懸掛物管理功能仿真通用技術(shù)應(yīng)用研究

李向東，仇振安，蘇文強

(1.中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125001;2.陸航駐北京地區(qū)軍事代表室，河南 洛陽 471009;3.中航工業(yè)洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009)

0 引言

現(xiàn)代作戰(zhàn)環(huán)境的體系化使得作戰(zhàn)平臺更趨多樣化和復(fù)雜化，對于空中戰(zhàn)斗機平臺而言，其攜帶的機載武器數(shù)量和種類越來越多。根據(jù)任務(wù)的不同，飛機還可以攜帶多種非直接殺傷性懸掛物，如瞄準(zhǔn)吊艙、導(dǎo)航吊艙、電子干擾吊艙、捕控指令吊艙以及副油箱等，這些懸掛物的管理控制同樣納入了SMS的范疇［1］，國外如F－22、F－35率先推進(jìn)了SMS標(biāo)準(zhǔn)化、靈巧化、智能化進(jìn)程，形成了如通用開放體系結(jié)構(gòu)框架(AS4893)，飛機/懸掛物接口通用框架(AIR5532)，飛機/懸掛物通用接口控制文件格式(AS5609)等［2］在內(nèi)的一系列標(biāo)準(zhǔn)。在訓(xùn)練體系上，建立了規(guī)范的開發(fā)模式和開發(fā)手段。國內(nèi)研究工作起步較晚，雖然積累了許多模型和數(shù)據(jù)，但研究的空白區(qū)域較多，低層次模型多，高層次模型少，缺乏模型總體框架指導(dǎo)，形不成系統(tǒng)，面向?qū)嶋H應(yīng)用困難［3］。為適應(yīng)規(guī)范化的訓(xùn)練仿真和機上嵌入式模型設(shè)計，同時兼容HLA體系規(guī)范，采用開放式設(shè)計架構(gòu)來進(jìn)行武器懸掛物管理仿真的通用化設(shè)計非常必要，通過SMS功能仿真的通用設(shè)計技術(shù)建立一套SMS模型，從功能仿真的力度支持各種機型的SMS仿真研發(fā)。

本文以研究針對武器懸掛物管理通用的仿真軟件設(shè)計方法、建立可擴展基本軟件架構(gòu)、提供貨架化軟件設(shè)計參考為主要目的，著力于對懸掛物管理系統(tǒng)核心處理軟件的功能仿真研究，將軟件設(shè)計重心從對固定行為的硬編碼轉(zhuǎn)移為定義基本行為集［4］，研究利用模式設(shè)計針對武器懸掛物管理系統(tǒng)仿真搭建開放式架構(gòu)。

1 系統(tǒng)功能

參考典型三代機和國外典型四代機(F－35)懸掛物管理系統(tǒng)(見圖1、圖2)，可以發(fā)現(xiàn)從組成結(jié)構(gòu)上有較大變化，三代機一般由外場可更換單元(LRU)組成，主要包括控制部分、接口部分、處理部分、顯示部分等，圖1是典型三代機懸掛物管理系統(tǒng)組成框圖。

圖1 懸掛物管理系統(tǒng)典型組成框圖［1］Fig.1 Typical composition of SMS

圖2 F－35戰(zhàn)斗機航空電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成框圖［1］Fig.2 Avionic system construction of F －35

而F－22、F－35等先進(jìn)戰(zhàn)斗機則更進(jìn)一步推進(jìn)了綜合化概念，采用了通用化、模塊化設(shè)計，以外場可更換模塊(LRM)為基本組成。

