置在开始仿真前从仿真场景配置文件中获取飞机位置、传感器和武器载荷等参数并完成各个飞机模拟器的初始配置；仿真运行控制包括仿真步长、仿真次数、仿真一步推进、仿真启停等控制。数据管理器作为所有仿真数据的数据读写接口，通过将空战博弈红蓝双方数据分类存储和管理实现红蓝双方飞机模拟器对数据的读取和写入的权限控制。

所有模型计算输出的飞机飞行数据、传感器数据、武器数据和空战裁决数据需要通过数据管理器的接口统一进行存储，将数据分类整理存储在数据存储空间。具体分类的方法是将数据分为全局数据、红方阵营数据和蓝方阵营数据，全局数据无论红方还是蓝方的飞机模拟器均可访问读取，红方阵营数据仅飞机属性为红方的飞机模拟器可以读取，同样地蓝方阵营数据仅飞机属性为蓝方的飞机模拟器可以读取。

仿真系统中各基本元素对数据的读写权限：仿真控制器具有对全局数据、红方阵营数据和蓝方阵营数据的读取权限，飞机模拟器具有对全局数据和相同阵营数据的读取和写入权限，空战裁决器具有对全局数据的读取和写入权限，数据管理器具有对所有仿真数据的读取和写入权限。

飞机模拟器通过外部控制接口将其权限内可访问的数据共享给外部空战博弈决策控制单元，并接收控制单元决策的飞机控制指令用于飞机模拟器内飞行控制模型、传感器模型和武器模型的控制。

假设仿真设定的仿真步长为dt，若一个仿真周期内所有飞机模拟器和空战裁决器一步仿真计算的平均运行耗时为St，则仿真系统的最大仿真倍速Ω计算公式为：

由公式(1)可知系统仿真最大倍速与设定的仿真步长和一步仿真计算的运行耗时有关，计算机硬件性能越好，在仿真模型误差允许的范围内仿真步长越大，可以实现的仿真加速越快。

在上述系统的基础上，一种面向空战博弈的集中式仿真方法，包括：

步骤1：针对特定的空战博弈态势，构建包含仿真步长、空战区域、飞机数量、飞机初始位置速度和姿态信息、传感器和武器载荷等空战博弈初始配置信息的仿真场景配置文件。

步骤2：仿真控制器读取并解析步骤1中的仿真场景配置文件，使用空战区域信息初始化空战裁决器模型，使用飞机位置、速度、姿态、传感器和武器载荷等信息初始化飞机模拟器的飞行控制模型、传感器模型和武器模型。

步骤3：仿真控制器通过模型调度管理，控制飞机模拟器和空战裁决器模型运行一步仿真计算，具体实现包括：

1)飞机模拟器飞行控制模型一步仿真计算，根据飞机模型当前状态和外部空战博弈决策控制单元的飞行控制指令对飞行控制模型进行一步仿真迭代，飞行控制模型一步仿真计算输出飞机位置、速度、姿态、油量等飞行仿真数据，并通过数据管理器存储至己方飞机阵营数据和全局数据。

2)飞机模拟器传感器模型一步仿真计算，根据初始化配置的传感器参数、外部空战博弈决策控制单元的传感器控制指令和数据管理器读取的红方阵营数据和蓝方阵营数据对传感器模型进行一步仿真迭代，传感器模型一步仿真计算输出的数据通过数据管理器存储至己方飞机阵营数据。

3)飞机模拟器武器模型一步仿真计算，根据初始化配置的武器类型等参数、外部空战博弈决策控制单元的武器发射控制指令和数据管理器读取的红方阵营数据和蓝方阵营数据对武器模型进行一步仿真迭代，武器模型一步仿真计算输出的数据通过数据管理器存储至己方飞机阵营数据和全局数据。

4)空战裁决器模型一步仿真计算，根据初始化配置的空战区域和数据管理器读取的全局数据对空战裁决模型进行一步仿真迭代，空战裁决模型一步仿真计算输出的数据通过数据管理器存储至全局数据。

步骤4：仿真控制器通过数据管理器读取空战裁决数据。若空战裁决数据中空战博弈胜负已分，则停止仿真并记录空战对抗仿真结果。否则回到步骤3继续进行下一步仿真运行。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种面向空战博弈的集中式仿真系统，其特征在于，包括：仿真控制器、N个飞机模拟器、空战裁决器、数据管理器、数据存储单元，其中，

