基于并行的電子信息裝備效能可視化分析研究

吳玲達, 楊 超, 于榮歡

(裝備學(xué)院復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實驗室,北京101416)

基于并行的電子信息裝備效能可視化分析研究

吳玲達, 楊 超, 于榮歡

(裝備學(xué)院復(fù)雜電子系統(tǒng)仿真實驗室,北京101416)

針對電子信息裝備效能分析的實際需求,引入并行計算技術(shù),以國產(chǎn)集群環(huán)境為基礎(chǔ),重點突破了國產(chǎn)集群條件下電子信息裝備并行仿真計算和三維可視化分析等難點問題,構(gòu)建了基于并行計算的電子信息裝備效能可視化分析平臺。實驗結(jié)果表明,該平臺能夠有效支持復(fù)雜電磁環(huán)境下電子信息裝備效能仿真的高效直觀分析。

電子信息裝備;并行計算;可視化分析

基于電子信息裝備模型,構(gòu)建信息化條件下虛擬戰(zhàn)場環(huán)境,建立電子信息裝備體系研究實驗環(huán)境,并以提高系統(tǒng)效能和作戰(zhàn)效能為目標,進行電子信息裝備體系作戰(zhàn)仿真,是開展電子信息裝備體系頂層設(shè)計、作戰(zhàn)模擬、體系優(yōu)化、效能評估的主要研究方法。

目前使用的電子信息裝備占用頻譜范圍寬,電磁特性差異大,所產(chǎn)生的電磁環(huán)境極為復(fù)雜。但電磁環(huán)境在空間中是無形的,不能通過肉眼直觀察覺,只能通過電磁偵測設(shè)備去感知,這樣只能了解偵測設(shè)備附近的電磁信息,難以把握戰(zhàn)場環(huán)境中的整體電磁態(tài)勢,不利于指揮人員對電磁態(tài)勢做出準確快速的決策。

本文針對電子信息裝備效能分析的需求,研究各類電磁輻射源輻射特性,建立典型電子裝備電磁模型、并行仿真模型和可視化分析模型,以國產(chǎn)集群仿真環(huán)境為基礎(chǔ),在復(fù)雜電磁環(huán)境計算、電子信息裝備體系仿真等方面引入并行計算技術(shù),在效能分析中引入可視化分析方法,構(gòu)建電子信息裝備效能分析平臺,以支持復(fù)雜電磁環(huán)境下對電子信息裝備進行相關(guān)環(huán)節(jié)定量化的效能評估分析。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與組成

依據(jù)電子信息裝備效能分析的需要,可將電子信息裝備效能分析平臺分為仿真場景編輯器、電子信息裝備并行仿真和電子信息裝備效能可視化分析3個模塊。

各模塊通過文件的形式進行數(shù)據(jù)傳遞,并且采用直接數(shù)據(jù)庫訪問的形式訪問基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中的模型數(shù)據(jù),電子信息裝備并行仿真模塊通過網(wǎng)絡(luò)與高性能并行計算機相連,訪問高性能計算機的并行計算資源進行加速計算。電子信息裝備效能分析平臺總體運行流程如圖1所示。其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫包含了電子信息裝備參數(shù)信息、輻射源信息、目標散射特性信息、基礎(chǔ)地理信息等,為平臺提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。仿真場景編輯構(gòu)建用于仿真分析的想定。電子信息裝備并行仿真根據(jù)想定對整個仿真過程進行計算。電子信息裝備可視化根據(jù)仿真結(jié)果對體系對抗過程進行直觀展示分析。

圖1 電子信息裝備效能分析平臺運行流程圖

2 電子信息裝備并行仿真研究

對電子信息裝備的效能進行分析,即包括對電子信息裝備平臺本身在電磁對抗仿真中的效能分析,又包括對由電子信息裝備產(chǎn)生的復(fù)雜電磁環(huán)境的分析。電磁對抗仿真過程和電磁環(huán)境計算均十分復(fù)雜,計算量很大,基于傳統(tǒng)的單PC的仿真計算已很難滿足實際應(yīng)用的需要。因此本文基于國產(chǎn)高性能集群系統(tǒng),設(shè)計了面向集群的電磁對抗仿真過程和電磁環(huán)境計算過程的并行化方法。

1)電子信息裝備并行仿真方法。針對復(fù)雜電磁環(huán)境下電子信息裝備對抗建模仿真的需求,設(shè)計構(gòu)建了典型電子信息裝備電磁模型,采用層次化組織結(jié)構(gòu),對典型電子信息裝備包括雷達、電臺、干擾機等進行了建模。以可擴充模塊組織方式,建立了典型電子信息裝備層次結(jié)構(gòu),該層次結(jié)構(gòu)能夠不斷新增和完善裝備模型。

