裝備實(shí)時(shí)仿真支撐平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

侯 磊，馮 賀，李松霖，黃 杰

（北方信息控制研究院集團(tuán)有限公司，南京 211153）

0 引言

在多體協(xié)同/多飛行器編隊(duì)等為主要特征的復(fù)雜裝備研制過程中，為確定復(fù)雜裝備的作戰(zhàn)適用性和作戰(zhàn)效能，需對(duì)復(fù)雜裝備進(jìn)行實(shí)時(shí)的半實(shí)物和純數(shù)字仿真，包括裝備體系的仿真和裝備部件的仿真，為保證仿真的可信度，采用多種技術(shù)手段，對(duì)復(fù)雜裝備進(jìn)行可視化體系建模和可視化組件建模，對(duì)仿真模型能夠?qū)崟r(shí)控制、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信和實(shí)時(shí)高效評(píng)估，為復(fù)雜裝備研制提供詳實(shí)可信的仿真報(bào)告，檢驗(yàn)和驗(yàn)證復(fù)雜裝備的作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)適用性。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)對(duì)于復(fù)雜裝備還沒能實(shí)現(xiàn)高性能實(shí)時(shí)仿真的現(xiàn)狀，需要開發(fā)一套能夠用于復(fù)雜裝備的高精度高性能實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，仿真系統(tǒng)要求模型能統(tǒng)一建模，組態(tài)化運(yùn)行，能夠兼容Simulink 的仿真方式，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)多機(jī)強(qiáng)實(shí)時(shí)互聯(lián)，支持多種工業(yè)總線通信。

針對(duì)復(fù)雜裝備系統(tǒng)建模仿真存在包括AADL（architecture analysis and design language）、SysML（system modeling language）和DoDAF（department of defense architecture framework）等在內(nèi)的多種系統(tǒng)體系框架。AADL 是表示嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的架構(gòu)描述語(yǔ)言，支持嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)的架構(gòu)描述語(yǔ)言，支持嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)體系架構(gòu)的建模元素包括構(gòu)件、連接等。SysML 是用于系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)的多用途建模語(yǔ)言，用于對(duì)由軟硬件、數(shù)據(jù)和用戶綜合而成的復(fù)雜系統(tǒng)的集成體系架構(gòu)進(jìn)行可視化的說明、分析、設(shè)計(jì)及校驗(yàn)，解決系統(tǒng)工程面臨的建模問題。DoDAF 是美國(guó)國(guó)防部為架構(gòu)開發(fā)提出的高層綜合框架，便于國(guó)防部的各級(jí)管理者利用在各部門、任務(wù)、組件和項(xiàng)目間的信息共享，更有效地制定決策。

本文以多體協(xié)同/多飛行器編隊(duì)等為主要特征的復(fù)雜裝備為研究對(duì)象，以其研制過程全任務(wù)剖面的實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證評(píng)估為研究目標(biāo)，開展實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)總體、復(fù)雜裝備可視化建模、仿真實(shí)時(shí)控制與集成交互、仿真實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信、實(shí)時(shí)仿真高效評(píng)估等技術(shù)研究，設(shè)計(jì)裝備實(shí)時(shí)仿真支撐平臺(tái)，支持復(fù)雜裝備研制半實(shí)物仿真系統(tǒng)的建設(shè)，可應(yīng)用于新型武器裝備的論證、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)等全任務(wù)剖面的驗(yàn)證評(píng)估及優(yōu)化改進(jìn)等方面，能夠極大地縮短武器裝備的研制周期，對(duì)裝備潛在作戰(zhàn)效能、作戰(zhàn)適應(yīng)性等進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)估，提出研制改進(jìn)優(yōu)化建議和作戰(zhàn)試驗(yàn)科目建議，為裝備作戰(zhàn)試驗(yàn)科目設(shè)置等提供依據(jù)。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)總體技術(shù)

