國產魚雷全數字仿真系統的應用分析*

楊 咚 陳迎亮

(1.海軍駐昆明地區軍事代表辦事處 昆明 650118)(2.中船重工集團公司第705研究所昆明分部 昆明 650118)

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國產魚雷全數字仿真系統的應用分析*

楊 咚1陳迎亮2

(1.海軍駐昆明地區軍事代表辦事處 昆明 650118)(2.中船重工集團公司第705研究所昆明分部 昆明 650118)

論文通過引入全數字仿真技術概念,介紹了某型國產魚雷全數字仿真虛擬試驗設備的構建原理、系統組成和在某型魚雷研制過程突破性的運用,設計了某型魚雷虛擬樣機、建立了魚雷虛擬作戰環境、成功在仿真環境下開展了魚雷作戰過程的虛擬試驗,填補了我國魚雷全數字仿真技術空白,也對部隊訓練運用開發此類設備進行了應用分析和展望。

全數字仿真; 魚雷; 虛擬作戰環境

Class Number TJ63+1.8

1 國內外發展情況

全數字仿真虛擬試驗技術是基于數字樣機的試驗技術,近年來成為系統仿真領域研究的熱點,其內涵主要涉及三方面:試驗手段即試驗所需設備的虛擬、試驗對象的虛擬、試驗環境的虛擬,它是在長期積累的有關數據、有關動力學模型以及各類三維模型的基礎上,利用高性能計算機、網絡環境、傳感器或各種虛擬現實設備,建立可方便進行人機交互的虛擬環境,在其中對實體或虛擬樣機進行試驗,用可視化的方法測試被試物性能及其相互間的關系[1～2]。

由于該技術可控、無破壞性、耗費小并允許多次重復,它不僅可以作為真實試驗的前期準備工作,而且可以在一定程度上替代傳統的物理試驗,減少物理樣機試驗次數,使試驗不受場、時間和次數的限制,并實現對試驗過程的記錄、重復與再現,幫助獲得足夠的性能統計和評價數據[3],實現設計者、產品用戶在設計階段信息的交互反饋,使設計者盡早發現并解決設計過程中存在的潛在問題,從而達到縮短新產品試驗周期、降低試驗費用、提高產品質量的目的[4]。

因此,該技術在發達國家在很多行業開始有了實際應用,在軍事領域也成為了武器裝備研發的重要工具,美國最早將虛擬現實技術應用于作戰仿真。其研究人員在虛擬現實技術構造的數字化地形、地貌和敵情數據庫上進行作戰仿真和武器裝備性能的評估。

由于虛擬現實技術生成戰場環境可視化不僅僅應用在指揮自動化系統,對作戰、訓練模擬系統以及戰術評估、論證系統也有重要意義,在軍事領域有著廣泛的應用前景,因此,美國軍方始終把虛擬現實技術的研究與應用列于《國防部關鍵技術計劃》中,并將虛擬現實技術視為建設21世紀軍隊和培訓21世紀人才以及發展新一代信息化戰爭武器裝備的“革命性”手段。

目前,國外武器裝備的研制中已廣泛應用數字試驗技術。根據國外對“愛國者”、“羅蘭特”及“尾刺”等導彈研制過程的統計表明,由于采用了全數字試驗技術,使靶試實彈減少了30%～60%,研制費用節省了10%～40%,研制周期縮短了30%～40%。美軍完成M1改進型坦克的作戰試驗,采用實物試驗,需花費兩年時間,耗資4000萬美元;而采用全數字試驗,則只需3個月,耗資僅640萬美元。

我國魚雷經過多年積累和發展,結合某型魚雷的研制,在魚雷全數字仿真虛擬試驗技術上取得了巨大突破,設計了某型魚雷虛擬樣機、建立了魚雷虛擬作戰環境、成功在仿真環境下開展了魚雷作戰過程的虛擬試驗,填補了我國魚雷全數字仿真技術空白[5～6]。

2 系統原理

通過大型高速并行系統模擬雷上嵌入式電子環境,通過更高帶寬的統一數據鏈路模擬雷內的各種數據傳輸通道,提供與雷內一致的軟件底層操作接口,并將雷內軟件移植至仿真平臺,根據成熟的理論和可靠的試驗經驗構建魚雷作戰環境的數字模型,建立數字作戰環境對數字魚雷的驅動鏈路,使得數字某型魚雷軟件完全按產品狀態運行,保證數字試驗的正確客觀性。