平臺裝備模型主要負責(zé)電子信息裝備模型的搭載功能,主要設(shè)計了飛機模型和地面站模型等。平臺模型包含裝備實體的外觀屬性和行為屬性,具有一定的物理特性。不同裝備實體抽象成不同的平臺模型,采用層次化結(jié)構(gòu),把平臺公共屬性進行抽象,如：實體的軍標符號、位置、敵我屬性、運動屬性、RCS(radar cross section)等。雷達模型主要用于模擬雷達的探測跟蹤過程,包含了雷達的參數(shù)和行為屬性,主要有雷達的頻率、功率、極化方式、掃描方式等。通信電臺模型主要用于模擬通信傳輸過程,包含了通信電臺的參數(shù)和行為屬性,有通信電臺的頻率、功率、極化方式、通信對象等。干擾機模型主要用于對雷達、通信電臺實施干擾的模擬,包含了干擾機的頻率、功率、干擾方式、干擾目標等。

在國產(chǎn)并行集群環(huán)境下對電子信息裝備對抗進行仿真,主要采用基于Agent的并行仿真技術(shù)[1]。其主要思想為：每一個集群節(jié)點負責(zé)1個或多個電子信息裝備平臺的計算,每一個電子信息裝備平臺由1個Agent管理,各集群節(jié)點間通過MPI(message passing interface)機制進行通信和并發(fā)控制。各電子信息裝備平臺根據(jù)典型電子信息裝備對抗仿真場景想定設(shè)置,應(yīng)用典型電子信息裝備電磁對抗模型和復(fù)雜電磁環(huán)境模型,整個電子信息裝備對抗并行仿真采用時序等步長遞進的方式,計算得到在復(fù)雜電磁環(huán)境下、多種電子干擾組合下的電子信息裝備性能情況。并行仿真流程如圖2所示。

2)復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境并行計算方法。對電子信息裝備所產(chǎn)生的復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境進行分析也是電子信息裝備效能分析的一個重要、有效的手段[2]。隨著信息化技術(shù)的發(fā)展,越來越多的電子信息裝備應(yīng)用到現(xiàn)代戰(zhàn)場中,戰(zhàn)場電磁環(huán)境越來越復(fù)雜。如何準確、快速地掌握和分析戰(zhàn)場電磁環(huán)境,已成為制約電子信息裝備發(fā)揮作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵。隨著電磁環(huán)境計算范圍的擴大、計算精度和本身計算復(fù)雜性的提高,傳統(tǒng)的單CPU的計算加速算法難以滿足快速分析戰(zhàn)場電磁環(huán)境的計算要求。而目前通過多CPU的高性能并行計算已成為解決大規(guī)模復(fù)雜數(shù)值計算的一種有效途徑,因此本文對大規(guī)模戰(zhàn)場電磁環(huán)境的計算引入高性能并行計算方法,對戰(zhàn)場電磁環(huán)境的并行化計算方法進行研究探討。

由于戰(zhàn)場中主要是以雷達和無線通信裝備形成的電磁環(huán)境為主,因此本文主要對戰(zhàn)場環(huán)境中這2類最重要和最典型的電磁環(huán)境進行并行化計算方法研究,當然經(jīng)過適當調(diào)整,本文并行化計算方法也適合其他類型電磁環(huán)境的并行計算。為了表征戰(zhàn)場電磁環(huán)境,需要對戰(zhàn)場電磁環(huán)境進行定量化描述。對于雷達電磁環(huán)境,由于雷達是通過目標反射的電磁波進行目標的探測、定位和跟蹤,主要根據(jù)接收到的反射電磁波進行檢波判斷,當出現(xiàn)在一定虛警概率情況下滿足特定探測概率的信號就認為是探測到了目標[3],因此可以采用雷達探測概率作為雷達電磁環(huán)境的定量化描述方式,它能夠表征雷達的探測能力。對于通信電磁環(huán)境,由于通信裝備是通過接收和發(fā)送調(diào)制的無線電磁信號進行通信,空間中接收到的信號強度決定了通信能力,因此可以采用電磁信號功率強度作為通信電磁環(huán)境的定量化描述方式。

圖2 電子信息裝備對抗并行仿真流程

對于雷達電磁環(huán)境和無線通信電磁環(huán)境,由于三維空間各個位置點的探測概率計算和電磁輻射信號功率強度的計算均具有相對獨立性,因此采用數(shù)據(jù)并行的方式將會優(yōu)于算法并行的方式。采用數(shù)據(jù)并行的復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境并行計算總體結(jié)構(gòu),如圖3所示。