通過對(duì)多體協(xié)同/多飛行器編隊(duì)仿真的系統(tǒng)需求、任務(wù)特點(diǎn)、技術(shù)要求等進(jìn)行分析，考慮系統(tǒng)的通用性和可重用性，設(shè)計(jì)分布式仿真環(huán)境的層次化結(jié)構(gòu)總體框架，通過采用內(nèi)外環(huán)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)面向集中式/分布式應(yīng)用的裝備體系仿真系統(tǒng)和裝備部件仿真系統(tǒng)。裝備體系級(jí)仿真主要以單機(jī)或者飛行編隊(duì)為基本作戰(zhàn)單元，研究新型武器的體系作戰(zhàn)效能和作戰(zhàn)任務(wù)條件下的仿真逼真度。而裝備部件仿真系統(tǒng)主要以單機(jī)系統(tǒng)組成部件為仿真基本單元，研究新型武器仿真平臺(tái)的系統(tǒng)性能指標(biāo)及仿真逼真度。實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)總體框架研究?jī)?nèi)容包含系統(tǒng)總體框架、裝備體系仿真應(yīng)用框架、裝備模塊仿真應(yīng)用框架。

1.2 復(fù)雜裝備可視化建模技術(shù)

新型武器裝備的論證、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)等全任務(wù)剖面的驗(yàn)證評(píng)估及優(yōu)化改進(jìn)工作的首要任務(wù)是復(fù)雜裝備的模型建模，從新型武器裝備論證的特點(diǎn)和需求出發(fā)，運(yùn)用組件化建模思想，提出一種以圖形化的方式描述所開發(fā)新型武器裝備的過程，提供一種從不同視角觀察被開發(fā)系統(tǒng)的機(jī)制。復(fù)雜裝備可視化建模包括可視化體系建模和可視化組件建模，可視化體系建模是通過參照DoDAF 規(guī)范，結(jié)合裝備研制的標(biāo)準(zhǔn)等規(guī)范，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)一套可視化的體系建模工具，可視化組件建模主要是對(duì)裝備實(shí)時(shí)仿真支撐平臺(tái)模型體系框架、模型體系構(gòu)建和虛擬兵力模型構(gòu)建技術(shù)研究。

1.3 實(shí)時(shí)仿真高效評(píng)估技術(shù)

復(fù)雜武器裝備實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)仿真高效評(píng)估是驗(yàn)證仿真系統(tǒng)真實(shí)性中重要的一環(huán)，半實(shí)物仿真結(jié)果越逼真，越能準(zhǔn)確估計(jì)系統(tǒng)的性能，并進(jìn)行一系列的優(yōu)化改進(jìn)工作，提升半實(shí)物仿真系統(tǒng)的逼真度。首先需要對(duì)半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的評(píng)估指標(biāo)體系進(jìn)行研究，構(gòu)建合理的評(píng)估體系，然后通過對(duì)多種效能評(píng)估方法的研究，尋求適合復(fù)雜武器裝備實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)評(píng)估方法，對(duì)評(píng)估流程以及理論方法研究進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)，最終形成實(shí)時(shí)仿真高效評(píng)估工具。

1.4 實(shí)時(shí)仿真支撐平臺(tái)原型系統(tǒng)

以多體協(xié)同/多飛行器編隊(duì)等為主要特征的復(fù)雜裝備研制全任務(wù)剖面的實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證評(píng)估為應(yīng)用背景，采用定性與定量相結(jié)合的半實(shí)物仿真結(jié)果，分析評(píng)估方法設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)仿真支撐平臺(tái)原型系統(tǒng)，提出針對(duì)半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真支撐平臺(tái)的驗(yàn)證目標(biāo)、評(píng)估指標(biāo)等，最終提出復(fù)雜裝備半實(shí)物仿真實(shí)時(shí)系統(tǒng)典型應(yīng)用流程、性能評(píng)估指標(biāo)體系和標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估方法。

