基于组件化建模技术的无人机仿真实验模型系统设计*

黄克明 张明义 王 涛

(陆军军官学院 合肥 230031)



基于组件化建模技术的无人机仿真实验模型系统设计*

黄克明 张明义 王 涛

(陆军军官学院 合肥 230031)

针对开展无人机仿真实验的现实需求,运用组件化技术,通过模型体系和系统架构设计,初步构建了无人机仿真实验模型系统,并对组件接口和模型系统实现等问题进行了研究。

无人机; 模型; 组件化; 仿真实验

Class Number TP391.92

1 引言

近年来,随着无人机技术的飞速发展与无人机装备在军事领域的广泛应用,无人机运用问题研究受到普遍重视。应用计算机模拟技术,通过仿真实验手段,在无人机运用问题研究领域中发挥越来越重要的作用。

构建无人机仿真实验系统,开展无人机运用问题研究,需要有功能强大、体系完善的模型系统作支撑。面对当前无人机装备快速发展的特殊时期,很难做到一次研发系统,长期满足使用的需求。而传统的面向对象的建模方法,在互操作性、扩展性和重用性方面都存在一定限制。同时由于无人机系统组成复杂,其作战过程涉及地面、空中等诸多环节,因此和一般的仿真模型相比,无人机仿真实验模型系统在模型重用、模型组合、模型形式化表示等方面要求更高。针对上述情况,本文将组件化建模技术引入到无人机仿真实验模型系统设计中,有效地减低建模任务的复杂性,提高了模型系统的重用性、可扩充性和模型开发和集成效率。

2 无人机仿真实验及其模型系统概述

无人机仿真实验是在可控、可测、近似真实的模拟对抗环境中,运用作战模拟手段,开展无人机使用问题研究。通过实验,可有计划地改变实验中的无人机装备力量、战法、作战环境等条件,考察各种条件下的作战进程和结局,对深入认识无人机运用规律,提高无人机使用效能具有重要意义。

无人机仿真实验模型主要是通过对无人机使用研究过程中所涉及的无人机装备实体、行动、目标、过程、环境等因素的行为和属性进行抽象与模拟仿真,是具有相互联系、相互作用、相互影响关系的有机整体。模型系统是构建无人机仿真实验系统的基本元素和核心内容[1]。高精度、高可靠性的模型系统决定了仿真实验系统的质量及其可信性。模型系统构建得是否逼真、完善与实用,更是直接关系到无人机仿真实验系统军事以及经济效益的发挥。

3 无人机仿真实验模型系统设计

3.1 组件化建模技术

组件化建模技术将面向对象技术应用于模型设计[2～5]。针对仿真对象的真实物理形态和行为规则进行设计,技术实现上采用“组件化”建模思想,将系统模型细分为原子组件模型,一个完备的仿真实体由多个原子组件模型组合而成。这样在实验前如果需要构造一个新的无人机实体模型,就不需要重新建立一套完整的无人机系统模型,而是可以根据需要从模型库中将相应的原子组件模型组装起来即可。组件化建模方法将模型开发看成是一个模型组装过程,在系统指导下寻找可重用模型组件或开发新的模型组件,并进行模型组装,直接形成系统所需的仿真应用模型,而无需完全从头开发。这样最大程度提高模型的复用性和降低建模复杂度,提高了开发效率。

3.2 无人机仿真实验模型体系设计[6～9]

基于组件化技术构造无人机仿真实验模型系统的基础是对实体模型进行分解,将所有具备个性特征的装备实体模型分解成若干个共性的组件模型。考虑到无人机系统组成、性能、功能、任务,主要战术目标和保障对象,以及环境因素等,为实现无人机仿真实验模型的重用性、可扩展性,将各类作战单元的属性和行为进行抽象,如图1所示,模型体系按组件共性分为:平台组件模型、机动组件模型、设备组件模型、行为组件模型、辅助组件模型五大类,每类组件模型又可以根据实际装备进行进一步细化分类,可根据实验规模和粒度需要对其进行扩充。