圖3 復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境并行計算總體結(jié)構(gòu)圖

在數(shù)據(jù)并行中任務(wù)分配與負載平衡是算法性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。對于這2類電磁環(huán)境本文均采用三維標量場采樣方式所示。同時,由于不同空間位置采樣點的計算復(fù)雜度不太一致,為了保持各計算節(jié)點的負載平衡,采用三維空間逐次均勻分配和動態(tài)負載平衡的方式提高并行計算效率。

3 典型電子信息裝備效能可視化分析研究

復(fù)雜電磁環(huán)境下典型電子信息裝備效能分析主要是分析電子信息裝備在電子對抗環(huán)境中作戰(zhàn)能力變化情況,主要包括敵我電子信息裝備攻防能力的分析評估。采用可視化仿真分析的形式對典型電子信息裝備效能進行分析,利用電子信息裝備并行仿真數(shù)據(jù),構(gòu)建電子信息裝備對抗仿真的可視模型,對通信能力、雷達探測跟蹤能力、干擾進攻能力等進行直觀分析。對于通信能力,主要分析通信網(wǎng)通信能力;對于雷達探測跟蹤能力,主要分析雷達探測和跟蹤范圍;對于干擾進攻能力,主要是分析干擾機干擾通信、雷達的能力,可以通過被干擾的通信電臺的通信能力或者雷達的探測跟蹤能力來分析。

可視化仿真分析主要負責(zé)在構(gòu)建三維地理環(huán)境的基礎(chǔ)上,通過讀取仿真數(shù)據(jù),利用多層等值面和光線投射體繪制算法,實現(xiàn)電磁環(huán)境對象的多層等值面繪制和體繪制,并與三維戰(zhàn)場環(huán)境實現(xiàn)集成,主要突破的關(guān)鍵技術(shù)有多層等值面提取技術(shù)、多層等值面模型繪制技術(shù)[4]、直接體繪制技術(shù)[5]和集成繪制技術(shù)等。

3.1 多層等值面方法

等值面繪制方法是一種有效展示體數(shù)據(jù)外觀輪廓的方法,通過提取體數(shù)據(jù)中特定數(shù)值的等值曲面信息,構(gòu)建三維輪廓模型,直觀展示體數(shù)據(jù)中相同數(shù)值的范圍。由于等值面繪制方法在繪制效率和表面輪廓范圍信息清晰表達等方面的優(yōu)勢,目前應(yīng)用非常廣泛。常用的等值面提取方法有MC(marching cubes)方法[6-7],它通過把體數(shù)據(jù)離散為六面體的方式,分別對每個六面體進行等值面構(gòu)建,最終形成整個體數(shù)據(jù)的等值面。由于傳統(tǒng)的等值面提取方法只提取唯一一層體數(shù)據(jù)的等值面,損失了體數(shù)據(jù)的大量內(nèi)部細節(jié)信息,因此通過提取體數(shù)據(jù)的不同數(shù)值的多層等值面,能夠一定程度上彌補傳統(tǒng)單層等值面的內(nèi)部細節(jié)信息大量丟失的問題。

3.2 直接體繪制方法

基于光線投射的直接體繪制方法是一種典型的直接體繪制算法,該方法最先由Levoy等人于1988年提出[8],隨著圖形硬件的高速發(fā)展和算法的優(yōu)化改進,該方法已成為三維體數(shù)據(jù)展示的重要方法,它能夠表征體數(shù)據(jù)的內(nèi)部細節(jié)特征。基于光線投射的直接體繪制方法是通過投射光線的方式,累積穿過體數(shù)據(jù)的采樣數(shù)據(jù),再通過光照模型構(gòu)造出體數(shù)據(jù)的二維圖像,基本過程如圖4所示。

首先,沿著視點往投影圖像的每個像素點都投射一條光線,投射光線會穿過體數(shù)據(jù),在每條穿過體數(shù)據(jù)的投射光線上均勻采樣體數(shù)據(jù),得到體數(shù)據(jù)的采樣值,采樣值一般采用三線性插值的方式得到。然后,通過傳遞函數(shù),即數(shù)值-顏色映射關(guān)系,把采樣值映射成顏色值,這樣就得到了一個采樣點的顏色值。最后,把這條投射光線上所有采樣值映射成顏色值后,按照從前往后的方式進行顏色融合,就得到了這條投射光線的累積顏色值,通過累積完所有投射光線的顏色值,最終得到體數(shù)據(jù)的二維圖像[9]。