2 平臺(tái)方案設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)功能

綜合利用實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)總體技術(shù)、復(fù)雜裝備可視化建模技術(shù)、仿真實(shí)時(shí)控制與集成交互技術(shù)、仿真實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、實(shí)時(shí)仿真高效評(píng)估技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)一套復(fù)雜裝備實(shí)時(shí)仿真支撐平臺(tái)，主要研究用于覆蓋仿真開發(fā)、仿真部署、仿真運(yùn)行到仿真分析評(píng)估等系統(tǒng)仿真各個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)仿真應(yīng)用全生命周期的支持，構(gòu)建一體化實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)支撐環(huán)境，可應(yīng)用于復(fù)雜裝備系統(tǒng)的論證、研制、驗(yàn)證、評(píng)估，可進(jìn)行連續(xù)多趟仿真和人在回路的單趟仿真。

2.2 平臺(tái)組成

裝備實(shí)時(shí)仿真支撐平臺(tái)主要包括實(shí)時(shí)建模仿真一體化集成開發(fā)環(huán)境、半實(shí)物仿真評(píng)估工具和半實(shí)物仿真裝置，如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System composition block diagram

裝備實(shí)時(shí)仿真支撐平臺(tái)采用面向集中式/分布式應(yīng)用的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)通用框架，包含半實(shí)物仿真硬件支撐、模型支撐、應(yīng)用支撐層和應(yīng)用層組成。

2.2.1 半實(shí)物仿真硬件支撐

系統(tǒng)底層為半實(shí)物仿真硬件支撐層，這是半實(shí)物仿真高穩(wěn)定、高精度實(shí)時(shí)仿真的核心層，包含計(jì)算機(jī)、交換機(jī)、多臺(tái)實(shí)時(shí)仿真機(jī)、高精度時(shí)鐘同步裝置、實(shí)時(shí)仿真網(wǎng)絡(luò)通信裝置和智能接口適配器及長(zhǎng)線傳輸裝置組成。計(jì)算機(jī)為實(shí)時(shí)建模仿真一體化集成開發(fā)環(huán)境、半實(shí)物仿真評(píng)估工具提供硬件和操作系統(tǒng)支撐。交換機(jī)用于計(jì)算機(jī)之間以及計(jì)算機(jī)與實(shí)時(shí)仿真機(jī)之間的通訊。智能接口適配及長(zhǎng)線傳輸裝置完成半實(shí)物裝置的接入和數(shù)據(jù)長(zhǎng)距離傳輸，如模擬量、開關(guān)量、1553B、CAN、RS422、LVDS 等。實(shí)時(shí)仿真網(wǎng)絡(luò)通信裝置用于完成多體/多機(jī)實(shí)時(shí)仿真機(jī)間的超高速實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信。高精度時(shí)鐘同步裝置用于完成不同仿真機(jī)間的時(shí)鐘同步。

2.2.2 模型支撐層

模型支撐層，仿真試驗(yàn)前通過實(shí)時(shí)建模仿真一體化集成開發(fā)環(huán)境中的裝備體系和部件建模工具，建立虛擬兵力實(shí)體模型和環(huán)境模型，存于數(shù)據(jù)庫(kù)中，通過實(shí)時(shí)建模仿真一體化集成開發(fā)環(huán)境，把裝備的模塊模型部署到實(shí)時(shí)仿真計(jì)算機(jī)和虛擬計(jì)算機(jī)上；仿真試驗(yàn)中運(yùn)行仿真通信支撐工具調(diào)用模型完成模型解算，并把解算結(jié)果送回實(shí)時(shí)建模仿真一體化集成開發(fā)環(huán)境中。

2.2.3 應(yīng)用支撐層

應(yīng)用支撐層是復(fù)雜裝備實(shí)時(shí)仿真支撐平臺(tái)中復(fù)雜裝備的建模、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)的控制、運(yùn)行、顯示和分析評(píng)估中心，它是由實(shí)時(shí)建模仿真一體化集成開發(fā)環(huán)境和半實(shí)物仿真評(píng)估工具組成，其中，實(shí)時(shí)建模仿真一體化集成開發(fā)環(huán)境由裝備體系、部件建模工具和裝備一體化仿真試驗(yàn)平臺(tái)組成，半實(shí)物仿真評(píng)估工具由數(shù)據(jù)回放和分析評(píng)估組成。

