一種聲納仿真模擬可視化導(dǎo)調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)?

張振華俞 劍陳少鋒羅淑萍

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所 南京 210007）

（2.北京志成凌云科技有限公司 北京 100044）

1 引言

1.1 聲納仿真模擬系統(tǒng)

聲納仿真模擬系統(tǒng)，通過部署聲吶位置、雷達(dá)位置、目標(biāo)位置，設(shè)定水文氣象聲場環(huán)境信息［1］，模擬聲吶、雷達(dá)對水面、水下目標(biāo)的探測，并將聲吶、雷達(dá)探測結(jié)果信息上報，用于對探測目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，確定目標(biāo)的準(zhǔn)確位置、航向、航速、屬性、目標(biāo)類型等信息。

整個聲納仿真模擬系統(tǒng)由導(dǎo)調(diào)軟件、目標(biāo)模擬軟件、聲場計算軟件、水聲環(huán)境模擬軟件、聲吶仿真軟件組成，如圖1所示。

其中導(dǎo)調(diào)軟件運行在操作前臺，是整個仿真系統(tǒng)的指揮和人機(jī)交互中樞［2］。其它軟件運行在服務(wù)器端，用于算法結(jié)算和模型生成，可模擬在多種海洋環(huán)境、戰(zhàn)場想定、目標(biāo)特征條件下，聲吶對水面、水下目標(biāo)的實時探測情況，并將探測結(jié)果融入整個模擬作戰(zhàn)環(huán)境中，可用于技術(shù)論證、設(shè)備研制、戰(zhàn)法研究、形象展示等。

圖1 聲納仿真模擬系統(tǒng)軟件模塊關(guān)系圖

1.2 聲吶仿真系統(tǒng)導(dǎo)調(diào)軟件

系統(tǒng)導(dǎo)調(diào)軟件主要完成想定劇情的創(chuàng)建、劇情管理、推演控制及可視化數(shù)據(jù)顯示［3］。作為整個聲納仿真系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互中心及操作控制核心，它將劇情、平臺初始化參數(shù)下達(dá)給各模擬軟件，通過仿真控制指令控制整個分布式系統(tǒng)的啟動、暫停和停止［4～5］。系統(tǒng)導(dǎo)調(diào)軟件由劇情管理、劇情編輯、輔助工具、參數(shù)設(shè)定和仿真推演幾個功能模塊組成。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)導(dǎo)調(diào)軟件功能模塊組成圖

2 系統(tǒng)設(shè)計

聲吶仿真模擬導(dǎo)調(diào)軟件，依功能可劃分為劇情管理、想定編輯、輔助工具、參數(shù)設(shè)置和仿真推演等5個軟件模塊，具體設(shè)計流程如下。

2.1 劇情管理

劇情管理功能主要包括：新建劇情、打開劇情、保存劇情、另存劇情、刪除劇情、關(guān)閉劇情、導(dǎo)入導(dǎo)出劇情。劇情管理流程圖如圖3所示。

圖3 劇情管理流程圖

2.2 想定編輯

想定編輯及系統(tǒng)配置功能主要包括：兵力屬性/操作模塊、航路編輯模塊。

想定編輯流程圖如圖4所示。

圖4 想定編輯流程圖

2.3 輔助工具

輔助工具主要包括：生成兵力模塊、兵力配置模塊、航路顯示/隱藏模塊、特效顯示模塊。

想定編輯流程圖如圖5所示。

2.4 參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置模塊主要包括：目標(biāo)參數(shù)設(shè)置模塊、聲吶參數(shù)設(shè)置模塊、聲場參數(shù)設(shè)置模塊、雷達(dá)參數(shù)設(shè)置模塊。

圖5 輔助工具流程圖

參數(shù)設(shè)置流程圖6如所示。

圖6 參數(shù)設(shè)置流程圖

2.5 仿真推演

仿真推演主要包括：仿真初始化、仿真開始、仿真暫停/繼續(xù)、仿真停止操作。

仿真推演流程圖如圖7所示。

3 軟件實現(xiàn)

