基于XML的機(jī)載航電系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)化描述

王志樂，董軍宇，孫忠云

(1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū) 軍用虛擬仿真研究與訓(xùn)練中心，山東 青島 266041；2.中國海洋大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，山東 青島 266000)

0 引 言

現(xiàn)代飛機(jī)航電系統(tǒng)已經(jīng)由原先的分立式、聯(lián)合式變?yōu)楝F(xiàn)在的集成模塊化、分布式[1]，由于先進(jìn)的電子信息技術(shù)在航電系統(tǒng)上的應(yīng)用，使得航電系統(tǒng)功能越來越強(qiáng)大，系統(tǒng)之間的通信數(shù)據(jù)量成倍增長，交聯(lián)越來越復(fù)雜，涵蓋了飛控、顯控、雷達(dá)、導(dǎo)航、通信、火控等子系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)也成為現(xiàn)代先進(jìn)飛機(jī)的核心系統(tǒng)。在航電系統(tǒng)仿真的設(shè)計(jì)、建模、使用過程中，對系統(tǒng)仿真模型缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)仿真模型的開發(fā)還處在比較低的層次。主要表現(xiàn)在：(1)仿真模型建立的過程、仿真粒度、實(shí)現(xiàn)方法沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)集成缺乏優(yōu)化算法；(2)仿真模型接口不規(guī)范，對模型接口數(shù)據(jù)的優(yōu)化不足，無法形成工業(yè)化的仿真產(chǎn)品，模型缺乏重用性，無法根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行二次開發(fā)。因此，在模擬系統(tǒng)開發(fā)過程中需要重點(diǎn)研究航電系統(tǒng)仿真模型抽象描述技術(shù)和接口技術(shù)。

文中提出了以任務(wù)需求為驅(qū)動數(shù)據(jù)，基于XML技術(shù)[3-5]設(shè)計(jì)了想定任務(wù)-飛機(jī)-機(jī)載裝備三層描述關(guān)系，分別給出了想定任務(wù)組成及描述結(jié)構(gòu)，機(jī)載航電系統(tǒng)的組成及描述結(jié)構(gòu)，形成了任務(wù)和系統(tǒng)仿真的結(jié)構(gòu)化描述方法、存儲方法，并在此基礎(chǔ)上形成規(guī)范的想定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)建模提供重要的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 XML數(shù)據(jù)模型

XML文件結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為語義節(jié)點(diǎn)間的相互嵌套關(guān)系[6]。XML文件的數(shù)據(jù)內(nèi)容通常被抽象為XML標(biāo)簽有向樹模型[7]，可以將該模型定義為T=(V,E,R,L),其中T表示標(biāo)簽有向樹模型，V表示有向樹中所有節(jié)點(diǎn)的集合，E表示有向樹模型中所有關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)之間邊的集合，R表示有向樹的根節(jié)點(diǎn)，L表示有向樹中所有節(jié)點(diǎn)所帶標(biāo)簽的集合。

根據(jù)上述定義的XML數(shù)據(jù)模型和表示方法，可以將XML文件描述的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系分為三種情況，而且這三種情況與XML有向樹模型的節(jié)點(diǎn)關(guān)系是對應(yīng)的。假設(shè)T、V、E、R、L存在下列集合表達(dá)式。

T={T1,T2,T3,…},V1={V11,V12,V13,…},

V2={V21,V22,V23,…}

其中,V1∈T1,V2∈T2。

則可以將T1,T2兩個XML數(shù)據(jù)模型的節(jié)點(diǎn)集合V1,V2所包含的節(jié)點(diǎn)通過關(guān)系示意圖表示出來，如圖1所示，這樣可以更好地說明有向樹所包含節(jié)點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。

(a)節(jié)點(diǎn)緊包含結(jié)構(gòu) (b)節(jié)點(diǎn)包含結(jié)構(gòu)

圖1 XML文件節(jié)點(diǎn)之間關(guān)系示意圖

例如在圖1(a)中節(jié)點(diǎn)V11與節(jié)點(diǎn)V12之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系為緊包含關(guān)系，且節(jié)點(diǎn)V11的層級比節(jié)點(diǎn)V12高，因此V11與V12之間構(gòu)成了父子關(guān)系，V11稱為父節(jié)點(diǎn)，V12稱為子節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)V11與節(jié)點(diǎn)V13屬于相同層級，因此構(gòu)成的結(jié)構(gòu)關(guān)系為兄弟關(guān)系，V11與V13是兄弟節(jié)點(diǎn)。在圖1(b)中，節(jié)點(diǎn)V21與節(jié)點(diǎn)V23之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系為包含關(guān)系，且節(jié)點(diǎn)V21的層級比節(jié)點(diǎn)V23高一級以上，則節(jié)點(diǎn)V21與節(jié)點(diǎn)V23構(gòu)成了祖先-后代關(guān)系，V21為祖先節(jié)點(diǎn)，V23為后代節(jié)點(diǎn)。