根據(jù)當(dāng)前發(fā)展分析，懸掛物管理系統(tǒng)在核心功能上并沒有改變，只是使完成功能的手段更先進(jìn)，方式更簡單。懸掛物管理系統(tǒng)的核心功能包括:1)航炮和懸掛物的加載控制和清單顯示;2)監(jiān)控懸掛物工作狀態(tài);3)管理懸掛物投放程序，實現(xiàn)武器發(fā)射方案的選擇;4)實現(xiàn)武器占位選擇;5)完成武器總線控制、武器供電控制、地面檢查、發(fā)射前檢查、任務(wù)數(shù)據(jù)裝訂，控制武器安全、可靠地發(fā)射/投放，并且向防喘系統(tǒng)提供飛機發(fā)動機補氧和防喘信號;6)在緊急條件下完成懸掛物應(yīng)急投放和導(dǎo)彈應(yīng)急發(fā)射，實現(xiàn)武器故障等特殊情況的安全性處理;7)為航電系統(tǒng)的其他分系統(tǒng)提供所需信號［1］。

2 通用化設(shè)計

2.1 SMS系統(tǒng)開放式架構(gòu)

為支持通用化設(shè)計，需要使用SMS系統(tǒng)開放式架構(gòu)，即SMS系統(tǒng)應(yīng)采用系統(tǒng)功能層、武器訪問層、物理介質(zhì)層的開放式層次架構(gòu)，該架構(gòu)將功能通用層最大程度限制在系統(tǒng)功能層，該層可以實現(xiàn)硬件無關(guān)性。SMS開放式架構(gòu)如圖3所示。

圖3 SMS開放式架構(gòu)［5］Fig.3 SMS open architecture

分析懸掛物管理系統(tǒng)的功能，可以總結(jié)如下一些基本特點:1)不同機型的懸掛物管理系統(tǒng)架構(gòu)基本一致，功能架構(gòu)具備通用性;2)針對每個掛點的操作基本統(tǒng)一;3)掛點懸掛物可被替換;4)根據(jù)任務(wù)的不同，掛點懸掛物類型、數(shù)量和發(fā)射/投放方式在一定范圍內(nèi)可變化;5)不同類型懸掛物的信息接口內(nèi)容不同，但同種類型不同型號間的懸掛物信息接口內(nèi)容基本一致，接口定義方式可能不同。

在外掛組成框圖中針對具備統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的模塊接口使用了通用掛載，針對非統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的模塊接口使用了AIU和PIU中間件，實際是一種適配器(Adapter)，其避免因具體的懸掛物接口進(jìn)行增加或修改而導(dǎo)致系統(tǒng)的整個軟件體系遭到較大修改，根據(jù)功能分析，適合使用抽象工廠(Abstract Factory)、模板方法(Template Method)及適配器(Adapter)等作為基本設(shè)計方法。

2.2 功能模塊頂層UML用例分析

懸掛物系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)可抽象為核心處理部分、掛架管理部分、懸掛物管理部分，其中核心處理部分負(fù)責(zé)以下內(nèi)容:1)所有與外部系統(tǒng)相關(guān)的信號傳輸和主要的控制及邏輯功能處理;2)將外部信息傳送到掛架;3)將掛架及懸掛物狀態(tài)信息反饋到外部系統(tǒng)。

掛架管理部分實際完成以下功能:1)從物理上懸掛武器及吊艙等懸掛物;2)提供信號及供電給懸掛物;3)負(fù)責(zé)將自身故障信息反饋到核心處理部分。

懸掛物管理部分實際是模擬懸掛物的管理，主要完成以下內(nèi)容:1)接收核心處理部分傳輸來的程序清單;2)獲得控制信號，完成相應(yīng)檢測、武器占位、準(zhǔn)備、目標(biāo)探測、發(fā)射、投棄等工作指令管理;3)反饋懸掛物本身信息。

