基于組件化建模技術的無人機仿真實驗模型系統設計*

黃克明 張明義 王 濤

(陸軍軍官學院 合肥 230031)

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基于組件化建模技術的無人機仿真實驗模型系統設計*

黃克明 張明義 王 濤

(陸軍軍官學院 合肥 230031)

針對開展無人機仿真實驗的現實需求,運用組件化技術,通過模型體系和系統架構設計,初步構建了無人機仿真實驗模型系統,并對組件接口和模型系統實現等問題進行了研究。

無人機; 模型; 組件化; 仿真實驗

Class Number TP391.92

1 引言

近年來,隨著無人機技術的飛速發展與無人機裝備在軍事領域的廣泛應用,無人機運用問題研究受到普遍重視。應用計算機模擬技術,通過仿真實驗手段,在無人機運用問題研究領域中發揮越來越重要的作用。

構建無人機仿真實驗系統,開展無人機運用問題研究,需要有功能強大、體系完善的模型系統作支撐。面對當前無人機裝備快速發展的特殊時期,很難做到一次研發系統,長期滿足使用的需求。而傳統的面向對象的建模方法,在互操作性、擴展性和重用性方面都存在一定限制。同時由于無人機系統組成復雜,其作戰過程涉及地面、空中等諸多環節,因此和一般的仿真模型相比,無人機仿真實驗模型系統在模型重用、模型組合、模型形式化表示等方面要求更高。針對上述情況,本文將組件化建模技術引入到無人機仿真實驗模型系統設計中,有效地減低建模任務的復雜性,提高了模型系統的重用性、可擴充性和模型開發和集成效率。

2 無人機仿真實驗及其模型系統概述

無人機仿真實驗是在可控、可測、近似真實的模擬對抗環境中,運用作戰模擬手段,開展無人機使用問題研究。通過實驗,可有計劃地改變實驗中的無人機裝備力量、戰法、作戰環境等條件,考察各種條件下的作戰進程和結局,對深入認識無人機運用規律,提高無人機使用效能具有重要意義。

無人機仿真實驗模型主要是通過對無人機使用研究過程中所涉及的無人機裝備實體、行動、目標、過程、環境等因素的行為和屬性進行抽象與模擬仿真,是具有相互聯系、相互作用、相互影響關系的有機整體。模型系統是構建無人機仿真實驗系統的基本元素和核心內容[1]。高精度、高可靠性的模型系統決定了仿真實驗系統的質量及其可信性。模型系統構建得是否逼真、完善與實用,更是直接關系到無人機仿真實驗系統軍事以及經濟效益的發揮。

3 無人機仿真實驗模型系統設計

3.1 組件化建模技術

組件化建模技術將面向對象技術應用于模型設計[2～5]。針對仿真對象的真實物理形態和行為規則進行設計,技術實現上采用“組件化”建模思想,將系統模型細分為原子組件模型,一個完備的仿真實體由多個原子組件模型組合而成。這樣在實驗前如果需要構造一個新的無人機實體模型,就不需要重新建立一套完整的無人機系統模型,而是可以根據需要從模型庫中將相應的原子組件模型組裝起來即可。組件化建模方法將模型開發看成是一個模型組裝過程,在系統指導下尋找可重用模型組件或開發新的模型組件,并進行模型組裝,直接形成系統所需的仿真應用模型,而無需完全從頭開發。這樣最大程度提高模型的復用性和降低建模復雜度,提高了開發效率。

3.2 無人機仿真實驗模型體系設計[6～9]

基于組件化技術構造無人機仿真實驗模型系統的基礎是對實體模型進行分解,將所有具備個性特征的裝備實體模型分解成若干個共性的組件模型?？紤]到無人機系統組成、性能、功能、任務,主要戰術目標和保障對象,以及環境因素等,為實現無人機仿真實驗模型的重用性、可擴展性,將各類作戰單元的屬性和行為進行抽象,如圖1所示,模型體系按組件共性分為:平臺組件模型、機動組件模型、設備組件模型、行為組件模型、輔助組件模型五大類,每類組件模型又可以根據實際裝備進行進一步細化分類,可根據實驗規模和粒度需要對其進行擴充。