全數字仿真試驗系統包括三項關鍵技術:高速并行系統雷上軟件運行環境模擬技術、軟件代碼跨平臺移植技術和數字樣機敏捷構建技術。

1) 高速并行系統雷上軟件運行環境模擬技術

雷內電子系統環境與高速并行系統環境的一個顯著區別是雷內電子系統具有豐富的電子接口,包括AD/DA接口、UART接口、CAN接口、GPIO接口、PWM接口和100Mbps以太網接口等,而高速并行系統主要考慮運算能力,接口相對少,本系統中只有以太網接口、PCI-E接口和核間高速接口,但高速并行系統的計算能力和接口數據帶寬數倍于雷內電子系統,因此可以通過中間層軟件將數據帶寬更高的接口模擬成雷內的各種硬件接口,使上層應用軟件可按雷內環境運行。考慮到PCI-E總線主要針對高速外設運用,核間高速通道不支持計算機之間的連接,因此采用傳輸速率高達1000Mbs、支持多核共享,并且方便計算機之間的級聯,以構成更大規模的并行系統[7]。

魚雷全數字仿真系統采用如圖1所示方式模擬雷內電子平臺環境,一個計算核內的軟件分為三個層次:以太網端口層、接口模擬層和CPU單元層。以太網接口層通過TCP/IP協議,根據端口號將一個網絡接口劃分為不同的子接口以對應不同類型的硬件接口。接口模擬層向下通過TCP/IP協議完成對外通信,向上通過與雷內底層驅動軟件一致的編程接口完成與上層運用的連接,使得雷上軟件可無縫鏈接至仿真平臺。CPU層中包括傳感器和執行單元的模擬插件、雷上產品軟件和時鐘同步服務,模擬插件使用模擬接口完成信息交互,并通過模型模擬組件的外部特性。由于仿真系統的計算能力較雷內電子平臺強,替換更快的時鐘節拍加速軟件的運行速度,壓縮數字試驗時間;另外仿真系統節點關系較雷內環境復雜,需要采用專用的時鐘同步機制,因此仿真系統中有且僅有1個時鐘服務器,各節點通過時鐘服務客戶端來同步仿真步驟。雷內軟件在仿真平臺上運行不會感知到與雷內環境的差異,底層驅動接口一致、傳感器與執行單元接口和外部特性一致,從而保證了全數字仿真試驗結果與實物試驗結果具有較高一致性。

2) 軟件代碼跨平臺移植技術

實現代碼在雷內電子平臺和全數字仿真平臺之間移植的關鍵在制定合理的編碼規范,采用國際標準,避免使用編譯環境的特殊功能,同時采用與平臺無關的軟件結構。某型魚雷的軟件雖然存在多種運行硬件環境,但通過遵守《某型魚雷軟件系統軟件編制規范》和采用某型魚雷標準軟件結構可滿足了跨平臺移植的技術要求[8]。

3) 敏捷構建技術

采用一個簡單的模型描述各仿真節點間復雜的邏輯關系是快速構建全數字仿真試驗系統的關鍵,某型魚雷軟件研制中提出了采用關系矩陣模型描述仿真節點關系的方法,如圖2所示,陣列的行和列均為核編號,由于核間關系不存在方向性,也不存在自相關性,因此陣列對角線為空,陣列左下角也為空,陣列右上角的每一個元素對應了兩個核之間的關系。一個核間關系包括:網絡地址、模擬端口參數、傳感器及執行單元模擬程序列表和仿真程序列表等四個元素。將核間關系陣列歸納為核間關系矩陣R,如式(1)所示。構建全數字仿真系統的過程就是在完成各單項節點任務的基礎上實現R矩陣,關系矩陣中的元素Rij可以是一個基本的核間關系,也可以是一個子關系矩陣。

圖1 全數字仿真平臺環境模擬框圖

圖2 多核關系陣列

關系矩陣方法簡單、清晰,首先將復雜的系統軟件開發化整為零,將工作分解為簡單的單項軟件任務,然后化零為整將單獨的軟件功能集成為功能強大的系統軟件。

(1)

