一種多任務(wù)柔性仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評估

一種多任務(wù)柔性仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與評估

0多目標(biāo)攻擊方式增加新一代戰(zhàn)斗機(jī)具有超機(jī)動性、超聲速駕駛、隱形能力、信息優(yōu)勢、短距提升、多目標(biāo)攻擊等特點(diǎn)。作戰(zhàn)方式也發(fā)生了變化：戰(zhàn)爭距離和遠(yuǎn)距呈電極發(fā)展，在超聲速駕駛中，導(dǎo)彈攻擊區(qū)域的范圍擴(kuò)大。過度的機(jī)動性可以快速改變戰(zhàn)爭中的攻防作戰(zhàn)趨勢。進(jìn)行全面攻擊。增加目標(biāo)攻擊的方式。為了在夜間作戰(zhàn)，必須組織更多的信息交流。面向?qū)ο蠼?、面向組件建模以及基于HLA(HighLevelArchitecture)高層體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的技術(shù)已經(jīng)在三代機(jī)等為主的作戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中得以應(yīng)用本文在敏捷空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)框架的基礎(chǔ)上,研究了共用一個平臺,支持大迎角飛行品質(zhì)和敏捷性試驗(yàn)及參數(shù)測取、人-機(jī)空戰(zhàn)戰(zhàn)法仿真試驗(yàn)及多機(jī)空戰(zhàn)研究等多任務(wù)仿真系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)問題。1模擬系統(tǒng)的多任務(wù)結(jié)構(gòu)1.1多機(jī)三維建模技術(shù)對于大迎角飛行品質(zhì)和敏捷性仿真任務(wù),需要仿真系統(tǒng)具備快速接入并配置駕駛桿操縱、靈活替換動力學(xué)模型、快速配置設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)置目標(biāo)機(jī)機(jī)動動作的能力;對于人-機(jī)空戰(zhàn)戰(zhàn)法研究仿真任務(wù),需要具備快速接入空戰(zhàn)戰(zhàn)法和靈活切換不同戰(zhàn)法的能力;對于多機(jī)空戰(zhàn)研究仿真任務(wù),則需要具備快速創(chuàng)建和配置多架戰(zhàn)機(jī)、靈活設(shè)置編隊(duì)和接入并切換多機(jī)空戰(zhàn)戰(zhàn)法的能力。其中技術(shù)核心是根據(jù)任務(wù)需求,編制對應(yīng)的描述契約定義任務(wù)的功能、結(jié)構(gòu)、組成要素、控制指令信息和關(guān)鍵參數(shù),描述契約采用XML文檔編寫既可閱讀又能被計(jì)算機(jī)讀取識別,然后依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)模型模版開發(fā)相應(yīng)任務(wù)的服務(wù)模型,服務(wù)模型是松耦合的,即可獨(dú)立運(yùn)行并被對應(yīng)的描述契約定義,最后在運(yùn)行集成時通過加載特定任務(wù)的描述契約調(diào)用需要的參數(shù)和服務(wù)模型。根據(jù)敏捷仿真系統(tǒng)的開發(fā)方法該框架在邏輯上分為應(yīng)用服務(wù)層和管理服務(wù)層,其中應(yīng)用服務(wù)層又分為領(lǐng)域具體服務(wù)層和跨領(lǐng)域服務(wù)層。