2.2.4 應(yīng)用層

支持開展裝備體系仿真、裝備部件仿真和裝備分析評(píng)估。

2.3 分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 實(shí)時(shí)建模仿真一體化集成開發(fā)環(huán)境

實(shí)時(shí)建模仿真一體化集成開發(fā)環(huán)境由裝備體系與裝備部件建模工具、想定編輯工具、試驗(yàn)設(shè)計(jì)工具、試驗(yàn)管控工具、態(tài)勢(shì)顯示工具、仿真通信支撐工具、試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c資源等模塊組成，如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 實(shí)時(shí)建模仿真一體化集成開發(fā)環(huán)境功能組成Fig.2 Functional composition of real-time modeling and simulation integrated development environment

1）裝備體系與裝備部件建模工具：裝備體系建模工具根據(jù)裝備研制需求描述文檔，通過圖形化的方法，完成作戰(zhàn)任務(wù)、能力分解、指標(biāo)分解、裝備組成及交互關(guān)系描述，并生成彼此之間的映射關(guān)聯(lián)關(guān)系；裝備部件建模工具提供用戶一個(gè)開發(fā)組件及仿真實(shí)體的統(tǒng)一開發(fā)平臺(tái)，主要用于開發(fā)仿真試驗(yàn)運(yùn)行所需程序模型和三維模型，用于模擬真實(shí)物體的動(dòng)作行為、邏輯判斷。

2）想定編輯工具：利用軍事標(biāo)圖系統(tǒng)將作戰(zhàn)信息部署到想定中，借助三維地理信息系統(tǒng)將想定內(nèi)容可視化地表達(dá)出來，直觀、形象地展現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)、作戰(zhàn)場(chǎng)景和作戰(zhàn)過程。

3）試驗(yàn)設(shè)計(jì)工具：用于設(shè)置試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)次數(shù)、試驗(yàn)開始與結(jié)束時(shí)間、時(shí)間推進(jìn)步長(zhǎng)、試驗(yàn)結(jié)束條件、輸入?yún)?shù)等試驗(yàn)控制參數(shù)，提供分析因子設(shè)計(jì)能力，通過與試驗(yàn)管控工具的配合，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)的多樣本數(shù)據(jù)分發(fā)到多臺(tái)計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行，產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，為分析提供定量的數(shù)據(jù)支撐。

4）試驗(yàn)管控工具：支持想定多樣本的分布式運(yùn)行，包括運(yùn)行前規(guī)劃、運(yùn)行中控制和運(yùn)行后數(shù)據(jù)回收；支持計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)管理，包括運(yùn)行環(huán)境部署、系統(tǒng)狀態(tài)管理及軟件遠(yuǎn)程啟動(dòng)；以友好的方式引導(dǎo)用戶進(jìn)行部署。

5）態(tài)勢(shì)顯示工具：以易于了解的圖形圖像形式表現(xiàn)兵力部署、作戰(zhàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、戰(zhàn)場(chǎng)損傷狀態(tài)等作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)，并提供直接的圖上作業(yè)功能，即支持離線式的事后回放。

6）仿真通信支撐工具：主要負(fù)責(zé)加載模型組件，運(yùn)行過程中進(jìn)行組件間的數(shù)據(jù)交換、底層數(shù)據(jù)通訊，包含仿真模型組件執(zhí)行引擎、協(xié)議適配器、分布式仿真運(yùn)行支撐中間件3 層體系結(jié)構(gòu)，調(diào)用模型模擬處理作戰(zhàn)事件或計(jì)算作戰(zhàn)行動(dòng)效果，根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果，修改作戰(zhàn)系統(tǒng)或作戰(zhàn)實(shí)體狀態(tài)。

7）試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c資源：主要包括試驗(yàn)所需的三維可視化模型、數(shù)學(xué)仿真模型等各類仿真模型，以及用于存儲(chǔ)地形影像數(shù)據(jù)、數(shù)字高程地形數(shù)據(jù)、海洋數(shù)據(jù)、氣象環(huán)境模型數(shù)據(jù)、電磁環(huán)境模型數(shù)據(jù)及環(huán)境構(gòu)建相關(guān)設(shè)置參數(shù)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3.2 半實(shí)物仿真評(píng)估工具