2 想定任務(wù)抽象描述

飛機(jī)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)都是依據(jù)想定任務(wù)需求，設(shè)計(jì)相關(guān)的機(jī)載仿真模型，各系統(tǒng)的仿真模型可以根據(jù)系統(tǒng)的重要性和關(guān)鍵程度設(shè)計(jì)仿真的粒度。另外模擬訓(xùn)練是在一定的自然環(huán)境中進(jìn)行的，因此在進(jìn)行任務(wù)想定設(shè)計(jì)過程中，需要考慮環(huán)境因素對仿真模型逼真度的影響。想定任務(wù)的組成要素包括了飛機(jī)實(shí)體、自然環(huán)境、從任務(wù)想定角度來分析，需要描述統(tǒng)一的實(shí)體數(shù)據(jù)模型和自然環(huán)境資源，以及系統(tǒng)環(huán)境及任務(wù)屬性等輔助特性。按層次化描述體系，首先描述想定任務(wù)，下面以最具代表性的戰(zhàn)術(shù)飛行仿真訓(xùn)練系統(tǒng)中的實(shí)體資源和環(huán)境資源為例，介紹基于XML的仿真系統(tǒng)中任務(wù)想定的結(jié)構(gòu)化描述。

2.1 仿真資源描述

戰(zhàn)術(shù)飛行仿真訓(xùn)練系統(tǒng)的總體任務(wù)定位是進(jìn)行基本的戰(zhàn)術(shù)程序訓(xùn)練，通過綜合航電/武器系統(tǒng)的使用進(jìn)行單機(jī)對抗科目的近距空中格斗、中遠(yuǎn)距攔截；對地(海)面進(jìn)行轟炸和戰(zhàn)術(shù)打擊，因此想定任務(wù)包括至少2型飛機(jī)實(shí)體，及與飛行、航電武器有關(guān)的實(shí)體資源、自然環(huán)境。根據(jù)XML的數(shù)據(jù)模型描述機(jī)載航電系統(tǒng)仿真模型結(jié)構(gòu)過程中存在多個有向樹模型。

T={Tm,Tf1,Tf2,Tw}

其中，Tm表示任務(wù)想定描述的節(jié)點(diǎn)集合；Tf1表示飛機(jī)實(shí)體1描述的節(jié)點(diǎn)集合；Tf2表示飛機(jī)實(shí)體2描述的節(jié)點(diǎn)集合；Tw表示武器實(shí)體描述的節(jié)點(diǎn)集合，文中以某型導(dǎo)彈實(shí)體的描述為例。

2.2 想定任務(wù)結(jié)構(gòu)化描述

想定任務(wù)主要描述任務(wù)的屬性、系統(tǒng)參數(shù)、機(jī)場信息、實(shí)體屬性及初始信息。可以用形式化表示語言[8-9]描述為：

Mission::<

<任務(wù)屬性<任務(wù)ID>,<任務(wù)類型>,<任務(wù)名稱>,<創(chuàng)建者>,<創(chuàng)建時間>>,

<系統(tǒng)參數(shù)<開始時間>,<結(jié)束時間>,<步長時間>,

<地形參數(shù)<地形ID>,<地形名稱>,<紋理類型>,

<數(shù)據(jù)時間>,<版本>>,

<網(wǎng)絡(luò)參數(shù)<服務(wù)器IP>,<當(dāng)前實(shí)體ID>,

<客戶IP>,<端口號>,<實(shí)體ID>,

<在線>,>>，

<氣象參數(shù)<天氣類型>,<等級>,<能見度>,<日期時間>,

<風(fēng)<風(fēng)速>,<風(fēng)向>>,<云<類型>,<高度>,

<厚度>,<等級>>,<紅外輻射等級>,

<電磁輻射等級>>，

<機(jī)場參數(shù),<名稱>,<經(jīng)度>,<緯度>,<高度>,

<跑道<跑道長度>,<跑道航向>>,

<決策高度,,>,

,<半徑>>,<機(jī)場壓強(qiáng)>,

,,>,

<仿真實(shí)體<實(shí)體ID>,<類別>,<類型>,<名稱>,

<等級>,<國家>,<紅藍(lán)方>,

<實(shí)體描述<文件路徑>>,

<基本參數(shù)<經(jīng)度>,<緯度>,<高度>,

<速度>,<航向>,<狀態(tài)>>>

>

XML語言結(jié)構(gòu)具有一定的約束性，在描述對象時需要遵循一定的語法格式和嵌套規(guī)則[10]，因此XML主要關(guān)注的是數(shù)據(jù)的內(nèi)容和數(shù)據(jù)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。利用XML數(shù)據(jù)模型可以將想定任務(wù)結(jié)構(gòu)化語言描述方式轉(zhuǎn)化成有向樹，例如圖2是想定任務(wù)總體有向樹結(jié)構(gòu)，圖3是氣象參數(shù)有向樹結(jié)構(gòu)，圖4是仿真實(shí)體數(shù)據(jù)有向樹結(jié)構(gòu)。因此想定任務(wù)也就是XML數(shù)據(jù)模型的樹形表示方式，可以快速轉(zhuǎn)化成XML文件進(jìn)行存儲，如圖4所示。