圖1 無人機仿真實驗模型體系

1) 平臺組件模型描述了無人機裝備實體在戰場環境下的實際載體平臺的物理特性。包括通用無人機平臺組件模型、通用飛機平臺組件模型、直升機平臺組件模型、導彈組件模型、地面常見目標平臺組件模型和艦艇平臺組件模型等。由于實際裝備種類多樣,差異較大,無法從細節描述每一個裝備實體,因此平臺組件模型給出了某一類裝備通用物理平臺特征,通過加載不同的組件以及參數設置的不同,來模擬特定的裝備實體。

2) 機動組件模型描述了不同類型裝備實體的動力性能和機動特性,主要包括固定翼機動組件模型、旋轉翼機動組件模型、導彈機動組件模型、裝甲機動組件模型、車輛機動組件模型、艦艇機動組件模型等。

3) 設備組件模型描述了各種無人機裝備實體平臺搭載的任務設備單元。不同的實體,通過組合不同的設備組件,是實現裝備實體功能的主要組件。包括各種無人機典型探測傳感器,如SAR、可見光、紅外、航空相機等組件模型,還包括數據處理組件模型,通信組件模型、預警雷達、對空監視和搜索雷達以及多種導彈組件模型等。探測設備需考慮環境等輔助組件下的的探測、偵察過程等。通信組件模型描述不同種類的通信設備的工作性能和運行狀態。

4) 行為組件模型描述了裝備實體的基本作戰動作,對于無人機裝備,主要包括起降任務組件模型,返航任務助教模型、突防任務組件,以及執行各種戰場偵察、目標監視、偵察校射、電子干擾、毀傷評估等任務組件模型等,還包括無人機主要保障目標和作戰目標的典型行為組件模型等。每個裝備實體的作戰行為實際上是一個基本作戰動作序列,基于這些動作序列可以完成各種作戰任務。

5) 輔助組件模型描述了無人機裝備實體執行特定任務時的環境因素,包括地理環境、氣象環境和電磁環境等組件模型;目標特性因素,主要有雷達反射特性、紅外特性和可見光特性等;還包括編隊組件模型、交戰裁決組件模型和網絡模型等。

3.3 無人機仿真實驗模型系統架構

基于組件化技術的無人機仿真實驗模型系統主要有基礎組件模型數據庫,組件對象數據庫和裝備實體模型數據庫構成,如圖2所示。

1) 組件模型數據庫,按照上述模型體系分為五個基本類型組件庫,是最基本的模型組件的集合。其中每類模型組件都完成一些特定的功能,從不同角度描述仿真對象。將這些組件進行組裝后可以提供一個作戰單元的全部功能。

圖2 無人機仿真實驗模型系統架構

加入到組件模型數據庫的組件模型需經過概念模型設計、當前組件模型庫分析、組件模型開發和組件模型提交等步驟。概念模型設計是裝備實體相關功能和行為的一次抽象描述,由此產生組件復用需求,確定模型組件構成關系;當前組件模型庫分析是在概念模型設計完成后,需在當前組件模型數據庫中查找是否有滿足本仿真實體需求的模型組件,或者經過組裝后可以完全滿足要求的,則無需開發仿真模型,否則針對缺少的模型組件部分進行開發;組件模型開發,組件模型開發是在概念模型的基礎上進行數學模型和仿真模型的設計開發工作,其中的活動包括模型分析、設計、編程和測試,最后將檢驗后的組件模型加入到組件模型庫中并進行注冊。

2) 組件對象數據庫,是根據無人機仿真實驗中仿真實體需要,將相應的組件模型的參數一一賦值,也就是組件模型實例化的對象合集。同一組件模型在賦予不同的參數后,可以形成不同的組件對象,如無人機平臺組件模型,賦予不同參數后可成為“捕食者”無人機對象,也可以成為“死神”無人機對象。

3) 裝備實體模型數據庫,組件化建模的核心內容是組件的產生和組裝。將五類組件對象組裝后形成的有獨立作戰能力的裝備實體集合。在組裝時以平臺組件模型為基礎,將平臺所搭載的機動組件模型、設備組件模型、行為組件模型以及輔助組件模型集成到該平臺上形成在想定中的存在的一個個裝備實體,一般具有機動、通信、探測或打擊等一系列作戰能力。

由于仿真對象的特異性,系統必然存在一些針對性較強的專用組件模型。所以系統模型組裝是將一些共用組件和專用組件組裝在一起,構成多樣仿真實體的過程。系統模型組裝后可以實例化成仿真實體,在不同的想定環境下運行后支持系統應用研究。

