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舰船虚拟现实仿真技术发展综述
2011年3月12日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:康凤举
    单位:西北工业大学航海学院(西安)

    1 概述

    仿真技术经历了从20世纪的后50年的发展,已逐渐成长为一个年青的学科。仿真技术的理论基础是相似论,它是从实践知识中产生的技术,能与其它非实践知识中产生的技术或者知识处理技术相结合,与计算机科学等年青学科的发展具有相同的特点,能融现代技术百家之长于一体,推动自身不断推陈出新,理论、方法体系得以不断完善。仿真是基于模型的实验,作为理论分析、原型试验以外的第三种认识世界的科学手段,应用范围日益普及和扩大,例如,目前理工科院校研究生的论文,大多采用仿真技术来说明所设计的方法或系统的正确性和可实现性。

    2  我国舰船仿真技术的发展状况

    近年,我国船舶行业仿真技术的发展迅速,各单位都建立了以不同应用为目标的先进仿真系统。下面主要分析半实物仿真、分布交互仿真技术发展的特点。

    2.1 半实物仿真

    在单平台武器半实物仿真系统建设中,采用了先进的新一代数字仿真机如Concurrent并行机、ADI/RTS仿真机,用反射内存、广播内存、光纤通信等高速通信接口代替了A/D、D/A转换器,物理效应设备的精度也相应提高,如三轴转台的精度已由0.1度/秒提高到0.002度/秒,使仿真系统的帧时间由5-10ms缩短到0.5-1ms,使武器初始发射、非线性动态过程等的仿真得以精确复现。各种集成通用全数字仿真系统和鱼雷制导回路、舰炮通用火控、舰船摇摆运动等半实物仿真系统在型号研制中发挥了作用。

    2.2 分布交互仿真

    在多武器平台分布交互仿真方面,分别建立了基于DIS并以TCP/IP 网络通信协议为基础的潜艇武器仿真系统、基于HLA并以MAK-RTI和VR-LINK为环境工具的鱼雷武器仿真系统,加强了适应于大范围作战和精确打击等不同战术要求的各种粒度的建模技术研究,进一步充实了模型库、数据库。为了改善可重用性和互操作性,正在研制的有基于HLA并分别采用P-RTI、协同仿真平台COSIM、一体化仿真软件WISE工具的分布交互仿真系统。

    在虚拟现实技术应用领域,研究重点放在仿真结果的三维图像演示的逼真性上,已初步开发出基于Multigen和Vega仿真软件平台的水下作战视景仿真软件系统,解决了诸如水下空间效果、海面环境仿真和海底地形生成问题,在高档微机和工作站上实现了海洋作战视景仿真的逼真性和实时性要求,已得到推广应用。

    在船舶训练仿真方面,研制出六自由度舰艇操纵训练仿真系统,它由六自由度运动平台、模拟操纵舱、教练控制台等组成,已用于海军院校学员的培训;船舶电站仿真、轮机驾驶、运动控制等各类仿真系统也得到广泛应用。

    3 VAA研究、专用仿真工具开发的必要性和目标

    3.1 建模与仿真VAA技术和管理研究

    由于系统仿真是以模型为基础的,所以模型的正确与否和精确程度直接影响仿真的可信程度,建模和仿真的VAA技术是用于解决模型系统相对于原型系统的类比性(二者的相似关系)、代表性(模型在一定程度上代替原型)和外推性(从对模型的分析得到有关原型的准确信息)三项特性的活动,它是一项贯穿于建模和仿真全寿命周期的任务,通常VAA过程分为确定需求、编制计划、概念模型的校核与验证、设计的校核与验证、实现的校核与验证、应用的校核与验证和评估可接受性等若干阶段。它是一项技术,又是一项管理,也是仿真工作者都应遵循的一种规范。随着仿真系统的不断更新,相应的VA&A技术也要不断创新和完善。

    在武器尤其是多武器综合系统的仿真置信度评估上存在以下难点:由于实航条件的有限性甚至于无法进行、随机因素的不确定性使得基于仿真和实航结果的数据统计分析与对比验证方法的应用受到限制;系统模型与原型相似的程度都具有一定的模糊性或不确定性,对于同一个原型系统,抱着同样的建模目的,不同的人可能会建造出与原型相似程度不同的系统模型。

    为此,需要根据武器系统仿真置信度评估中所存在的特殊性和技术难点,研究出一种由定性、定量和基于专家经验的智能决策方法融合在一起的置信度综合评估方法。结合各类舰船作战分布交互仿真系统的开发,需要研究适应HLA系统VA&A的概念、过程模型、确认方法体系等,以及针对HLA系统特点的校核和验证方法,研究与AHP系统工程方法相结合的途径,研究仿真系统VA&A辅助工具,设计和开发针对校核和验证方法的专用软件。

    3.2 分布交互仿真专用工具研究

    行业内已经或即将使用的分布交互仿真开发平台各有其特点。主要有以下几种:

    MAK RTI是由美国MAK公司开发的符合HLA标准的商业实时体系结构。它是一个快速的、高效的RTI,它采用一种轻量级的模式,即不需要调用RTI exec,同时它的移植性能好,可在局域网和广域网上运行。另外,MAK RTI的诊断工具RTIspy能帮助用户了解RTI内部的运行情况。

    pRTI和Labworks是由瑞典Ptich AIS公司推出的,pRTI是第一个通过DMOS HLA鉴定测试的商业RTI,且是完全线程化的软件,支持单一线程和多线程联邦。pRTI实现了与平台无关的、HLA接口规范(Interface Specification)中定义的所有服务。

