一种多任务柔性仿真系统的设计与评估

一种多任务柔性仿真系统的设计与评估

0多目标攻击方式增加新一代战斗机具有超机动性、超声速驾驶、隐形能力、信息优势、短距提升、多目标攻击等特点。作战方式也发生了变化：战争距离和远距呈电极发展，在超声速驾驶中，导弹攻击区域的范围扩大。过度的机动性可以快速改变战争中的攻防作战趋势。进行全面攻击。增加目标攻击的方式。为了在夜间作战，必须组织更多的信息交流。面向对象建模、面向组件建模以及基于HLA(HighLevelArchitecture)高层体系结构开发的技术已经在三代机等为主的作战仿真系统中得以应用本文在敏捷空战仿真系统框架的基础上,研究了共用一个平台,支持大迎角飞行品质和敏捷性试验及参数测取、人-机空战战法仿真试验及多机空战研究等多任务仿真系统的实现问题。1模拟系统的多任务结构1.1多机三维建模技术对于大迎角飞行品质和敏捷性仿真任务,需要仿真系统具备快速接入并配置驾驶杆操纵、灵活替换动力学模型、快速配置设计参数和设置目标机机动动作的能力;对于人-机空战战法研究仿真任务,需要具备快速接入空战战法和灵活切换不同战法的能力;对于多机空战研究仿真任务,则需要具备快速创建和配置多架战机、灵活设置编队和接入并切换多机空战战法的能力。其中技术核心是根据任务需求,编制对应的描述契约定义任务的功能、结构、组成要素、控制指令信息和关键参数,描述契约采用XML文档编写既可阅读又能被计算机读取识别,然后依据标准的服务模型模版开发相应任务的服务模型,服务模型是松耦合的,即可独立运行并被对应的描述契约定义,最后在运行集成时通过加载特定任务的描述契约调用需要的参数和服务模型。根据敏捷仿真系统的开发方法该框架在逻辑上分为应用服务层和管理服务层,其中应用服务层又分为领域具体服务层和跨领域服务层。领域具体服务层主要由空战仿真领域所涉及的各种专业服务模型构成。跨领域服务层主要包括一系列通用的中间件服务。管理服务层是整个空战仿真系统的仿真引擎,它通过提供一个灵活、智能的综合性支撑“容器”使得应用层各服务模型的建模工作以及它们之间的交互通信的复杂程度显著降低,这有利于仿真系统的快速搭建、更新以及维护。1.2仿真模型的组织管理机制仿真引擎是系统框架的核心,是一个动态的一体化仿真服务集成环境,在此基础上各种空战仿真应用能够被动态地创建和管理。同样,仿真引擎也由一系列(管理)服务模型动态组合而成,这些管理服务提供服务过滤、服务发现、绑定、动态创建以及运行时监控等核心功能。主要的管理服务模型如下:(1)“服务注册中心”提供系统级的服务描述管理服务,所有服务模型将描述信息注册到该模块,并通过该模块进行动态地发现、绑定相关的依赖。此外,该模块还支持动态的服务模型加入、退出通知机制。(2)“部属管理服务”主要负责分析空战仿真任务的特征及系统的当前状态,将各个服务模型动态部属到相关的复合域和仿真结点。(3)“描述契约管理服务”主要负责管理所有服务模型的描述契约文档。在运行时,根据特定的过滤规则信息,该模块动态地初始化相关服务模型的描述信息。(4)“创建工厂管理服务”主要负责管理和维护各服务模型的创建工厂。在运行时,根据特定的服务描述信息,相关的创建工厂被动态装载用于创建所需求的服务模型。(5)“组件管理服务”主要负责管理和维护中小粒度的组件模型,这些组件模型能够根据任务需要灵活、动态地组合构建较大粒度的服务模型。(6)“运行时管理服务”主要负责管理仿真系统中运行的各个服务模型,并且该模块可以根据运行时特定的仿真需要和相关服务模型的可获得性动态地重构仿真系统。(7)“应用管理服务”主要负责装载指定的仿真应用描述脚本,综合协调其他各管理服务动态创建并管理相关仿真应用。2按照描述契约、服务模型建模基于前述框架,仿真系统的开发分为两部分:编制描述契约、服务模型建模。因此,本节首先讨论描述契约的编制,然后概要介绍仿真系统中服务模型的组织结构。2.1具体仿真服务的契约草案描述契约将现实世界中的相关模型映射为一种虚拟的功能模型,并对实现该契约的各种仿真模型的功能逻辑与依赖逻辑在语法、语义以及行为上进行完全定义并可被计算机自动识别。编制契约的具体步骤如下:(1)根据特定的专业背景知识,对现实世界中的特定模型(例如某战机)进行严格分析,并提取出相关的领域功能逻辑(例如飞行动力学逻辑),以便定义具体仿真服务所应实现的相关输出接口;(2)根据具体仿真服务的领域功能逻辑定义信息,进一步解析出该仿真服务的各种逻辑需求,自动地通过描述契约管理服务查询适当的逻辑提供方(定义了相关逻辑输出的描述契约);(3)根据仿真服务的功能逻辑定义和各种适当的逻辑提供方(描述契约),并利用已经提供好的契约模板,将功能逻辑和依赖逻辑快速地映射为规范化的描述信息,接下来将这些描述信息进一步适当地组合编制,即可得到相应仿真服务的契约草案;(4)在得到仿真服务的契约草案后,服务管理框架提供服务描述模式文档对该契约草案进行验证;(5)在保证描述契约为合法的前提下,向描述契约管理服务注册该契约,并将其存储到描述契约仓库中。