圖4 光線投射直接體繪制算法

4 實驗驗證

為驗證本文研究內(nèi)容的可行性和有效性,在銀河高性能仿真機麒麟操作系統(tǒng)環(huán)境下,采用MPI并行計算框架對基于并行計算的電子信息裝備效能可視化分析平臺進行了編碼實現(xiàn)。平臺采用獨立結(jié)構(gòu)設(shè)計,分別由仿真場景編輯器、電子信息裝備并行仿真計算和電子信息裝備三維可視化效能分析等模塊組成,各模塊間通過文件數(shù)據(jù)進行信息傳遞,平臺總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。平臺實現(xiàn)采用各模塊多進程啟動方式獨立運行,便于系統(tǒng)的集成和系統(tǒng)的擴展。

圖5 平臺總體結(jié)構(gòu)圖

其中想定場景編輯器用于構(gòu)建某一特定區(qū)域的雷達電磁環(huán)境仿真想定和通信電磁仿真想定,并能夠以二維可視化的方式對仿真想定進行展示。為支持麒麟操作系統(tǒng),想定場景編輯器在Qt集成開發(fā)環(huán)境中開發(fā),采用Qt界面庫;同時支持對仿真想定的創(chuàng)建、編輯、打開和保存功能。

電子信息裝備并行仿真計算模塊主要根據(jù)想定編輯器生成的想定文件在國產(chǎn)銀河高性能集群仿真計算平臺上采用MPI對電子信息裝備仿真對抗和復(fù)雜電磁環(huán)境進行并行仿真計算,按照步長推進的方式,生成仿真計算結(jié)果,支持不同三維可視立體范圍和不同采樣密度的設(shè)定功能。電子信息裝備三維可視化效能分析根據(jù)想定編輯器的編輯文件、電子信息裝備并行仿真計算的仿真計算結(jié)果,對仿真想定的復(fù)雜電子信息裝備仿真過程進行三維展示和可視化分析。圖6是電子信息裝備可視化效能分析界面圖,分別展示了采用多層等值面和直接體繪制2種可視化分析方法下的效果圖。

圖6 復(fù)雜電磁環(huán)境可視化界面圖

5 結(jié) 論

電子信息裝備效能可視化分析平臺基于國產(chǎn)軟硬件環(huán)境,引入了并行加速計算方法,通過采用適合并行計算的電子信息裝備體系模型組合方法,實現(xiàn)了基于空間獨立分解的體系對抗并行仿真計算;采用多層等值面和直接體繪制等可視化方法,實現(xiàn)了電子信息裝備推演過程和復(fù)雜電磁環(huán)境的直觀三維展示。平臺有效支持了復(fù)雜電磁環(huán)境下電子信息裝備體系效能可視化分析。

References)

[1]余文廣,王維平,李群.并行Agent仿真研究綜述[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2012,24(2)：245-251.

[2]徐文耀,國連杰.空間電磁環(huán)境研究在軍事上的應(yīng)用[J].地球物理學(xué)進展,2007,22(2)：335-344.

[3]BLAKE LV.雷達距離性能分析[M].吳秉瑋,趙楊,劉元林,等譯.南京：機械電子工業(yè)部第十四研究所,1990：135-366.

[4]李改.Marching Cubes算法中等值面的優(yōu)化分析[J].吉首大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2010,31(1)：73-77.

[5]田玲.基于體繪制的三維數(shù)據(jù)場可視化技術(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué),2007：14-17.

[6]LORENSEN W,CLINE H E.Marching cubes：a high resolution 3D surface construction algorithm[J].Computer Graphics,1987,21(4)：163-169.

[7]嚴小波.基于三維分割的Marching Cubes算法重構(gòu)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2008,36-41.

[8]LEVOY M.Display of surfaces from volume data[J].IEEE Computer Graphic and Applications,1988,8(3)：29-37.

[9]楊安榮,林財興.一種基于快速直接插值的光線投射法[J].微計算機信息,2010,30(19)：9-10.

(編輯：李江濤)

Visual Analysis of Electronic Information Equipment Effectiveness Based on Parallel Computation

WU Lingda, YANG Chao, YU Ronghuan

(Science and Technology on Complex Electronic System Simulation Laboratory,Equipment Academy,Beijing 101416,China)

According to the actual needs of the electronic information equipment effectiveness analysis,the parallel computation technology is adopted.After solving the parallel simulation and visual analysis problems,a visual analysis system for electronic information equipment effectiveness based on parallel computation is proposed.The experiment shows that the visual analysis system can support the analysis of electronic information equipment effectiveness efficiently.

electronic information equipment;parallel computation;visual analysis

TP 391.9

2095-3828(2014)02-0001-05

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.02.001

2013-06-18

“核高基”重大專項資助項目

吳玲達(1962-),女,教授,博士.主要研究方向：多媒體信息系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實技術(shù).wld@nudt.edu.cn.