3.1 軟硬件資源平臺

3.1.1 硬件環(huán)境

1）CPU：Intel酷睿i7 3970K四核；

2）內(nèi)存：8GB DDR3以上；

3）硬盤：500G以上；

4）顯卡：顯存4G；

5）網(wǎng)卡：1000M以太網(wǎng)卡；

6）顯示器：24寸 1920*1080分辨率。

3.1.2 軟件環(huán)境

1）前臺軟件：操作系統(tǒng) Windows 7-64bit，編譯環(huán)境QT4.86+VS2010；

2）服務(wù)器軟件：操作系統(tǒng) Windows 7-64bit，編譯環(huán)境QT4.86+VS2010；

3）數(shù)據(jù)庫：Oracle 11g。

3.2 模塊實現(xiàn)

1）界面設(shè)計原則

在進(jìn)行導(dǎo)調(diào)軟件可視化交互界面設(shè)計實現(xiàn)時，主要遵循以下原則。

（1）顯示內(nèi)容：按照顯示信息分類，在不同窗口顯示重點關(guān)心的數(shù)據(jù)；

圖7 仿真推演流程圖

（2）界面風(fēng)格：采用標(biāo)準(zhǔn)的控件，使用統(tǒng)一的信息表示方法，包括字體、顏色、術(shù)語、錯誤信息等；

（3）目錄層次：工具條信息、操作信息、顯示信息按層次清晰展現(xiàn)［6］；

（4）交互信息：要檢查正確性，出錯時，能明確提示用戶；

（5）操作控制：系統(tǒng)功能操作易于理解，操作容易，快捷方便；

（6）美觀效果：圖形界面的顯示美觀，布局合理，色調(diào)搭配科學(xué)；

（7）自動選擇：常用信息輸入如批號、經(jīng)緯度可以在圖形上拾取，界面上自動更新拾取目標(biāo)數(shù)據(jù)；

（8）告警提示：在需要提示與告警的情況下，提供聲音、圖形閃爍等方式告警。

2）主框架程序類

聲吶仿真模擬可視化導(dǎo)調(diào)系統(tǒng)軟件，采用QT4.84+VS2010環(huán)境進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，主框架程序類如圖8所示。

圖8 導(dǎo)調(diào)軟件主框架程序類圖

3.2.1 導(dǎo)調(diào)主界面

導(dǎo)調(diào)軟件主界面窗口，設(shè)計包含標(biāo)題欄、菜單欄、工具欄和態(tài)勢圖顯示界面，如圖9所示。

圖9 導(dǎo)調(diào)系統(tǒng)主界面

菜單欄：仿真系統(tǒng)可視化導(dǎo)調(diào)集成環(huán)境軟件客戶端程序的功能集合。

工具欄：菜單欄中常用的功能菜單項。

工作區(qū)：編輯劇情文件以及劇情導(dǎo)演顯示。

地圖操作按鈕：控制地圖的縮放、漫游等。

狀態(tài)欄：顯示鼠標(biāo)當(dāng)前在地圖上的經(jīng)緯度信息。

3.2.2 兵力配置

兵力配置對話框，如圖10所示，包括了模型列表選擇、兵力屬性設(shè)定、二維模型視圖、三維精靈模型視圖、模型插件綁定控制等操作顯示區(qū)。

圖10 兵力配置界面

3.2.3 劇情編輯

劇情編輯模塊，操作界面如圖11、圖12所示，可進(jìn)行聲吶仿真模擬劇情的新建、打開、導(dǎo)入、導(dǎo)出、刪除、保存、另存等具體劇情相關(guān)操作。模擬劇情包含了劇情名稱、創(chuàng)建人、創(chuàng)建如期、劇情簡要描述等劇情屬性項。