图1 无人机仿真实验模型体系

1) 平台组件模型描述了无人机装备实体在战场环境下的实际载体平台的物理特性。包括通用无人机平台组件模型、通用飞机平台组件模型、直升机平台组件模型、导弹组件模型、地面常见目标平台组件模型和舰艇平台组件模型等。由于实际装备种类多样,差异较大,无法从细节描述每一个装备实体,因此平台组件模型给出了某一类装备通用物理平台特征,通过加载不同的组件以及参数设置的不同,来模拟特定的装备实体。

2) 机动组件模型描述了不同类型装备实体的动力性能和机动特性,主要包括固定翼机动组件模型、旋转翼机动组件模型、导弹机动组件模型、装甲机动组件模型、车辆机动组件模型、舰艇机动组件模型等。

3) 设备组件模型描述了各种无人机装备实体平台搭载的任务设备单元。不同的实体,通过组合不同的设备组件,是实现装备实体功能的主要组件。包括各种无人机典型探测传感器,如SAR、可见光、红外、航空相机等组件模型,还包括数据处理组件模型,通信组件模型、预警雷达、对空监视和搜索雷达以及多种导弹组件模型等。探测设备需考虑环境等辅助组件下的的探测、侦察过程等。通信组件模型描述不同种类的通信设备的工作性能和运行状态。

4) 行为组件模型描述了装备实体的基本作战动作,对于无人机装备,主要包括起降任务组件模型,返航任务助教模型、突防任务组件,以及执行各种战场侦察、目标监视、侦察校射、电子干扰、毁伤评估等任务组件模型等,还包括无人机主要保障目标和作战目标的典型行为组件模型等。每个装备实体的作战行为实际上是一个基本作战动作序列,基于这些动作序列可以完成各种作战任务。

5) 辅助组件模型描述了无人机装备实体执行特定任务时的环境因素,包括地理环境、气象环境和电磁环境等组件模型;目标特性因素,主要有雷达反射特性、红外特性和可见光特性等;还包括编队组件模型、交战裁决组件模型和网络模型等。

3.3 无人机仿真实验模型系统架构

基于组件化技术的无人机仿真实验模型系统主要有基础组件模型数据库,组件对象数据库和装备实体模型数据库构成,如图2所示。

1) 组件模型数据库,按照上述模型体系分为五个基本类型组件库,是最基本的模型组件的集合。其中每类模型组件都完成一些特定的功能,从不同角度描述仿真对象。将这些组件进行组装后可以提供一个作战单元的全部功能。

图2 无人机仿真实验模型系统架构

加入到组件模型数据库的组件模型需经过概念模型设计、当前组件模型库分析、组件模型开发和组件模型提交等步骤。概念模型设计是装备实体相关功能和行为的一次抽象描述,由此产生组件复用需求,确定模型组件构成关系;当前组件模型库分析是在概念模型设计完成后,需在当前组件模型数据库中查找是否有满足本仿真实体需求的模型组件,或者经过组装后可以完全满足要求的,则无需开发仿真模型,否则针对缺少的模型组件部分进行开发;组件模型开发,组件模型开发是在概念模型的基础上进行数学模型和仿真模型的设计开发工作,其中的活动包括模型分析、设计、编程和测试,最后将检验后的组件模型加入到组件模型库中并进行注册。

2) 组件对象数据库,是根据无人机仿真实验中仿真实体需要,将相应的组件模型的参数一一赋值,也就是组件模型实例化的对象合集。同一组件模型在赋予不同的参数后,可以形成不同的组件对象,如无人机平台组件模型,赋予不同参数后可成为“捕食者”无人机对象,也可以成为“死神”无人机对象。

3) 装备实体模型数据库,组件化建模的核心内容是组件的产生和组装。将五类组件对象组装后形成的有独立作战能力的装备实体集合。在组装时以平台组件模型为基础,将平台所搭载的机动组件模型、设备组件模型、行为组件模型以及辅助组件模型集成到该平台上形成在想定中的存在的一个个装备实体,一般具有机动、通信、探测或打击等一系列作战能力。