2.2模型的组合与装配规则服务模型是特定描述契约的具体实现,它完全遵守描述契约所定义的功能逻辑和依赖逻辑,但可以根据不同的仿真需要按相关的技术指标和实现策略灵活建模,即同样的描述契约可以对应于多个仿真服务模型。在此空战仿真系统中,服务模型由一系列组件模型适当组合装配而成,因而服务模型的建模本质上是挑选合适的组件模型并制定相应的装配规则。本节以系统中的某飞行动力学服务模型为例,概要阐述服务模型的基本组织结构,见图2。“服务接口集合”定义了服务可提供的各种操作;“服务请求管理”是一个服务请求的托管层,主要提供请求许可、安全确认以及线程控制等方面的管理;“有效性管理”用于维护服务模型的有效性状态信息;“依赖代理”管理该服务模型与其各依赖服务之间的通信;“核心协调”负责综合协调服务模型的其他各个模块,执行相关的服务请求,避免导致模型各模块之间的紧耦合;“底层专业逻辑组件”封装了特定服务背景下的各个专业逻辑组件,这种背景可能是某个飞行器的动力学方程、一个碰撞检测算法或者一个基于发布/订购模式的HLARTI数据总线等。3空机战术策略基于前述仿真框架和开发方法建立的仿真系统运行示例见图3。该系统主要支持研究飞行品质和敏捷性试验、验证各种空战战术策略和多机空战。多任务仿真系统中的三种任务需求共用的服务包括飞行动力学、飞行控制、发动机、操纵输入、环境、大气、数据总线、系统时钟、配置服务等,不同之处是飞行品质需要程序指令服务和空战决策服务,人机空战任务需要空战决策服务,多机空战任务需要空战决策和编队服务。共同需要的硬件包括驾驶手柄、脚蹬和监视屏幕。4基于仿真的过度减速运动的效率评估多任务仿真系统支持过失速作战效能评估、单机或多机空战战法研究,本节以过失速的作战效能评估为例提供仿真系统的应用示例。4.1高精度建模模型与效能评估模型的关系多任务仿真系统的优点是能柔性集成各种精确度的仿真模型,模型的精确要求视仿真任务而定,如飞行品质仿真需要高精度的模型,而效能评估需要反映待评估目标能力的模型。对于过失速机动在作战中的效能,这里建立代表其能力的等效模型作为仿真的基础。目前四代机典型过失速机动控制通常采用控制量为迎角、滚转角、油门(α当启动过失速模式时,纵向操纵指令为迎角(大于α4.2飞机任务机下面评估可达最大迎角α执行的固定任务是从高度5km起始,操纵驾驶杆使飞机(任务机)捕获后方直线平飞的目标(目标机)。实施此任务时,任务机将进入Herbst机动4.3不同迎角的生成根据上述的评价方法,进行仿真系统评价试验,设置最大迎角为20°~90°。其中为减小驾驶员对飞机操纵能力的分散度对结果的影响并趋近最小的捕获时间,在设置的每个最大迎角下进行了至少6次试验,结果如图4所示。由试验结果可以看出,从20°~35°失速迎角前升力系数增加,捕获时间减少,而在35°~70°范围的过失速区,捕获时间呈先增加后减少的趋势,35°和70°的捕获时间相近,从70°~90°捕获时间继续减少,在90°的最大迎角下,捕获时间小于10s。为了进一步分析形成图4趋势的机理,绘出不同迎角的指向角φ随机动时间的变化,见图5。由图5可知,指向角减少的时间受迎角和滚转角的影响。迎角越大,在前几秒有指向角减少越快的优势,在之后加入滚转运动;当迎角大于35°时,会有几秒的过渡时间指向角不改变;当迎角小于35°时并没有这个过渡时间,指向角随机动时间一直在减少。迎角50°与35°相比,过渡时间多于迎角带来的优势,而迎角70°与35°的捕获时间相近的原因是70°的过渡时间正好抵消了迎角更大的优势。而90°的过渡时间更少,同时迎角导致的时间也最小,所以指向角减少得最快。不同迎角的能量高度随机动时间的变化见图6。由图6可知,迎角越大,能量耗散越多,飞机所能做的过失速机动的最大迎角受能量高度约束。因此,只有当过失速迎角大于70°才能发挥出过失速机动指向更快的效果,而在35°~70°飞机的指向效果和能量耗散情况不如在迎角35°。通过本节示例,提供了多任务仿真系统在过失速作战效能评估研究中的应用,并得出了系统中参数对过失速作战效能的影响趋势。5基于多任务的仿真试验本文开发了一种柔性的多任务仿