    HLA Labworks是用于支持HLA全生命周期的软件工具集,包括建模、集成、测试、管理等软件,与pRTI兼容。其中,Labworks OMDT Pro是先进的HLA对象建模工具,它通过可视化的图形用户界面方便用户设计FOM(Federation Object Model)、SOM(Simulation Object Model)模型,可以自动生成基于C++描述模型原代码,产生联邦执行数据文件(.FED)。Labworks的Omni、FedProxy、FedDirector工具为大型复杂HLA系统的开发、调试及运行提供了方便快捷的集成、测试、管理手段。

    国内正在研制中的协同仿真平台COSIM是一个人机界面良好的、面向多学科领域、符合OMG/MDA规范,基于组件技术,支持高层体系结构HLA,具有通用性、开放性和可扩展性的建模、调试、运行、评估的一体化建模仿真环境。在协同仿真平台中,支持采用多学科领域)CAX/DFX工具建模,通过模型功能服务化,模型实体组件化,模型接口形式化技术,多学科虚拟样机(复杂协同仿真模型)是由三类不同粒度的仿真组件模型复合构成,包括元素模型,组件模型(由基于状态机的仿真引擎与元素或组件复合构成)和成员模型(符合HLA接口的组件模型),以支持组件化灵活、快捷地构造复杂、分布式实时仿真系统和非实时仿真系统。

    一体化建模仿真开发环境(WISE)软件正在完善HLA相关功能,该工具采用层次化、构件化的软件设计技术,提高了仿真软件的重用性、继承性、扩充性和可靠性,软件中使用代码自动生成技术,生成的仿真软件既可以独立运行,包含基本的模型库,又可以提供雷达、电子对抗、火炮等武器系统工程领域的基本模型,实现了模型文档和仿真文档的自动生成,正在实现与几类RTI的接口,可提供对象模型开发工具,开发符合HLA标准的FOM、SOM模型,并可自动生产联邦成员仿真软件。

    HLA开发平台的下一步发展方向是,建立领域专用的、图形化的定义环境;只需要一次开发的翻译器,能将图形化的表述转化为高级语言表示的描述。

    海洋环境三维图像建模工具是与分布交互仿真实现密不可分的。海洋环境是由海面、海底、水下空间及相关景物组成的自然环境。通过海洋环境的三维图像显示技术和舰艇等武器实体建模方法,模拟海上多武器平台对抗作战过程,已成为舰船武器系统设计论证、作战演示的重要技术手段。

    近年来国际上曾出现过多种视景仿真支撑软件,如OpenGL、Vetree、Vega、Blue-sky等,其中Vega逐渐成为业界主流平台,我国每年用于从美国引进该种视景仿真工具的费用达数百万美元。但是Vega中海洋模块或者其它支撑软件中,仅有海面而没有水下空间仿真的功能。在一些水下作战等仿真系统中,只能基于底层语言开发视景仿真,编程工作量大、开发效率低,因此开发出有自主知识产权的海洋环境视景建模仿真工具是当前我国仿真业发展的迫切需求,有必要研究波浪、海底、水下空间建模方法和可视、非可视物理量显示技术,从而建立海洋环境视景仿真工具的体系结构、仿真建模规范,建立完善的实体模型库等。

    4  船舶行业仿真技术的展望

    与国内外先进仿真技术研究水平相比,我国船舶行业仿真技术的发展还存在一定差距,重视程度不够、研究投资力度不足是原因之一。为此,我们下一步努力的目标有:

    4.1 坚持引进开发与自主版权仿真工具研制相结合的方向

    引进西方国家的一些先进软件工具,有利于吸收先进技术,尽快建立先进的仿真系统,并产生应用效益,同时锻炼仿真队伍。但另一方面,为了打破垄断并摆脱跟踪状态,有必要自主研发工具产品。

    4.2 重视培养船舶行业的专业仿真队伍

    应在船舶行业逐渐培养一支专业的仿真骨干队伍,承担起开发适应行业特点的仿真工具软件并不断开拓应用方向的任务。专业仿真工作者的职责之一,要把学院式研究结果转化为普及型工具,使型号专家易于使用。在数字机用于仿真的初期,仿真专业工作者曾致力于解决仿真积分方法、步长与仿真误差以及并行算法等技术问题,研究出MATLAB、SIMULINK通用仿真软件工具,推动了数字仿真应用的普及。随着舰船作战系统规模的扩大、博奕对抗、人工智能仿真的需求,使仿真系统日益复杂化,没有一支专业的队伍去从事研究也是难于完成的。

    此外,还有必要加强智能化仿真等新的建模与仿真技术研究,如仿真代理(agent)、完全代理仿真等,基于agent的建模工具可用来开发快速运行的模型,可快速探索多种可能性并得到分布结果的模型,已和神经网络、遗传算法相结合去解决决策建模等问题,是军事建模技术发展的具有生命力的方向。
   
    参考文献

    [1]张西健,关国枢>基于反射内存实时网络的分布式半实物仿真系统[j]>鱼雷技术,2000,02

    [2]李皓,康凤举>基于HLA的水下航行器分布交互仿真>计算机仿真[j],2003,3

    [3]周玉芳,程建庆,岳岗,李素民>武器系统一体化仿真/建模开发环境及关键技术[j]>计算机仿真2002,06

    [4]倪正,周敏>分布式潜艇作战系统仿真设计环境研究[C],中国系统仿真学会2003年会论文集,2003

    [5]

    [7]宋志明>水下航行器视景仿真技术研究[j],系统仿真学报,2002,6

    [8]丁刚毅,赵勇,肖阳HLA仿真建模应用研究.计算机仿真[j],2002.06

标签:舰船军事战场
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