復(fù)雜裝備實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)評(píng)估是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，同時(shí)也是一個(gè)由“定性→定量→定性”的辯證過程。通過對(duì)復(fù)雜裝備半實(shí)物仿真的評(píng)估流程以及理論方法研究進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)，形成半實(shí)物仿真評(píng)估工具，半實(shí)物仿真評(píng)估工具應(yīng)具備圖3 所示功能。

圖3 半實(shí)物仿真評(píng)估工具功能組成Fig.3 Functional composition of semi-physical simulation evaluation tool

半實(shí)物仿真評(píng)估工具提供通用的評(píng)估算子和圖形化評(píng)估指標(biāo)體系，支持在線和離線兩種評(píng)估模式。用戶可根據(jù)評(píng)估需求，建立相應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)體系，調(diào)用相應(yīng)的評(píng)估算子，或根據(jù)需求擴(kuò)展定制評(píng)估算子或方法，對(duì)采集的仿真運(yùn)行和結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)估，通過多樣的圖形表格進(jìn)行展示，支持指標(biāo)體系構(gòu)建、統(tǒng)計(jì)分析查詢、分布式實(shí)時(shí)分析和多樣本評(píng)估等操作。

2.3.3 半實(shí)物仿真裝置

實(shí)時(shí)仿真分系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖4 所示，由開發(fā)主機(jī)和實(shí)時(shí)仿真機(jī)組成，上位機(jī)是系統(tǒng)仿真集成開發(fā)環(huán)境，下位機(jī)是硬件解算板卡和高速I/O 接口。上位機(jī)提供人機(jī)交互的控制界面，下位機(jī)用來仿真計(jì)算，接入實(shí)際被控設(shè)備，以便形成閉環(huán)仿真測(cè)控系統(tǒng)。

圖4 實(shí)時(shí)仿真分系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.4 Overall structure of real-time simulation subsystem

其中，上位機(jī)為安裝windows 操作系統(tǒng)的普通電腦，在windows 平臺(tái)上安裝實(shí)時(shí)仿真管理軟件，Matlab/Simulink，以及仿真建?？赡軙?huì)用到的第三方與matlab/simulink 相兼容的行業(yè)軟件和可提供編譯器的軟件，比如C 或者C++編譯器等。計(jì)算單元為單機(jī)或者多機(jī)組成的服務(wù)器，可以包含多個(gè)計(jì)算單元（CPU），計(jì)算單元和上位機(jī)之間通過TCP/IP 實(shí)現(xiàn)通信，上位機(jī)可以將預(yù)處理過的基于模型的代碼下載部署到計(jì)算單元中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真和仿真過程的管理監(jiān)控。仿真系統(tǒng)還能夠根據(jù)實(shí)際I/O 使用類型和數(shù)量的需求配置一個(gè)或多個(gè)接口箱，計(jì)算單元和接口箱之間使用高速實(shí)時(shí)通信總線通信，對(duì)于其他總線類板卡，仿真系統(tǒng)可以通過預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)PCIe/PCI插槽的形式予以支持，CAN、RS422、1553B、LVDS 等通信形式的板卡，可以直接根據(jù)需要插入預(yù)留的插槽中，而且當(dāng)單機(jī)槽位不夠的情況下，可以通過擴(kuò)展多主機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)槽位數(shù)量的擴(kuò)展。

2.4 典型應(yīng)用流程

復(fù)雜裝備實(shí)時(shí)仿真支撐平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)主要分準(zhǔn)備、運(yùn)行和分析3 個(gè)階段進(jìn)行。

2.4.1 準(zhǔn)備階段

準(zhǔn)備階段完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，包括試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、想定數(shù)據(jù)和試驗(yàn)方案書的準(zhǔn)備，借助想定編輯工具、裝備體系和裝備部件建模工具和試驗(yàn)設(shè)計(jì)工具軟件完成。