領(lǐng)域具體服務(wù)層主要由空戰(zhàn)仿真領(lǐng)域所涉及的各種專業(yè)服務(wù)模型構(gòu)成?？珙I(lǐng)域服務(wù)層主要包括一系列通用的中間件服務(wù)。管理服務(wù)層是整個空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)的仿真引擎,它通過提供一個靈活、智能的綜合性支撐“容器”使得應(yīng)用層各服務(wù)模型的建模工作以及它們之間的交互通信的復(fù)雜程度顯著降低,這有利于仿真系統(tǒng)的快速搭建、更新以及維護(hù)。1.2仿真模型的組織管理機(jī)制仿真引擎是系統(tǒng)框架的核心,是一個動態(tài)的一體化仿真服務(wù)集成環(huán)境,在此基礎(chǔ)上各種空戰(zhàn)仿真應(yīng)用能夠被動態(tài)地創(chuàng)建和管理。同樣,仿真引擎也由一系列(管理)服務(wù)模型動態(tài)組合而成,這些管理服務(wù)提供服務(wù)過濾、服務(wù)發(fā)現(xiàn)、綁定、動態(tài)創(chuàng)建以及運(yùn)行時監(jiān)控等核心功能。主要的管理服務(wù)模型如下:(1)“服務(wù)注冊中心”提供系統(tǒng)級的服務(wù)描述管理服務(wù),所有服務(wù)模型將描述信息注冊到該模塊,并通過該模塊進(jìn)行動態(tài)地發(fā)現(xiàn)、綁定相關(guān)的依賴。此外,該模塊還支持動態(tài)的服務(wù)模型加入、退出通知機(jī)制。(2)“部屬管理服務(wù)”主要負(fù)責(zé)分析空戰(zhàn)仿真任務(wù)的特征及系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài),將各個服務(wù)模型動態(tài)部屬到相關(guān)的復(fù)合域和仿真結(jié)點(diǎn)。(3)“描述契約管理服務(wù)”主要負(fù)責(zé)管理所有服務(wù)模型的描述契約文檔。在運(yùn)行時,根據(jù)特定的過濾規(guī)則信息,該模塊動態(tài)地初始化相關(guān)服務(wù)模型的描述信息。(4)“創(chuàng)建工廠管理服務(wù)”主要負(fù)責(zé)管理和維護(hù)各服務(wù)模型的創(chuàng)建工廠。在運(yùn)行時,根據(jù)特定的服務(wù)描述信息,相關(guān)的創(chuàng)建工廠被動態(tài)裝載用于創(chuàng)建所需求的服務(wù)模型。(5)“組件管理服務(wù)”主要負(fù)責(zé)管理和維護(hù)中小粒度的組件模型,這些組件模型能夠根據(jù)任務(wù)需要靈活、動態(tài)地組合構(gòu)建較大粒度的服務(wù)模型。(6)“運(yùn)行時管理服務(wù)”主要負(fù)責(zé)管理仿真系統(tǒng)中運(yùn)行的各個服務(wù)模型,并且該模塊可以根據(jù)運(yùn)行時特定的仿真需要和相關(guān)服務(wù)模型的可獲得性動態(tài)地重構(gòu)仿真系統(tǒng)。(7)“應(yīng)用管理服務(wù)”主要負(fù)責(zé)裝載指定的仿真應(yīng)用描述腳本,綜合協(xié)調(diào)其他各管理服務(wù)動態(tài)創(chuàng)建并管理相關(guān)仿真應(yīng)用。2按照描述契約、服務(wù)模型建模基于前述框架,仿真系統(tǒng)的開發(fā)分為兩部分:編制描述契約、服務(wù)模型建模。因此,本節(jié)首先討論描述契約的編制,然后概要介紹仿真系統(tǒng)中服務(wù)模型的組織結(jié)構(gòu)。2.1具體仿真服務(wù)的契約草案描述契約將現(xiàn)實(shí)世界中的相關(guān)模型映射為一種虛擬的功能模型,并對實(shí)現(xiàn)該契約的各種仿真模型的功能邏輯與依賴邏輯在語法、語義以及行為上進(jìn)行完全定義并可被計(jì)算機(jī)自動識別。