仿真控制器实现空战对抗场景配置和仿真运行控制功能，在一个仿真周期内，仿真控制器通过模型任务调度，实现各飞机模拟器和空战裁决器的一步仿真推进；

N个飞机模拟器完成飞行控制模型、传感器模型和武器模型的一步仿真计算并将飞机飞行数据、传感器数据、武器数据通过数据管理器进行存储；

空战裁决器完成空战裁决一步仿真计算并将空战裁决数据通过数据管理器进行存储；

数据管理器作为所有仿真数据的数据读写接口，通过将空战博弈红蓝双方数据分类存储和管理实现红蓝双方飞机模拟器对数据的读取、写入和权限控制；

数据存储单元，用于存储所有模型计算输出的飞机飞行数据、传感器数据、武器数据和空战裁决数据。

2.根据权利要求1所述的面向空战博弈的集中式仿真系统，其特征在于，仿真系统的最大仿真倍速Ω满足：

其中，仿真步长为dt，所有飞机模拟器和空战裁决器一步仿真计算的平均运行耗时为St。

3.根据权利要求1所述的面向空战博弈的集中式仿真系统，其特征在于，所述系统还包括：外部空战博弈决策控制单元，外部空战博弈决策控制单元通过外部控制接口与N个飞机模拟器交互用于向N个飞机模拟器发送飞行控制指令、传感器控制指令和武器发射控制指令。

4.一种面向空战博弈的集中式仿真方法，其特征在于，所述方法借助权利要求1-3中任一项所述的系统执行，所述方法包括：

步骤1：仿真控制器针对特定的空战博弈态势，构建仿真场景配置文件，仿真场景配置文件的初始配置信息包含仿真步长、空战区域、飞机数量、飞机初始位置速度和姿态信息、传感器和武器载荷；

步骤2：各个飞机模拟器和空战裁决器模型获取并解析步骤1中的仿真场景配置文件，根据仿真场景配置文件中的空战区域对空战裁决器模型进行初始化；根据仿真场景配置文件中的仿真步长、飞机初始位置速度和姿态信息、传感器和武器载荷对飞机模拟器的飞行控制模型、传感器模型和武器模型进行初始化；

步骤3：仿真控制器通过模型调度管理，控制飞机模拟器和空战裁决器运行一步仿真计算得到空战裁决数据并通过数据管理器存储至全局数据；

步骤4：仿真控制器通过数据管理器读取空战裁决数据，若空战裁决数据中空战博弈胜负已分，则停止仿真并记录空战对抗仿真结果；否则返回步骤3。

5.根据权利要求4所述的面向空战博弈的集中式仿真方法，其特征在于，步骤3：具体包括：

1)飞机模拟器飞行控制模型一步仿真计算得到飞行数据：

2)传感器模型一步仿真计算得到传感器数据；

3)武器模型一步仿真计算得到武器数据；

4)空战裁决器一步仿真计算得到空战裁决数据，具体为根据初始化配置的空战区域和数据管理器读取的飞行数据、传感器数据和武器数据对空战裁决模型进行一步仿真迭代得到空战裁决数据，空战裁决模型一步仿真计算输出的空战裁决数据通过数据管理器存储至全局数据。

6.根据权利要求5所述的面向空战博弈的集中式仿真方法，其特征在于，步骤3中，飞机模拟器飞行控制模型一步仿真计算得到飞行数据，具体包括：

根据飞行控制模型当前状态和外部空战博弈决策控制单元的飞行控制指令对飞行控制模型进行一步仿真迭代，飞行控制模型一步仿真计算输出飞机位置、速度、姿态作为飞行数据，并通过数据管理器存储至己方飞机阵营数据和全局数据。

7.根据权利要求5所述的面向空战博弈的集中式仿真方法，其特征在于，步骤3中，传感器模型一步仿真计算得到传感器数据，具体包括：

根据初始化配置的传感器参数、外部空战博弈决策控制单元的传感器控制指令和数据管理器读取的红方阵营数据和蓝方阵营数据对传感器模型进行一步仿真迭代得到传感器数据，传感器模型一步仿真计算输出的数据通过数据管理器存储至己方飞机阵营数据。

8.根据权利要求4所述的面向空战博弈的集中式仿真方法，其特征在于，步骤3中，武器模型一步仿真计算得到武器数据，具体包括：

根据初始化配置的武器类型参数、外部空战博弈决策控制单元的武器发射控制指令和数据管理器读取的红方阵营数据和蓝方阵营数据对武器模型进行一步仿真迭代得到武器数据，武器模型一步仿真计算输出的数据通过数据管理器存储至己方飞机阵营数据和全局数据。

Images