圖2 想定任務(wù)總體有向樹結(jié)構(gòu)

圖3 氣象參數(shù)有向樹結(jié)構(gòu)

圖4 實(shí)體基本信息有向樹

利用XML的結(jié)構(gòu)化嵌套語言對Mission想定任務(wù)有向樹結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，如圖5所示，描述了Mission想定任務(wù)的屬性、氣象參數(shù)。

圖5 XML描述想定任務(wù)

3 實(shí)體資源抽象描述

想定任務(wù)資源描述作為第一層級的數(shù)據(jù)模型，重點(diǎn)是描述的任務(wù)資源之間相互影響、彼此交互的基本信息，如系統(tǒng)參數(shù)、氣象參數(shù)、機(jī)場參數(shù)以及實(shí)體的基本位置信息、姿態(tài)和速度的描述，并且定義了實(shí)體描述文件的路徑。對實(shí)體內(nèi)部系統(tǒng)的描述定義在第二層級的數(shù)據(jù)模型中實(shí)現(xiàn)，即機(jī)載航電結(jié)構(gòu)化描述，在第三層級描述子實(shí)體，即導(dǎo)彈武器。

3.1 機(jī)載航電結(jié)構(gòu)化描述

機(jī)載航電系統(tǒng)包括支持飛機(jī)完成飛行、作戰(zhàn)等任務(wù)的所有與電子學(xué)相關(guān)的設(shè)備和系統(tǒng)[11]，對于現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)來說，航空電子系統(tǒng)需要完成導(dǎo)航功能、大氣數(shù)據(jù)計(jì)算、人機(jī)接口、目標(biāo)探測和跟蹤、通信導(dǎo)航、任務(wù)解算等，對于運(yùn)輸機(jī)需要增加貨物裝載系統(tǒng)等[1]，因此機(jī)載航電系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)多、數(shù)據(jù)交互多、交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜。機(jī)載航電系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)化語言模型描述為：

Entity::<

<配置信息<是否帶座艙顯示>,<是否使用專用模型>,

<是否使用專用接口>,<飛行控制類型>>,

<加載模型,,,,,

,,,,,

>,

,,>,

,,>,

<懸掛物<武器,<掛點(diǎn)號>,<武器型號>,<數(shù)量>,

<重量>,<描述文件路徑>>,

<......>,

<武器,<掛點(diǎn)號>,<武器型號>,<數(shù)量>,

<重量>,<描述文件路徑>>>,

<航炮<炮彈數(shù)量>>,

<飛行計(jì)劃<起飛機(jī)場ID>,<航路點(diǎn)<航路點(diǎn)號>,

<經(jīng)度>,<緯度>,<高度>,<切入航向>,

<切入距離>,<剩余時間>,<磁差>>,

<......>,

<航路點(diǎn)<航路點(diǎn)號>,<經(jīng)度>,<......>>>,

<科目<數(shù)量>,<科目1<科目ID>,<類型>,<速度>,

<航向>,<高度>,<經(jīng)度>,<緯度>>,

<......>,<科目4<科目ID>,<......>>>,

>

利用結(jié)構(gòu)化嵌套語言對機(jī)載航電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型、屬性特征進(jìn)行了描述，在此基礎(chǔ)上可以快速構(gòu)建有向樹，最后基于XML對機(jī)載航電系統(tǒng)進(jìn)行樹型嵌套結(jié)構(gòu)的建模，存儲后可以用于仿真軟件、想定軟件等的實(shí)驗(yàn)建模、應(yīng)用開發(fā)。圖6描述了某飛機(jī)實(shí)體的機(jī)載航電系統(tǒng)XML文件。

3.2 機(jī)載武器實(shí)體結(jié)構(gòu)化描述

導(dǎo)彈武器是獨(dú)立的飛行器，同時又作為飛機(jī)實(shí)體作戰(zhàn)系統(tǒng)的一部分，由航電子系統(tǒng)中的外掛物系統(tǒng)進(jìn)行交互管理，因此應(yīng)當(dāng)作為第三層級的實(shí)體進(jìn)行建模描述，以某型導(dǎo)彈為例，其模型通過結(jié)構(gòu)化描述語言表示為：