根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)規(guī)劃的指導(dǎo)性文件，通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)工具完成試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的錄入，通過想定編輯工具進(jìn)行想定編輯，通過想定編輯工具查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中是否存在試驗(yàn)所需的模型。如果不存在，通知模型開發(fā)人員通過裝備部件建模工具開發(fā)試驗(yàn)所需的模型，開發(fā)后的模型自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。如果存在，通過想定編輯工具直接從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用相關(guān)模型。

然后，軟硬件設(shè)備進(jìn)行初始化，各主機(jī)與導(dǎo)演臺(tái)建立連接，導(dǎo)演臺(tái)在整個(gè)系統(tǒng)中也是服務(wù)器的角色。加載相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，把試驗(yàn)變量賦初值，形成作戰(zhàn)試驗(yàn)的初始態(tài)勢(shì)。

2.4.2 運(yùn)行階段

運(yùn)行階段完成作戰(zhàn)過程的模擬推演和計(jì)算分析，其時(shí)間推進(jìn)機(jī)制采用時(shí)間步長(zhǎng)或事件步長(zhǎng)，可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)推進(jìn)（人不在回路），也可以由導(dǎo)控人員控制推進(jìn)（人在回路）。在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，先通過多體/多飛行器編隊(duì)模型進(jìn)行飛行器的編隊(duì)控制，由導(dǎo)控臺(tái)解析任務(wù)和命令，調(diào)度實(shí)兵模型運(yùn)行，模擬作戰(zhàn)行動(dòng)和處理作戰(zhàn)事件。記錄模擬計(jì)算結(jié)果，并依據(jù)結(jié)果修改系統(tǒng)或者修改實(shí)體狀態(tài)，把產(chǎn)生的新事件植入作戰(zhàn)事件隊(duì)列，更新態(tài)勢(shì)顯示信息。判斷是否滿足試驗(yàn)結(jié)束條件，如果滿足，則進(jìn)入試驗(yàn)分析評(píng)估階段，否則試驗(yàn)時(shí)間推進(jìn)新的時(shí)間步長(zhǎng)。主要由試驗(yàn)導(dǎo)控軟件，指揮作業(yè)軟件和態(tài)勢(shì)顯示軟件和仿真運(yùn)行引擎組成。

2.4.3 分析階段

分析階段完成數(shù)據(jù)的分析處理，獲得作戰(zhàn)試驗(yàn)結(jié)論，形成試驗(yàn)分析報(bào)告。為了支持作戰(zhàn)試驗(yàn)分析，可能調(diào)用態(tài)勢(shì)顯示工具，對(duì)模擬的作戰(zhàn)過程有選擇地進(jìn)行倍速可調(diào)的重演，以對(duì)關(guān)注的問題進(jìn)行精細(xì)分析，系統(tǒng)流程圖如下頁(yè)圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)使用流程Fig.5 System operation process

3 典型案例

所謂多飛行器協(xié)同編隊(duì)飛行就是將多架具有自主功能的飛行器，按照一定的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行三維空間排列，使其在飛行過程中保持穩(wěn)定的隊(duì)形，并能根據(jù)外部情況和任務(wù)需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以體現(xiàn)整個(gè)機(jī)群的協(xié)同一致性，提高作戰(zhàn)的時(shí)效性和成功率。

多飛行器協(xié)同編隊(duì)飛行，涉及到空氣動(dòng)力、傳感器、計(jì)算機(jī)控制、通信及人工智能等多個(gè)學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域，因而此研究存在很多關(guān)鍵性的技術(shù)問題。首先為了保持編隊(duì)飛行的一致性和穩(wěn)定性，需要保證各飛行單位在同一時(shí)空體系內(nèi)，這就要求整個(gè)飛行器編隊(duì)要高度地時(shí)間同步，同時(shí)還應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)快速通信，來確保每個(gè)單體飛行器能夠準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)確地保持在自己應(yīng)在的位置，以便形成有利于任務(wù)完成的編隊(duì)隊(duì)形。其次，為了研究出更多有效的飛行編隊(duì)模型，除了借鑒鳥類常用的飛行隊(duì)形、加強(qiáng)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)的研究之外，需要將“兵落實(shí)到紙”，這個(gè)“紙”則是指一個(gè)平臺(tái)，它能夠支持更多編隊(duì)模型的創(chuàng)建和試驗(yàn)，能夠支持實(shí)裝飛行器裝置的接入。最后，為了驗(yàn)證飛行編隊(duì)的有效性，需要一套完整的評(píng)估體系，來輔助修正調(diào)整編隊(duì)隊(duì)形。