編制契約的具體步驟如下:(1)根據(jù)特定的專業(yè)背景知識,對現(xiàn)實(shí)世界中的特定模型(例如某戰(zhàn)機(jī))進(jìn)行嚴(yán)格分析,并提取出相關(guān)的領(lǐng)域功能邏輯(例如飛行動力學(xué)邏輯),以便定義具體仿真服務(wù)所應(yīng)實(shí)現(xiàn)的相關(guān)輸出接口;(2)根據(jù)具體仿真服務(wù)的領(lǐng)域功能邏輯定義信息,進(jìn)一步解析出該仿真服務(wù)的各種邏輯需求,自動地通過描述契約管理服務(wù)查詢適當(dāng)?shù)倪壿嬏峁┓?定義了相關(guān)邏輯輸出的描述契約);(3)根據(jù)仿真服務(wù)的功能邏輯定義和各種適當(dāng)?shù)倪壿嬏峁┓?描述契約),并利用已經(jīng)提供好的契約模板,將功能邏輯和依賴邏輯快速地映射為規(guī)范化的描述信息,接下來將這些描述信息進(jìn)一步適當(dāng)?shù)亟M合編制,即可得到相應(yīng)仿真服務(wù)的契約草案;(4)在得到仿真服務(wù)的契約草案后,服務(wù)管理框架提供服務(wù)描述模式文檔對該契約草案進(jìn)行驗(yàn)證;(5)在保證描述契約為合法的前提下,向描述契約管理服務(wù)注冊該契約,并將其存儲到描述契約倉庫中。2.2模型的組合與裝配規(guī)則服務(wù)模型是特定描述契約的具體實(shí)現(xiàn),它完全遵守描述契約所定義的功能邏輯和依賴邏輯,但可以根據(jù)不同的仿真需要按相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)和實(shí)現(xiàn)策略靈活建模,即同樣的描述契約可以對應(yīng)于多個仿真服務(wù)模型。在此空戰(zhàn)仿真系統(tǒng)中,服務(wù)模型由一系列組件模型適當(dāng)組合裝配而成,因而服務(wù)模型的建模本質(zhì)上是挑選合適的組件模型并制定相應(yīng)的裝配規(guī)則。本節(jié)以系統(tǒng)中的某飛行動力學(xué)服務(wù)模型為例,概要闡述服務(wù)模型的基本組織結(jié)構(gòu),見圖2。“服務(wù)接口集合”定義了服務(wù)可提供的各種操作;“服務(wù)請求管理”是一個服務(wù)請求的托管層,主要提供請求許可、安全確認(rèn)以及線程控制等方面的管理;“有效性管理”用于維護(hù)服務(wù)模型的有效性狀態(tài)信息;“依賴代理”管理該服務(wù)模型與其各依賴服務(wù)之間的通信;“核心協(xié)調(diào)”負(fù)責(zé)綜合協(xié)調(diào)服務(wù)模型的其他各個模塊,執(zhí)行相關(guān)的服務(wù)請求,避免導(dǎo)致模型各模塊之間的緊耦合;“底層專業(yè)邏輯組件”封裝了特定服務(wù)背景下的各個專業(yè)邏輯組件,這種背景可能是某個飛行器的動力學(xué)方程、一個碰撞檢測算法或者一個基于發(fā)布/訂購模式的HLARTI數(shù)據(jù)總線等。3空機(jī)戰(zhàn)術(shù)策略基于前述仿真框架和開發(fā)方法建立的仿真系統(tǒng)運(yùn)行示例見圖3。該系統(tǒng)主要支持研究飛行品質(zhì)和敏捷性試驗(yàn)、驗(yàn)證各種空戰(zhàn)戰(zhàn)術(shù)策略和多機(jī)空戰(zhàn)。多任務(wù)仿真系統(tǒng)中的三種任務(wù)需求共用的服務(wù)包括飛行動力學(xué)、飛行控制、發(fā)動機(jī)、操縱輸入、環(huán)境、大氣、數(shù)據(jù)總線、系統(tǒng)時鐘、配置服務(wù)等,不同之處是飛行品質(zhì)需要程序指令服務(wù)和空戰(zhàn)決策服務(wù),人機(jī)空戰(zhàn)任務(wù)需要空戰(zhàn)決策服務(wù),多機(jī)空戰(zhàn)任務(wù)需要空戰(zhàn)決策和編隊(duì)服務(wù)。