3 系統構成

魚雷全數字仿真系統構成如圖3所示,包括魚雷模擬器1、魚雷模擬器2、目標模擬器、系統管控與數據庫分系統、網絡數據核心交換機和應用終端等。采用基于用戶數據包協議(UDP)的體系構架,運用四臺高性能服務器(包括磁盤陣列)、四臺高性能圖形工作站、高帶寬的網絡交換機、高速數據并行處理單元及視頻加速顯示單元構建系統的硬件平臺,滿足仿真系統的可視化、可操作性/重用性、強實時性、可伸縮性及強交互性等要求[9]。

圖3 全數字仿真系統構成框圖

四臺圖形工作站應用終端完成試驗過程三維可視化、試驗流程控制、數據輔助分析和試驗流程監測。每臺應用終端完成的上述具體功能根據用戶設置而定。數據交換機作為整個平臺數據交換的核心設備,完成整個平臺的數據通信和交換功能。運用用戶數據報協議(UDP),實現仿真系統內部各分系統之間的互聯。以太網數據網絡以機箱式萬兆路由交換機作為數據交換中心,支持L2/L3線速交換。采用高性能服務器,通過高帶寬、低延時的PCI Express總線將高性能服務器與64核數據加速處理單元連成一個整體,4服務器之間由萬兆網絡連接,構成了256核的大型并行高速數字處理系統,如圖4所示。

圖4 服務器與數據加速單元構成的模擬分系統結構示意圖

在某型魚雷全數字仿真系統中采用了RTI機制實現了“軟總線”功能,使各仿真節點可靈活地加入仿真執行。仿真節點可作為一個獨立的進程存在,也可由一個或多個進程組合而成。仿真節點之間通過RTI進行數據交換和時間同步。

4 虛擬試驗實施過程

如圖5所示某型魚雷全數字仿真高速試驗過程,將雷內產品軟件移植至虛擬某型魚雷樣機,按與產品完全相同的軟件技術狀態仿真運行數字某型魚雷航行攻擊過程,實現軟件的測試和評估[10]。

圖5 某型魚雷數字試驗框圖

某型魚雷全數字仿真試驗過程如下,發控臺配置所有相關的魚雷發控參數,包括工況、雷型、預設定參數、彈道控制參數、操雷設定參數等,并配置作戰環境,包括自導探測模型、尾流探測模型、目標機動模型等,并將常用模型配置為一鍵設定,模擬魚雷發射,啟動全雷彈道運行。魚雷模擬攻擊過程中,可發送遙控指令,考慮到加速試驗較快,有可能來不及手動發送遙控指令,可設定時間點由操控臺自動發送遙控指令。目標模擬器在預設軌跡或人工實時控制模式下航行;聲自導探測模擬器或尾流探測模擬器根據航行階段對目標進行探測,并將探測結果輸入雷內彈道模塊;探測模型可設定;探測結果可強制設定;根據魚雷報警模型和魚雷航行狀態,魚雷報警模擬器向目標模擬器輸出魚雷報警信息,目標模擬器開始啟動對抗措施,包括干擾器材和機動規避。目標模擬器對抗方式可由程序預先設定,也可實時由人工控制完成,也可不采取措施;引信模擬裝置根據魚雷的引信輸出條件和魚雷與目標的相對位置關系給出是否命中目標結論。

5 應用效果

1) 復雜邏輯功能測試

嵌入式系統由于條件限制,軟件流程的驅動條件很難在實物樣機上可控制造,使得直接在實物樣機上進行復雜邏輯的軟件測試非常困難。某型魚雷的作戰使用方式非常豐富,使某型魚雷軟件邏輯較復雜,傳統的軟件測試技術無法滿足,某型魚雷全數字仿真高速試驗系統成功解決了軍用嵌入式軟件測試難題,如圖6所示。經過大量實航試驗證明,完全依靠全數字仿真試驗技術進行測試的全雷彈道軟件功能性能完全符合要求。