基于上述多飛行器協(xié)同編隊(duì)飛行存在的一些關(guān)鍵性問題和需求，基于裝備實(shí)時(shí)仿真支撐平臺(tái)搭建了多飛行器編隊(duì)的實(shí)時(shí)仿真支撐平臺(tái)原型系統(tǒng)。如下頁(yè)圖6 所示，它由高精度時(shí)鐘同步裝置、實(shí)時(shí)仿真網(wǎng)絡(luò)通信裝置、智能接口適配，以及長(zhǎng)線傳輸裝置、實(shí)時(shí)建模仿真一體化集成開發(fā)環(huán)境和半實(shí)物仿真評(píng)估工具組成。其中，飛行器模擬機(jī)由實(shí)時(shí)建模仿真一體化集成開發(fā)環(huán)境部署生成，作為實(shí)裝飛行器在仿真平臺(tái)中的映射節(jié)點(diǎn)，通過智能接口適配及長(zhǎng)線傳輸裝置將實(shí)裝飛行器的狀態(tài)同步到平臺(tái)之中。

多飛行器編隊(duì)的實(shí)時(shí)仿真支撐平臺(tái)原型系統(tǒng)的主要功能包括：支持對(duì)飛行編隊(duì)半實(shí)物和純數(shù)字仿真，具備體系仿真和部件仿真能力；具備對(duì)多飛行器編隊(duì)體系構(gòu)建，模型裝配，單飛行器仿真實(shí)體構(gòu)建和三維模型構(gòu)建能力；具備對(duì)多飛行器編隊(duì)實(shí)時(shí)控制及實(shí)時(shí)仿真能力，對(duì)多飛行器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊及模擬量、開關(guān)量進(jìn)行超高速實(shí)時(shí)傳輸；能夠依據(jù)多飛行器編隊(duì)實(shí)際情況選取相應(yīng)的指標(biāo)對(duì)多飛行器編隊(duì)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真高效評(píng)估；具備對(duì)多飛行器編隊(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行想定編輯、試驗(yàn)設(shè)計(jì)、態(tài)勢(shì)顯示的能力；能夠?qū)Χ囡w行器編隊(duì)仿真部署方案進(jìn)行規(guī)劃與管理、通訊協(xié)議配置、模型資源部署及監(jiān)控驗(yàn)證環(huán)境。

3.1 高精度時(shí)鐘同步裝置

高精度同步裝置用于完成多臺(tái)飛行器模擬機(jī)間的時(shí)鐘同步。仿真時(shí)鐘是實(shí)時(shí)仿真的一個(gè)重要因素，特別對(duì)多飛行器的編隊(duì)飛行控制尤為重要，其機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、危險(xiǎn)系數(shù)高，可謂“差之毫厘，失之千里”。

3.2 實(shí)時(shí)仿真網(wǎng)絡(luò)通信裝置

實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中，各飛行器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸主要包括：飛行高度、飛行方向、飛行速度、位置、敵情和飛機(jī)本身狀態(tài)（剩余油料、剩余彈藥等）。為了滿足這些數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，在物理上需要使用透?jìng)鞯姆绞郊虞d適合高速實(shí)時(shí)仿真的自定義數(shù)據(jù)交互協(xié)議，以實(shí)現(xiàn)更高速度的要求，并且盡可能地將高速通信與時(shí)間同步在一套專屬硬件系統(tǒng)中完成。