共同需要的硬件包括駕駛手柄、腳蹬和監(jiān)視屏幕。4基于仿真的過度減速運(yùn)動的效率評估多任務(wù)仿真系統(tǒng)支持過失速作戰(zhàn)效能評估、單機(jī)或多機(jī)空戰(zhàn)戰(zhàn)法研究,本節(jié)以過失速的作戰(zhàn)效能評估為例提供仿真系統(tǒng)的應(yīng)用示例。4.1高精度建模模型與效能評估模型的關(guān)系多任務(wù)仿真系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是能柔性集成各種精確度的仿真模型,模型的精確要求視仿真任務(wù)而定,如飛行品質(zhì)仿真需要高精度的模型,而效能評估需要反映待評估目標(biāo)能力的模型。對于過失速機(jī)動在作戰(zhàn)中的效能,這里建立代表其能力的等效模型作為仿真的基礎(chǔ)。目前四代機(jī)典型過失速機(jī)動控制通常采用控制量為迎角、滾轉(zhuǎn)角、油門(α當(dāng)啟動過失速模式時,縱向操縱指令為迎角(大于α4.2飛機(jī)任務(wù)機(jī)下面評估可達(dá)最大迎角α執(zhí)行的固定任務(wù)是從高度5km起始,操縱駕駛桿使飛機(jī)(任務(wù)機(jī))捕獲后方直線平飛的目標(biāo)(目標(biāo)機(jī))。實(shí)施此任務(wù)時,任務(wù)機(jī)將進(jìn)入Herbst機(jī)動4.3不同迎角的生成根據(jù)上述的評價方法,進(jìn)行仿真系統(tǒng)評價試驗(yàn),設(shè)置最大迎角為20°~90°。其中為減小駕駛員對飛機(jī)操縱能力的分散度對結(jié)果的影響并趨近最小的捕獲時間,在設(shè)置的每個最大迎角下進(jìn)行了至少6次試驗(yàn),結(jié)果如圖4所示。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,從20°~35°失速迎角前升力系數(shù)增加,捕獲時間減少,而在35°~70°范圍的過失速區(qū),捕獲時間呈先增加后減少的趨勢,35°和70°的捕獲時間相近,從70°~90°捕獲時間繼續(xù)減少,在90°的最大迎角下,捕獲時間小于10s。為了進(jìn)一步分析形成圖4趨勢的機(jī)理,繪出不同迎角的指向角φ隨機(jī)動時間的變化,見圖5。由圖5可知,指向角減少的時間受迎角和滾轉(zhuǎn)角的影響。迎角越大,在前幾秒有指向角減少越快的優(yōu)勢,在之后加入滾轉(zhuǎn)運(yùn)動;當(dāng)迎角大于35°時,會有幾秒的過渡時間指向角不改變;當(dāng)迎角小于35°時并沒有這個過渡時間,指向角隨機(jī)動時間一直在減少。迎角50°與35°相比,過渡時間多于迎角帶來的優(yōu)勢,而迎角70°與35°的捕獲時間相近的原因是70°的過渡時間正好抵消了迎角更大的優(yōu)勢。而90°的過渡時間更少,同時迎角導(dǎo)致的時間也最小,所以指向角減少得最快。不同迎角的能量高度隨機(jī)動時間的變化見圖6。由圖6可知,迎角越大,能量耗散越多,飛機(jī)所能做的過失速機(jī)動的最大迎角受能量高度約束。因此,只有當(dāng)過失速迎角大于70°才能發(fā)揮出過失速機(jī)動指向更快的效果,而在35°~70°飛機(jī)的指向效果和能量耗散情況不如在迎角35°。通過本節(jié)示例,提供了多任務(wù)仿真系統(tǒng)在過失速作戰(zhàn)效能評估研究中的應(yīng)用,并得出了系統(tǒng)中參數(shù)對過失速作戰(zhàn)效能的影響趨勢。5基于多任務(wù)的仿真試驗(yàn)本文開發(fā)了一種柔性的多任務(wù)仿