3.4 組件模型接口設計[10]

為提高靈活性,組件模型采用參數和功能分離的設計思路,在方便模型封裝的同時能夠實現功能之間的訪問。組件模型接口設計是實現組件模型重用性、可擴展性和互操作性關鍵所在。只有使用統一的接口標準,才能實現組件之間、組件和用戶之間的互相通信、協同工作,共同完成仿真任務。無人機仿真實驗模型系統將原子組件模型接口設計分為屬性、輸入接口、輸出接口、接收事件和發送等,如圖3所示。其中屬性則用于設置組件的性能參數,初始狀態等,接口用于傳輸模型周期性數據,事件一般用于傳輸臨時性數據。

圖3 原子組件模型接口示意圖

通過組裝關聯功能的多個組件可以生成復合組件,復合組件的接口同原子組件一樣,由屬性、輸入和輸出接口以及接收和發送事件組成。復合組件內部通過連線和映射統一內部接口和外部接口,如圖4所示。

圖4 復合組件接口示意圖

4 無人機仿真實驗模型系統實現過程

在上述模型系統架構設計的基礎上,通過組件模型開發軟件來實現無人機仿真實驗模型系統。組件模型開發軟件主要用于編輯生成組件模型對象,從而形成基礎的組件模型數據庫,并可用于將多個已經發布的組件模型組裝成為裝備實體模型。通過以圖形方式建立友好操作界面,使建模人員可以對組件模型進行開發與管理,其主要實現過程為:

1) 定義組件模型

依據仿真實驗模型體系設計和具體想定設計,對組件模型進行定義,包括名稱、屬性、接口、事件的定義。定義的仿真組件模型是平臺無關的。

2) 生成代碼框架

根據組件模型定義文件,生成組件模型代碼框架。代碼框架包括組件代模型碼框架和該組件模型的單元測試代碼框架。

3) 開發組件模型

在組件模型代碼框架上對組件模型的功能進行具體編程實現,并進行組件模型的輸出。實現后,經過在指定的平臺下編譯鏈接后,生成仿真組件可執行庫文件并進行單元測試,確保組件的輸入、輸出、運行操作按照設計的邏輯執行。

4) 發布組件模型

使用組件打包工具將仿真組件原子模型打成仿真組件模型包文件。仿真組件包文件中可以包含用戶自定義的仿真組件運行時依賴的文件。打包后,將仿真組件模型包發布到仿真模型庫中,發布的組件模型可以部署到仿真運行節點上運行。

5) 實例化組件模型

實例化就是組件模型根據實際裝備的參數化過程。實例化的組件不能修改原有組件模型的屬性、接口、事件的定義。同一組件模型可以通過賦予不同參數,從而實現多次實例化過程,這種方法非常適用同一系列不同型號裝備的模型開發。組件模型實例化任務在整個實驗過程中是可選的任務,實驗人員可以根據需要裁剪。實例化后組件模型需加入到組件對象數據庫中并發布,供裝備實體模型組裝使用。

6) 組裝復合模型

根據實際裝備和仿真實驗需要,選擇相應的組件模型進行組裝,并定義配置信息,從而生成所需的裝備實體模型,組裝好的實體模型仍然需要發布到裝備實體模型數據庫中。

5 結語

無人機仿真實驗系統為無人機裝備運用問題研究提供了重要技術手段。模型系統是其重要組成部分,為進一步提高系統擴展與重用性能、減少模型開發工作量、避免低水平重復建設,在模型系統設計時引入組件化建摸技術具有重大意義,規范了模型的開發,實現了模型的重用,有力推動無人機仿真實驗模型資源的重用、共享和互操作。

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The Design of UAV Simulation Model System Based on Component Modeling Technology

HUANG Keming ZHANG Mingyi WANG Tao

(Army Officer Academy of PLA, Hefei 230031)

According to the practical needs of carrying out the UAV simulation experiments, using component technology, through the design of model system and system architecture, the paper constructs the UAV simulation experiments model system. The realization of the component interface and the model system is studied.

UAV, model, component, simulation experiment

2015年6月7日,

2015年7月26日

黃克明,男,博士研究生,講師,研究方向:無人機技術與作戰運用。

TP391.92

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.024