3.3 智能接口適配及長(zhǎng)線傳輸裝置

智能接口適配及長(zhǎng)線傳輸裝置作為實(shí)裝飛行器裝置和飛行器模型的紐帶，將實(shí)裝飛行器裝置的狀態(tài)同步到仿真平臺(tái)中的飛行器模型之中。

3.4 實(shí)時(shí)建模仿真一體化集成開發(fā)環(huán)境

實(shí)時(shí)建模仿真一體化集成開發(fā)環(huán)境包括飛行器成體系建模和多飛行器仿真試驗(yàn)平臺(tái)。其中，飛行器成體系建模用于創(chuàng)建和部署飛行器實(shí)體模型以及多飛行器編隊(duì)飛行時(shí)的隊(duì)形模型。多飛行器仿真試驗(yàn)平臺(tái)則用于導(dǎo)調(diào)控制多飛行器的編隊(duì)飛行、對(duì)飛行器航跡控制、狀態(tài)及隊(duì)形轉(zhuǎn)換控制，可實(shí)時(shí)收集飛行器編隊(duì)飛行狀態(tài)，并支持將飛行器編隊(duì)飛行的過程投影到導(dǎo)調(diào)演示屏幕中。

3.5 半實(shí)物仿真評(píng)估工具

借助半實(shí)物仿真評(píng)估工具所具備的功能模塊，設(shè)計(jì)基于對(duì)整個(gè)飛行演習(xí)過程進(jìn)行全方位的仿真評(píng)估案例，主要包括飛行過程中隊(duì)形的保持、各單位飛行器是否能夠按照航跡飛行、隊(duì)形狀態(tài)調(diào)整后提高了多大的飛行效能，以及飛行任務(wù)的完成情況等；重點(diǎn)分析了影響分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的主要因素，經(jīng)過敏感性分析模塊分析出6 個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)來評(píng)估其實(shí)時(shí)性，包括激勵(lì)響應(yīng)精度、幀溢出數(shù)、幀同步相對(duì)誤差時(shí)間同步精度、時(shí)間同步精確度；同時(shí)給出各指標(biāo)的定量計(jì)算模型，所提出的指標(biāo)結(jié)合綜合評(píng)估模型，可以判斷具體系統(tǒng)是否滿足實(shí)時(shí)性要求及滿足實(shí)時(shí)性要求的程度。

4 結(jié)論

本文從實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)、復(fù)雜裝備可視化建模、實(shí)時(shí)仿真高效評(píng)估3 個(gè)方面開展研究，構(gòu)建了實(shí)時(shí)仿真支撐平臺(tái)原型系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)建模仿真一體化集成開發(fā)環(huán)境、半實(shí)物仿真評(píng)估工具和半實(shí)物仿真裝置3 個(gè)主要模塊，從準(zhǔn)備、運(yùn)行和分析3 個(gè)階段，描述了復(fù)雜裝備開展實(shí)時(shí)仿真評(píng)估的應(yīng)用流程，并以多飛行器協(xié)同編隊(duì)飛行為案例，介紹了多飛行器編隊(duì)如何基于實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)驗(yàn)證飛行編隊(duì)的有效性。本文的研究成果可從武器裝備論證、武器裝備設(shè)計(jì)、武器裝備試驗(yàn)3 個(gè)方面進(jìn)行推廣應(yīng)用：1）通過仿真推演與評(píng)估手段，支持武器裝備的作戰(zhàn)需求論證、性能指標(biāo)論證、體系論證的驗(yàn)證評(píng)估及優(yōu)化改進(jìn)；2）具備復(fù)雜裝備可視化建模能力，能夠?qū)Ψ抡婺Ｐ屯ㄟ^人機(jī)交互界面進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，應(yīng)用于裝備體系仿真和裝備部件仿真，支持武器裝備的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)、體系運(yùn)用設(shè)計(jì)等驗(yàn)證評(píng)估及優(yōu)化改進(jìn)；3）通過仿真推演與評(píng)估手段，支持武器裝備的功能試驗(yàn)、性能試驗(yàn)、作戰(zhàn)試驗(yàn)等驗(yàn)證評(píng)估及優(yōu)化改進(jìn)。