SMS功能分析轉(zhuǎn)化為UML［5］用例圖，如圖4所示。

圖4 懸掛物管理系統(tǒng)頂層用例圖Fig.4 Top-level usage of SMS

以上列出了主要的角色與用例，實際使用根據(jù)應(yīng)用深度展開。

2.3 UML架構(gòu)通用化設(shè)計

根據(jù)系列化要求，采用抽象工廠來建立外掛的工廠系列，具體指圖5中的外掛主工廠類(CSMSModel)，該類有兩個子類CASMSModel和CBSMSModel，分別代表型號A和型號B的外掛，在實際應(yīng)用中，可根據(jù)系列化要求產(chǎn)生多個型號子類，外掛工廠包含的抽象產(chǎn)品主要包括:清單(CSMSBill)、投放程序(CSMSProgram)、檢測與故障處理部件(CSMSTest)、投放部件(CSMSDrop)，考慮到一般仿真處理力度要求，這里將CSMSTest與CSMSDrop單獨建為產(chǎn)品類，實際使用中，可根據(jù)需要調(diào)整。

該建模分兩層，上層為抽象工廠構(gòu)建CSMS部分，主要完成外掛系統(tǒng)的構(gòu)建，這層的構(gòu)建根據(jù)不同需要可選擇不同部件分類標(biāo)準(zhǔn)，這里采用的部件分類主要分清單類(CSMSBill)、投放程序類(CSMSProgram)、檢測與故障類(CSMSTest)、投棄類(CSMSDrop)，下層可通過工廠方法構(gòu)建外掛清單類，主要的具體工廠產(chǎn)品包括掛架類(Cstation)、懸掛物類(CSuspender)，實際使用中與工廠方法略有變化。

外掛清單的構(gòu)建包括構(gòu)建掛架類(CStation)，分別針對各掛點構(gòu)建單掛架、雙掛架、級聯(lián)掛架。由掛架類再掛裝懸掛物(CSuspender)，包括:武器(CWeapon)、吊艙(CXPOD)、副油箱(CAuxOlidBox)等。圖5中的CXPODA、CBombA、CGuideWeaponA分別指某具體型號的吊艙、炸彈和制導(dǎo)武器。

圖5 懸掛物管理系統(tǒng)UML建模圖Fig.5 UML model of SMS

2.4 外掛模型創(chuàng)建的通用化設(shè)計

根據(jù)UML通用框架建模展開開放式通用化設(shè)計，創(chuàng)建不同型號外掛模型需要使用面向?qū)ο?OO)的3大特性［6］，尤其需要使用到繼承性，圖6是一個簡單的創(chuàng)建序列圖。

在UML框架中外掛模型通過類CSMS調(diào)用，將CSMS構(gòu)造函數(shù)設(shè)置為保護(hù)性，防止外部直接使用。建立創(chuàng)建函數(shù)來創(chuàng)建懸掛物系統(tǒng)，基本流程如圖7所示。

圖6 外掛清單創(chuàng)建序列圖Fig.6 Sequence of store list

其中，創(chuàng)建外掛清單函數(shù)調(diào)用具體型號的外掛清單(如CASMSBill)來完成創(chuàng)建，創(chuàng)建結(jié)果返回為抽象CSMSBill類指針，根據(jù)實際型號的不同，該函數(shù)內(nèi)部的構(gòu)造部分產(chǎn)生變化，例如返回的是CASMSBill而不是CSMSBill，CASMSBill完成A型外掛清單的管理。武器投放程序管理、掛點清單管理、武器占位規(guī)則管理等其他管理部件的通用化創(chuàng)建方法類似。

在調(diào)用CreateSMS()函數(shù)時，通過不同參數(shù)也能實現(xiàn)不同型號的建模，如需要創(chuàng)建B型號外掛，采用如下方式:首先創(chuàng)建CBSMSModel實例，再通過該實例調(diào)用創(chuàng)建函數(shù)創(chuàng)建B型SMS模型，在創(chuàng)建函數(shù)CreateSMS輸入?yún)?shù)中提供B型參數(shù)，該方法可產(chǎn)生B型號的外掛模型。