圖6 聲自導多目標對抗全數字仿真試驗示意

2) 某型魚雷作戰效能評估

某型魚雷全數字仿真系統可將虛擬試驗時間壓縮至實物試驗時間的5%,效率提高了20倍,可進行大樣本的測試分析。通過某型魚雷全數字仿真試驗,針對一定進入距離范圍和目標速度,進入角在30°～150°范圍,雷速分別一定條件下,假定攻擊目標為100×10m尺度等條件,選擇了1500種尾流作戰態勢樣本進行仿真試驗分析;針對一定航速的低速目標和高速目標,自導開機距離一定范圍,在一定跟蹤速度下,目標尺度為100×10m,選擇了1700種聲自導攻擊態勢樣本進行仿真試驗分析。通過軟件全數字仿真試驗,完成了某型魚雷彈道仿真分析和某型魚雷命中概率分析等,不僅對軟件進行了深入測試,而且開展了有效的評估分析。

某型魚雷全數字仿真系統采用了時間壓縮技術,將測試效率提高了20倍,即1000s的實際攻擊過程50s即可完成,顯著提高了軟件測試效率,為大樣本軟件效能評估提供了技術基礎。該技術可為軟件可靠性定量指標分析提供了一種可參考的技術途徑。目前軟件可靠性的定量分析在可靠性領域中是一大難題,雖然有相關的分析理論,但工程操作較為困難,例如按某型魚雷最長工作時間n小時計算,計算出可靠性指標的樣本數累計約為10000小時,大約需要416天時間,如果采用全數字仿真高速試驗技術,可在20天左右完成樣本統計,具備工程應用條件。平臺差異對軟件可靠性指標的影響隨著軟件技術的發展和電子平臺技術的發展,影響已經逐漸減小,在一定設計規范的約束下,可基本消除影響。

3) 實航軟件逆向驗證

軟件研制過程中出現實航軟件異常情況,在傳統技術條件下,只能采用人工數據比對方式進行故障排查,效率低,定位不準確,通過某型魚雷全數字仿真試驗系統,可將實航數據反演至數字某型魚雷,驅動軟件按實航狀態運行,并通過仿真平臺提供的段點調式工具快速定位故障點,因此盡管某型魚雷軟件規模大,軟件邏輯關系復雜,但故障定位效率較高,未出現過軟件故障不清等問題,某型雷科研試驗某條次的軟件故障就是是通過該技術進行快速重現和定位的。

6 應用展望

鑒于虛擬現實技術在軍事領域的諸多優勢,各發達國家紛紛投入巨資對其基礎技術與應用技術加以研究,并在海軍及魚雷作戰訓練中得到發展應用;我軍對虛擬作戰的研究也日趨深入,尤其是近年來在魚雷虛擬作戰方面也有新的突破,但與先進的軍事大國相比,仍存在不小差距,因此,需要抓住虛擬現實技術在軍事領域的發展方向,圍繞新的戰略戰術態勢,逐步開發適合新形勢作戰的虛擬作戰系統平臺。

相對傳統魚雷作戰訓練方式,開發魚雷虛擬作戰平臺將在三個方面具備顯著優勢:安全、成本、效率。實地實戰訓練不僅成本高昂,而且受氣候變化、海況、國際政治等因素影響,同時對戰士生命及環境造成一定威脅。

美國最早將虛擬現實技術運用于軍事作戰仿真,并引領整個領域的發展方向,在虛擬海戰方面也開發了較完備的作戰體系。20世紀末美國海軍開發了人造環境戰術集成(Synthetic Environment Tactical Integration,SETI)系統,該系統為艦隊提供了訪問海軍海底作戰中心的海底作戰模型和進行仿真訓練所需的系統、過程和能力。該系統通過人工魚雷、人工目標來降低費用、提高訓練效益,并讓受訓人員仿佛置身于真實的作戰環境中;同時SETI可提供模擬目標對抗和作戰海域的海洋環境及命中信息評估、真實目標規避、對抗等功能。該系統主要有三部分組成:大西洋海底試驗和訓練中心(AUTEC)、演習通信中心(ECC)、武器分析設備(WAF),整個魚雷發射評估的流程為:通過SETI虛擬魚雷程序,潛艇在訓練中心AUTEC任何深度發射虛擬魚雷,魚雷運行于武器分析設備上(WAF),通信中心(ECC)完成整個數據通訊。

