基于數據驅動的航天器演訓任務可視化方法

王佳偉 羅毓芳 邱瑞

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

航天器仿真可視化是仿真領域研究的重要課題，其中針對航天器演訓任務特點進行的可視化，是用戶進行業務追蹤和決策的重要內容。隨著航天器數量的不斷增加，演訓任務的復雜性不斷提升，任務范圍包括測控事件、故障處理、特定演練、聯合作戰等。可視化的時效性、直觀性及交互性要求不斷提高，因此僅對航天器任務過程的遙測信息進行列表顯示，已經無法滿足當前航天器演訓任務可視化的需求。

在過去幾十年中，圍繞工程任務需求，國內外已經開展了航天器演訓仿真任務可視化方法的相關研究。研究的重點主要集中在系統架構設計及面向信息流的可視化方法等方面，提出了基于時間序列、層次信息、隨機分布等方法。

隨著航天器演訓仿真任務的復雜性與動態性不斷提高，仿真系統需要對多源異構的仿真數據，包括仿真遙測信息、仿真控制信息、仿真流程信息等類型數據進行顯示。能否全面、快速、動態顯示演訓任務信息是航天器可視化系統亟待解決的問題。通過演訓任務的實時動態可視化，用戶可更為直觀的掌握仿真任務狀態，及時有效的進行決策分析。

本文通過分析航天器演訓任務特點，在多源異構仿真數據基礎上，提出了一種基于數據驅動的航天器演訓任務可視化方法，并結合某航天器演練訓任務仿真實例進行了試驗驗證，為航天器仿真系統可視化提供了新的方法手段。

1 動態可視化方法

在仿真系統中，航天器演訓任務可視化的內容與顯示形式應能夠實現對演訓任務全流程的完整描述，滿足仿真演訓的要求。用戶可通過可視化的顯示內容，完成對演訓任務流程的正確認知和分析評估。目前可視化方法對任務信息顯示以數據列表為主，對數據之間關聯性顯示較少[1]。針對任務多源數據的可視化，缺少以場景為主導的交互數據動態實時顯示[2]。針對復雜航天器演訓任務，涉及任務環節多，任務進行過程中交互數據量大，當數據交互關系復雜時，單一的可視化手段無法滿足高效仿真決策的要求。

為進一步增加演訓任務現實豐富性，解決關聯數據可視化問題，本文提出了基于仿真實時數據驅動的動態可視化方法，包括對演訓任務結構化分析、基于任務場景的數據生成和封裝、對任務環節關聯性顯示分析及任務全過程的動態展示。該方法根據航天器演訓任務規范和操作人員的訓練習慣，將演訓任務可視化分為任務流程時序可視化、任務遙測數據可視化、交互數據可視化等方面。演訓任務流程通過各子任務環節之間的時序關系進行表示，顯示過程中采用動態可視化模式。

1.1 可視化方法流程

演訓任務仿真可視化過程中，有兩個主要問題需要解決：一是將多源分散的仿真數據和任務的整個流程轉變為時序的結構化模型；二是實現可視化數據的關聯分析和動態顯示[3]。對于第一個問題，本文提出一種結構化樹形語言模型，對任務數據進行轉換；對于第二個問題需要進行多層次的任務流程數據動態可視化實現。動態可視化方法過程如圖1所示。

(1)演訓任務結構化語言描述模塊，通過接收用戶設定的演訓任務,并根據指定的結構化語言對仿真任務進行處理。將任務數據轉換成表格結構或網絡結構數據，通過結構化語言轉換成可視化層次樹結構存儲，用于支持后續可視化的操作。

(2)關聯屬性展示模塊，對演訓任務結構化轉換后的數據進行關聯屬性分析，對多個任務節點之間的關聯關系進行配置，同時根據遍歷算法，按照時序流程遍歷顯示所有任務節點。

(3)場景化數據封裝模塊，根據數據處理引擎生成的任務樹形結構，對可視化節點進行各種配置，最終生成可視化的數據包。包括節點布局配置、類型配置、可視化配置和關聯配置。其中布局配置用以指定可視化節點整體的布局；類型配置用以指定各個節點可視化使用的圖形或控件類型；可視化配置用以詳細配置各個可視化圖形的具體參數,如坐標軸對應的數據、可視化圖形元素的顏色、尺寸等屬性；關聯配置用以配置多個不同的可視化節點之間的關聯關系。所有場景數據最終作為動態可視化顯示的輸入。

(4)動態可視化模塊，對已經生成的任務數據樹進行遍歷和渲染的過程，確保能夠實時動態地顯示用戶交互數據和任務數據。

圖1 動態可視化方法過程Fig.1 Dynamic visualization method flow

1.2 可視化方法架構

可視化過程按照演訓任務的時序流程進行，每個任務環節按照結構化語言規則對環節包含的數據進行建模，同時整個環節的可視化數據進行“容器”封裝。根據時序規劃，對任務節點進行遍歷顯示，并根據用戶的交互信息作實時動態調整。