圖11 劇情創(chuàng)建

圖12 劇情加載

關(guān)于劇情屬性，說明如下：

1）劇情名稱：新建劇情的名稱；

2）創(chuàng)建人：劇情的創(chuàng)建作者；

3）創(chuàng)建日期：劇情的創(chuàng)建日期；

4）簡要描述：新建劇情的詳細(xì)描述信息。

輸入完整的劇情信息后，點擊“確定”，創(chuàng)建新的態(tài)勢也可點擊“取消”按鈕取消本次操作。

3.2.4 想定編輯

想定編輯，即是根據(jù)預(yù)先計劃的模擬劇情，通過導(dǎo)調(diào)軟件在態(tài)勢界面上添加雷達(dá)裝備、聲吶裝備、水下目標(biāo)、各類水面艦船等，再設(shè)定行進(jìn)航路［7］。實現(xiàn)劇情的編輯及劇情文件的生成，提供給模擬推演時加載使用［8］。操作界面如圖13（劇情想定編輯及兵力屬性設(shè)置）、圖14（目標(biāo)航線設(shè)置）所示。

圖13 目標(biāo)劇情編輯

圖14 航路設(shè)定

3.2.5 參數(shù)設(shè)定

1）目標(biāo)參數(shù)設(shè)定

通過目標(biāo)參數(shù)設(shè)定界面，如圖15所示，可對目標(biāo)相關(guān)屬性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置修改，具體包括目標(biāo)名稱、目標(biāo)所屬經(jīng)緯度/高深度、目標(biāo)航向/航速、類型、類別、機(jī)械參數(shù)等相關(guān)信息［9］。

2）聲場參數(shù)設(shè)定

通過聲場參數(shù)設(shè)定界面，如圖16所示，可對水文氣象聲場環(huán)境相關(guān)屬性參數(shù)進(jìn)行設(shè)置修改，具體包括浪高、風(fēng)速、深度、聲速、密度等相關(guān)信息。

3）聲吶參數(shù)設(shè)定

通過聲吶參數(shù)設(shè)定界面，如圖17所示，可對聲吶工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置修改，具體包括聲吶機(jī)械參數(shù)、探測參數(shù)、工作參數(shù)和裝備參數(shù)等相關(guān)信息［10～11］。

圖15 目標(biāo)參數(shù)設(shè)置

圖16 聲場參數(shù)設(shè)置

圖17 聲吶參數(shù)設(shè)置

4 結(jié)語

視景仿真環(huán)境，是一種基于可計算技術(shù)的沉浸式交互環(huán)境，是圖形技術(shù)與圖像生成、計算機(jī)、顯示和信息合成等高新技術(shù)的綜合應(yīng)用［12］，正是基于這種設(shè)計準(zhǔn)則和技術(shù)體制，整個聲吶仿真模擬導(dǎo)調(diào)可視化系統(tǒng)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)，基本可滿足后臺的算法結(jié)算、模型生成以及前臺的人機(jī)交互與操作控制，可實現(xiàn)多種水文環(huán)境、劇情想定、目標(biāo)設(shè)定條件下的聲吶探測模擬環(huán)境，以用于技術(shù)研究、平臺驗證、論證演示等場景，但同時也有一些心得與不足之處，下面列舉幾條：

1）對于各項裝備及目標(biāo)的工作參數(shù)設(shè)定中，僅能滿足日常技術(shù)實驗，后期可進(jìn)一步研究各項參數(shù)之間的聯(lián)動關(guān)系，實現(xiàn)匹配性設(shè)置；

2）導(dǎo)調(diào)操控較為繁瑣，人機(jī)交互友好性不夠，有較大提升空間；

3）公共參數(shù)設(shè)置過程較復(fù)雜，應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)定，給出默認(rèn)參數(shù)；

4）在各項模型結(jié)算實現(xiàn)時，可進(jìn)行分布式系統(tǒng)驗證，以提高模擬效率；

5）處理聲場環(huán)境信息的后臺建模過程較慢，一是硬件環(huán)境所限，二應(yīng)該繼續(xù)優(yōu)化模型處理算法。