由于仿真对象的特异性,系统必然存在一些针对性较强的专用组件模型。所以系统模型组装是将一些共用组件和专用组件组装在一起,构成多样仿真实体的过程。系统模型组装后可以实例化成仿真实体,在不同的想定环境下运行后支持系统应用研究。

3.4 组件模型接口设计[10]

为提高灵活性,组件模型采用参数和功能分离的设计思路,在方便模型封装的同时能够实现功能之间的访问。组件模型接口设计是实现组件模型重用性、可扩展性和互操作性关键所在。只有使用统一的接口标准,才能实现组件之间、组件和用户之间的互相通信、协同工作,共同完成仿真任务。无人机仿真实验模型系统将原子组件模型接口设计分为属性、输入接口、输出接口、接收事件和发送等,如图3所示。其中属性则用于设置组件的性能参数,初始状态等,接口用于传输模型周期性数据,事件一般用于传输临时性数据。

图3 原子组件模型接口示意图

通过组装关联功能的多个组件可以生成复合组件,复合组件的接口同原子组件一样,由属性、输入和输出接口以及接收和发送事件组成。复合组件内部通过连线和映射统一内部接口和外部接口,如图4所示。

图4 复合组件接口示意图

4 无人机仿真实验模型系统实现过程

在上述模型系统架构设计的基础上,通过组件模型开发软件来实现无人机仿真实验模型系统。组件模型开发软件主要用于编辑生成组件模型对象,从而形成基础的组件模型数据库,并可用于将多个已经发布的组件模型组装成为装备实体模型。通过以图形方式建立友好操作界面,使建模人员可以对组件模型进行开发与管理,其主要实现过程为:

1) 定义组件模型

依据仿真实验模型体系设计和具体想定设计,对组件模型进行定义,包括名称、属性、接口、事件的定义。定义的仿真组件模型是平台无关的。

2) 生成代码框架

根据组件模型定义文件,生成组件模型代码框架。代码框架包括组件代模型码框架和该组件模型的单元测试代码框架。

3) 开发组件模型

在组件模型代码框架上对组件模型的功能进行具体编程实现,并进行组件模型的输出。实现后,经过在指定的平台下编译链接后,生成仿真组件可执行库文件并进行单元测试,确保组件的输入、输出、运行操作按照设计的逻辑执行。

4) 发布组件模型

使用组件打包工具将仿真组件原子模型打成仿真组件模型包文件。仿真组件包文件中可以包含用户自定义的仿真组件运行时依赖的文件。打包后,将仿真组件模型包发布到仿真模型库中,发布的组件模型可以部署到仿真运行节点上运行。

5) 实例化组件模型

实例化就是组件模型根据实际装备的参数化过程。实例化的组件不能修改原有组件模型的属性、接口、事件的定义。同一组件模型可以通过赋予不同参数,从而实现多次实例化过程,这种方法非常适用同一系列不同型号装备的模型开发。组件模型实例化任务在整个实验过程中是可选的任务,实验人员可以根据需要裁剪。实例化后组件模型需加入到组件对象数据库中并发布,供装备实体模型组装使用。

6) 组装复合模型

根据实际装备和仿真实验需要,选择相应的组件模型进行组装,并定义配置信息,从而生成所需的装备实体模型,组装好的实体模型仍然需要发布到装备实体模型数据库中。

5 结语

无人机仿真实验系统为无人机装备运用问题研究提供了重要技术手段。模型系统是其重要组成部分,为进一步提高系统扩展与重用性能、减少模型开发工作量、避免低水平重复建设,在模型系统设计时引入组件化建摸技术具有重大意义,规范了模型的开发,实现了模型的重用,有力推动无人机仿真实验模型资源的重用、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

黄克明,男,博士研究生,讲师,研究方向:无人机技术与作战运用。

TP391.92

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.024