演訓任務過程中會包含眾多的仿真節點，每個節點數據包括用戶交互操作數據、仿真遙測數據、可視化屬性相關數據等信息，這些數據的格式不同，在可視化實現過程中首先要對任務涉及的數據進行融合處理，格式歸一化。

演訓任務經過結構化分析表示后，形成了各種功能的仿真數據包。進行可視化實現時，按場景對可視化進行服務級組裝，系統保存的仿真任務場景結構化文件經過一定的仿真模擬算法轉化為時序數據，然后以一定頻率發送給可視化模塊。在場景化的數據文件中，保存了仿真任務場景中涉及的可視化模型實例及各實例的表達式形式。場景化數據生成架構如圖2所示。

(1)根據結構化處理后的演訓任務節點，將同一個可視化節點的相關數據放在同一個服務中，一個場景對應一個服務，確保拆分的可視化節點是可獨立部署升級的服務單元。

(2)根據仿真任務類型、任務規模選擇合適的服務架構模式，確定服務縱向分區、橫向分層的原則，確定分區之間與分層之間的交互方式與通信機制。

(3)確定場景化服務中內部服務通信接口和外部服務通信接口，為了降低服務間耦合，服務對外暴露的信息應盡可能少，并充分利用服務發現機制實現服務之間的透明通信。

(4)針對特定子任務的場景化封裝，將不同的子任務設定為主題選擇，通過選擇不同的主題風格,可以實現對演訓任務的組裝。提供對多數據源的支持以及對多可視化圖形之間關聯的支持。在可視化設計的過程中,可以隨時選擇新的數據源進行加載。

圖2 場景可視化數據生成架構Fig.2 Scene visualization data generation architecture

2 關鍵技術研究

針對航天器演訓任務的可視化方法，必須結合航天器演訓任務自身特點，對仿真流程及各節點之間的關聯性進行分析，再通過結構化語言規則進行描述[4]。可視化過程中，不僅要對每個節點相關數據進行結構化轉換，還需要顯示各節點間的關聯關系，對各關聯數據的可視化是要解決的重要問題。

2.1 任務結構化描述方法

航天器演訓任務包括常規演訓任務、應急演訓任務、故障處置任務等類型。演訓任務仿真所涉及的可視化數據包括：任務流程節點數據、任務相關遙測數據、任務交互數據和可視化屬性數據。針對任務過程的動態可視化就是基于數據驅動，將任務時序執行過程中各節點的數據信息進行動態可視化顯示，演訓任務過程中涉及的仿真數據如圖3所示。

圖3 演訓任務數據分類Fig.3 Classification of training task data

本文設計了樹形結構可視化語言描述方法，通過樹形結構描述演訓任務過程和可視化相關數據。演訓任務和樹形結構化語言數據之間為一一對應的映射關系，通過可視化方法實現語義層的數據業務含義與任務數據實體之間的關聯關系。[5]

任務流程數據可表示為一組節點Qi的集合{Q1,Q2,…,Qn}。節點的數據通過屬性子節點T1、T2、T3、T4的樹形結構表示，如圖4所示。

(1)Qi是演訓任務流程的一個節點，作為節點結構化數據的根節點。

(2)Qi節點的任務樹劃分為4個子樹,包括節點任務功能描述子樹T1、可視化屬性子樹模塊T2、遙測數據子樹T3和關聯關系描述子樹T4。根節點與每個子樹均為一對多的關系,即根節點可以包括0個或多個子樹的實體。

(3)演訓仿真任務劃分為多個子任務節點Qi的組合，其中T1是Qi的任務功能角度的分解，每個功能項對應一個樹節點，節點數據組成功能描述數據包；T2是任務可視化相關屬性的描述，包括可視狀態、可視屬性，節點數據組成可視化屬性數據包；T3是每個任務節點所涉及的遙測數據，根據規定的協議組成可視化遙測數據包；T4是各任務節點數據之間關聯關系數據包，實現演訓任務不同維度可視化數據的聯動。[6]

(4)以圖4中T2節點為例，T2節點為可視化屬性節點，劃分為節點形狀、節點顏色、節點相鄰邊和節點位置等數據包。通過結構化描述規則將數據與相應的節點屬性進行綁定，后續進行可視化顯示時對T2包含的所有數據包進行遍歷。[7]

2.2 關聯特性可視化方法

演訓任務中包含多個可視化圖形,則需要對多個圖形之間的關聯關系配置。關聯配置允許在結果包含多個可視化圖形時,將兩個圖形對應的數據中的某個維度的數據進行關聯。當具有關聯關系的子任務中數據發生變化,具有關聯性的任務節點均會根據數據的變化而重新繪制。