以上兩種方法采用第一種更實用，第二種使用了條件選擇語句，增加了代碼維護(hù)成本。

圖7 懸掛物管理系統(tǒng)創(chuàng)建示意圖Fig.7 Creation of SMS

2.5 型號外掛清單加載的通用化設(shè)計

在外掛清單類［7］的具體實現(xiàn)中，包括的內(nèi)容如圖8所示。

圖8 外掛清單類定義示意圖Fig.8 Definition of store list

以上定義中，清單加載(Load)、清單修改(Modify)、清單加載檢測(IsCanLoad)、清單修改檢測(IsCan-Modify)等需要重載，其中清單加載檢測、清單修改檢測為純虛函數(shù)，采用延遲加載技術(shù)，其具體實現(xiàn)根據(jù)具體型號要求在子類或調(diào)用類中完成實現(xiàn)。此外針對清單的特殊處理還有構(gòu)造函數(shù)及操作符重載，這里不作詳細(xì)討論，而特別來關(guān)注加載函數(shù)，代碼如圖9所示。

在該代碼段內(nèi)，IsCanLoad()函數(shù)是一個純虛函數(shù)，它并不在類CSMSBill中實現(xiàn)，因為不同型號間清單表不一樣，是否某個掛架能裝某個懸掛物的標(biāo)準(zhǔn)也不一樣，因此，該判斷由其子類來實現(xiàn)。

在外掛清單加載函數(shù)IsCanLoad()的實現(xiàn)代碼中檢測任務(wù)被交給了檢測對象(m_pSMSTest)，由檢測對象完成真正的檢測工作，采用代碼的弱耦合，檢測中調(diào)用外掛檢測類的具體指針實例m_pSMSTest，根據(jù)不同型號可構(gòu)建不同繼承類對象。

圖9 清單加載流程示意圖Fig.9 Process of list loading

2.6 外掛顯示的通用化設(shè)計

外掛顯示模塊在三代及以后已經(jīng)集中到顯示控制管理系統(tǒng)或核心任務(wù)處理系統(tǒng)中，這里不管模塊本身在哪，該模塊仍是與外掛管理系統(tǒng)支持模塊，負(fù)責(zé)SMS的顯示，提供人機觀察界面。

該UML類實例設(shè)計與其他菜單顯示設(shè)計實際一致，主要包括基本計算類(CBaseCompute)、基本符號類(CBaseSymbol)、專用符號類(CExtraSymbol)、基本文本類(CBaseText)、周邊鍵文本類(COSSText)、專用文本類(CExtraText)和主菜單類(CMenu)，類實例間調(diào)用關(guān)系見圖10。

圖10 SMS顯示菜單類通用設(shè)計Fig.10 Universal design of SMS display menus

3 結(jié)束語

懸掛物管理的通用模式設(shè)計方法已經(jīng)經(jīng)過多種型號仿真使用，實踐證明，采用模式設(shè)計的方法建立的開放式通用模型尤其適合系列化使用，擴展性強，在外掛仿真中，尤其在編隊對抗、大規(guī)模對抗仿真中能極大簡化編程、減輕代碼重構(gòu)量。具體針對單個型號檢測設(shè)備或仿真建模時，可根據(jù)模型直接裁減，有很高的實用性。

［1］王朝陽.機載懸掛物管理系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展分析［J］.電光與控制，2009，16(3):1-5.

［2］馮金富.模型驅(qū)動的開放式結(jié)構(gòu)懸掛物管理系統(tǒng)設(shè)計方法［J］.空軍工程大學(xué)學(xué)報，2010，11(4):1-4.

［3］魏繼才.基于仿真的武器裝備體系作戰(zhàn)能力評估研究［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2007，19(21):5093-5097.

［4］GAMMA E ，HELM R，JOHNSON R，et al.設(shè)計模式 －可復(fù)用面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ)［M］.李英軍，譯.北京:機械工業(yè)出版社，2010.

［5］BOGGS W，BOGGS M.Mastering UML with rational rose 2002［M］.Publishing House of Electronics Industry，2005.

［6］BLIPPMAN S，LAJOIE J.C++Primer［M］.潘愛明，譯.3版.北京:中國電力出版社，2009.

［7］PLAUGER P J，STEPANOV A A，MENG LEE，et al.The C++standard template library［M］.Prentice-Hall，Inc，2000.