2002年底,美國在艦隊綜合訓練中首次驗證了海上虛擬訓練系統(Virtual At-Sea Training,VAST),該系統集成實現了海洋立體戰斗空間,使全體艦隊官兵實時參與主導整個戰斗過程。該系統可模擬任何感興趣的交戰空間及目標,同時可與戰斗兵力戰術訓練系統(Battle Force Tactical Training,BFTT)集成使用。2010年美國又相繼投入使用了艦上、岸上虛擬學習系統(Virtual Environments for Ship and Shore Experiential Learning,VESSEL),潛艇訓練虛擬環境系統(Virtual Environment Submarine Trainer,VEST)分別用于訓練培訓新兵及未來海軍軍官。

德國法國等歐洲國家的虛擬魚雷作戰系統與美國的網絡式交互系統不同,更側重于開發獨立的模擬器或依托于某型魚雷開發模擬系統。如法國的海上魚雷處理系統直流模擬器用于魚雷遠程操作控制仿真,可模擬各種海底條件、海流、魚雷、可見度、其他物體和資源探測等。德國的指揮與操作訓練器,訓練內容包括船只控制,水下目標的探測和區分,對魚雷的區分、平衡和報告以及對水上機器人的控制等,同時也包括一些維護訓練。德國以332型攻擊魚雷為基礎,開發了DSQS-11M型模擬控制器;另外,法國艦艇建造局專門為德法兩國共同研制的MU90輕型反潛魚雷開發了SIMOPE魚雷模擬器。

2004年,澳大利亞與美國聯合開發MK48 Mod7型魚雷時,專門成立了海上實驗室(Maritime Experimentation Laboratory,)及魚雷系統中心(Torpedo Systems Centre,TSC)用于承擔一系列虛擬戰環境下的網絡中心戰實驗,并利用TSC完善的模擬和仿真工具進一步研制新型MK48重型魚雷。

目前我國裝備部隊的主戰魚雷尚缺乏虛擬訓練系統,主要依靠操雷進行實航練習。我國最新研制的某型魚雷即將大規模裝備部隊,部隊面臨的首要問題是如何掌握該型魚雷的使用方式和最大程度的發揮產品的作用,使得在最短的時間內形成戰斗力,而組織各型魚雷的操作訓練是解決這一問題的關鍵。由于魚雷是典型的大型復雜電子裝備,艦艇部隊配備少,在實裝上進行操作訓練會造成裝備的嚴重損耗,降低裝備的生命周期,一是不能滿足大批次人員的集中訓練,二是多種類型的魚雷難以統一組織進行訓練,更無法針對戰場復雜作戰環境和任務進行實戰適應性訓練,給操作人員培訓和提升裝備的戰斗力帶來了較大難度。因此引入基于全數字仿真的虛擬訓練系統具有重要的軍事意義,通過虛擬訓練系統,可針對魚雷產品準備、作戰指揮決策等進行有效的輔助訓練,提高部隊對涉及作戰的重要問題進行籌劃設計和選優決斷的熟練過程。

7 結語

綜上所述,某型魚雷全數字仿真系統彌補了我國相關技術空白,對某型魚雷的研制起到了關鍵作用。將全數字化魚雷仿真系統應用于魚雷研制和訓練過程,符合減少人員、物資的損耗,提高軍事作戰水平和訓練效率的現實需求。

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版 權 聲 明

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《艦船電子工程》編輯部

Application of Domestic Torpedo Full Digital Simulation System

YANG Dong1CHEN Yingliang2

(1. Navy Representative Office in Kunming, Kunming 650118) (2. Kunming Branch of the 705 Research Institute of CSIC, Kunming 650118)

By introducing the concept of full digital simulation technology, the paper introduced building principle and system composition in a certain type of domestic digital torpedo’s virtual test equipment, and the application in course of developing the torpedo. Virual torpedo model was designed, torpedo operational environment was built, the process of torpedo operation virtual test was carried out in the simulation environment successfully. It filled the gaps of torpedo full digital simulation technology in the domestic, and analyzed the application and prospect in the military training and developing such equipment.

full digital simulation, torpedo, virtual operational environment

2014年7月7日,

2014年8月23日

楊咚,男,工程師,研究方向:信號處理和水中兵器研制。陳迎亮,男,碩士研究生,工程師,研究方向:軟件體系結構、數字化仿真分析。

TJ63+1.8

10.3969/j.issn1672-9730.2015.01.006