通過設置的關聯關系，可以查看仿真任務節點的鄰居節點。關聯關系通過節點之間的邊結構進行描述，基于邊數據的樹形展示提供系統歸屬編輯的參考依據[8]。針對仿真任務流程進行展示時，則需要快速查找基于仿真節點的邊數據。樹形展示算法的輸入為任務節點的編號，根據節點中的輸入邊與輸出邊屬性獲取樹形關聯關系可視化的數據，如圖5所示。

在關聯關系可視化階段，T1、T2、T3、T4存在一個節點具有相同關聯節點情況：例如節點T1有鄰居，節點T2有鄰居T4、T5、T6。當用戶雙擊節點T1時，展示T3、T4、T5節點；用戶繼續雙擊節點T2，展示T4、T5、T6節點，此時不需要再對節點T4與T5進行展示，僅需要繪制T2和T4、T2和T5之間的邊。可視化過程中，同時定義一個對象用于記錄已展示節點與上一級節點的關系[9]。該對象的目的是為了解決鄰居節點已添加后避免二次添加的問題。

圖5 任務節點關聯屬性配置Fig.5 Task node association attribute configuration

關聯屬性可視化主要步驟如下：

(1)傳入用戶點擊的任務節點編號；

(2)獲取被點擊點的關聯關系鏈表結構；

(3)構建節點的輸入、輸出邊關系；

(4)判定鄰居中是否有節點被添加至界面中，根據結果添加/刪除節點與邊；

(5)根據節點上下級關系，獲取上級節點的坐標，并進行布局計算。

3 可視化實例分析

本文依據某航天器實際演訓任務，根據可視化方法，實現整個演訓任務可視化系統，驗證動態可視化方法的有效性和實用性。

選取航天器演訓任務中“某航天器規避演訓任務”作為可視化實例，該任務是通過地面發送干擾信號，仿真航天器識別干擾信號、處理信號、預警規避的過程，任務過程如圖6所示。

演訓任務開始，地面模擬干擾信息，并發送至航天器綜合電子分系統；綜合電子分系統中的中心管理單元(SMU)收到地面發出的干擾信號后，形成預警數據包；在自主預警規避功能使能的前提下，對姿態進行適當調整，規避干擾信號，任務結束。利用本文的動態可視化方法，首先對演訓任務的流程進行結構化分解和描述，將任務的每部動作轉化為節點數據，并通過結構化規則進行數據描述；然后分析各環節間的關聯屬性，形成關聯數據，并將節點相關可視化數據封裝為可視化數據包；最后根據動態可視化方法對任務進行遍歷顯示。

(1)將演訓任務轉換為一系列節點鏈接圖的遍歷顯示,通過節點鏈接圖的信息組合來解決可視化過程多信息展示的問題，數據節點信息描述及實現如圖7所示。

圖6 某航天器規避演訓任務流程Fig.6 Process of a spacecraft evasion training mission

圖7 任務節點結構化代碼Fig.7 Task node structured code

(2)遍歷演訓任務節點列表，讀取每個節點數據包，并按照動態顯示方法進行顯示。讀取任務節點Qi數據，包括節點的功能數據、遙測數據和關聯關系數據。

(3)若節點存在關聯關系數據，檢查遍歷節點相關的邊是否存在。根據檢查進行維護上下級關系并進行畫布上的節點與邊的操作。在可視化插件中，所有的節點均默認添加至畫布中央原點的位置再進行彈力布局，在此基礎上根據上下級關系修正了樹形節點的坐標，代碼實現如圖8所示。

圖8 關聯特性可視化代碼Fig.8 Visualization code of association characteristics

(4)根據用戶實時的交互信息，更新任務節點信息。基于數據的動態可視化方法應用在航天器演訓任務仿真中，能夠實時顯示任務流程，幫助用戶在演訓過程中迅速發現和掌握任務執行情況。

4 結束語

本文提出了一種基于仿真數據驅動的演訓任務可視化方法，對航天器演訓任務的流程顯示形式進行了規范和設計。將演訓任務過程按照結構化的方式進行描述，并封裝成場景化數據包，對任務流程進行動態可視化。該方法將航天器演訓任務操作人員的交互需求，融入到可視化過程中，對于提高演訓人員操作效率起到關鍵作用。提出的層次化任務數據描述方法，符合航天器演訓任務可視化的實際需求，實現了可視化數據的快速生成；關聯性可視化方法支持多可視化圖形之間的交互配置,可以實現多個任務節點之間的關聯顯示；場景化的數據封裝，可以設計隨時間、隨參數變化的可視化圖形。按照該方法開發的的軟件系統，經過試驗驗證，在性能和應用效果方面達到了預期效果，證明該方法可行且有效，能夠對航天器演訓任務決策和實施起到較好的輔助作用。