MISSILE::<

,,>,

,,>,

,,

>

圖6 某飛機(jī)實(shí)體的機(jī)載航電系統(tǒng)XML文件

該型導(dǎo)彈對應(yīng)的XML描述文件如圖7所示。

圖7 導(dǎo)彈對應(yīng)的XML描述文件

4 基于XML的數(shù)據(jù)訪問

每個XML描述文件中定義了相應(yīng)數(shù)據(jù)源的樹形結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)標(biāo)記、數(shù)據(jù)類型、模型路徑、屬性等信息。以描述的XML文件作為系統(tǒng)加載的初始化數(shù)據(jù)、模型配置數(shù)據(jù)、模型交互數(shù)據(jù)等，由于XML描述文件的數(shù)據(jù)受Schema約束的性質(zhì)[12-14]，所以系統(tǒng)間要交互的信息按照XML Schema標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行描述[15]，以此保證應(yīng)用系統(tǒng)間交流的數(shù)據(jù)都具有標(biāo)準(zhǔn)的、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式[16]。

4.1 XML交互功能設(shè)計(jì)

仿真應(yīng)用系統(tǒng)通過XML文件完成數(shù)據(jù)的交互，主要是實(shí)現(xiàn)對XML文件的讀取、節(jié)點(diǎn)操作、元素及屬性更新等。建立CXmlParseSTL類對XML文件進(jìn)行訪問，在該類中完成所有的訪問操作和數(shù)據(jù)處理，既方便航電各系統(tǒng)仿真模型的使用，也有利于仿真系統(tǒng)的集成交互。對XML文件的訪問數(shù)據(jù)操作和修改數(shù)據(jù)操作的設(shè)計(jì)如表1和表2所示。

表1 XML訪問數(shù)據(jù)操作

表2 XML修改數(shù)據(jù)操作

4.2 結(jié)構(gòu)化航電數(shù)據(jù)模型的應(yīng)用

航電仿真應(yīng)用平臺基于設(shè)計(jì)的XML數(shù)據(jù)文件采用配置項(xiàng)的模塊化設(shè)計(jì)方法，每個模塊是基于模型組件模板類進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)的模型組件形成模型資源庫，因此設(shè)計(jì)的航電仿真應(yīng)用平臺資源庫包括實(shí)體資源庫和模型資源庫。該平臺基于XML描述的想定任務(wù)驅(qū)動文件調(diào)用相應(yīng)的實(shí)體資源庫及模板類，建立實(shí)體對象和實(shí)體容器列表，平臺可以對實(shí)體進(jìn)行實(shí)時管理，平臺類架構(gòu)如圖8所示。

實(shí)體對象根據(jù)XML想定任務(wù)描述文件和機(jī)載航電系統(tǒng)描述文件在初始化方法中調(diào)用平臺提供的模型組件或模型模板，快速地創(chuàng)建模型對象和模型容器列表，并可實(shí)時管理模型。

圖8 基于XML數(shù)據(jù)模型的仿真平臺架構(gòu)

依據(jù)飛機(jī)實(shí)體與模型之間、各航電仿真模型之間的數(shù)據(jù)控制關(guān)系和收發(fā)傳輸關(guān)系，在仿真平臺架構(gòu)下快速地實(shí)現(xiàn)實(shí)體裝配(即模型之間的集成)，就可以構(gòu)建出某型飛機(jī)的仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。通過平臺可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行管理和實(shí)體(模型)的實(shí)時更新、調(diào)度、刪除等。

5 結(jié)束語

以想定任務(wù)需求作為系統(tǒng)仿真的驅(qū)動數(shù)據(jù)，對仿真資源、想定任務(wù)和實(shí)體資源進(jìn)行結(jié)構(gòu)化描述，形成了三層結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型和系統(tǒng)仿真資源庫調(diào)用接口，利用XML數(shù)據(jù)模型建立有向樹結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上利用XML結(jié)構(gòu)化嵌套語言[17]對想定任務(wù)、仿真資源、實(shí)體資源進(jìn)行了系統(tǒng)性的描述，形成了系統(tǒng)性接口文件，可以用于機(jī)載航電系統(tǒng)仿真模型平臺的建設(shè)。最后，根據(jù)有向樹結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和XML語言的特點(diǎn)，以節(jié)點(diǎn)和元素為基本單元，給出了XML文件數(shù)據(jù)訪問的操作函數(shù)定義，可以作為機(jī)載航電系統(tǒng)仿真模型建設(shè)平臺的基本資源。該方法用于機(jī)載航電系統(tǒng)仿真平臺的建設(shè)將很大程度上提高仿真模型資源的重用性和共享性，提高系統(tǒng)開發(fā)的效率和可靠性。