本文作者：劉黨輝、劉培杰、尹云霞、蘇永芝

航天仿真技術是隨著系統仿真理論和航天任務的需要而發展起來的一門新型技術［１］。“不進行仿真試驗就不允許進靶場”已成為航天工作必須遵循的一條管理規定［２］。世界上主要的航天大國均已以計算機技術為基本手段進行空間環境條件下系統規劃、方案論證、設計研究、測控、維護救生以及航天發射指揮操作訓練等方面的仿真研究。目前，我國各發射場也配有一些仿真訓練系統［３－５］，訓練的重點是掌握復雜的火箭測試發射理論和技術，但缺乏任務綜合訓練功能。為此，需要開發一套包括虛擬發射場景、組織指揮流程、突發應急事件處置、導調控制、訓練評估等功能的航天發射訓練模擬系統，用于發射基地各級測試、發射、指揮、保障等人員任務前的綜合訓練。本文主要針對航天發射仿真訓練系統的建模問題，分析了任務級、過程級和實體級的建模要求，給出了具體的建模方法，解決了基于模型驅動的復雜仿真訓練系統的動態管理與控制，提高了系統的靈活性和擴展性。

１航天發射仿真訓練系統的建模要求

根據仿真訓練系統功能要求，將系統模型劃分為３個層次，即任務級、過程級和實體級模型，如圖１所示。每級模型能解決不同層次的問題，有著不同的建模要求。

１．１任務級建模要求

航天發射仿真訓練系統是一個復雜的、可靈活配置的系統，每次訓練前需要配置如下信息：訓練目標、訓練階段、具體訓練項目、參訓人員、參訓系統、參訓設施、參訓設備、訓練環境、訓練流程、評估指標、故障類型、突發事件等，并描述各信息之間的相互關系和制約因素。這些信息的描述屬于任務級，應該按照一定的格式采用自然語言的方式進行描述，這樣便于管理人員的理解、編輯和修改；同時，也便于系統其他軟件模塊讀取相應的信息。任務級建模的表現形式就是１個或多個格式化的任務想定文件。

１．２過程級建模要求

航天發射的組織指揮工作貫穿于發射活動的全過程中，并直接決定了發射活動的進程，因此，針對航天發射的各級測試、發射、指揮、保障人員的全系統綜合訓練尤為重要。訓練過程包括：以任務想定為依據，各級組織指揮結構按計劃組織實施發射任務，包括從火箭、衛星、飛船的進場到卸車、各種測試及成功發射等全過程，提供各系統主要人員的崗位訓練功能；通過導調控制，控制仿真進程，實現子系統、分系統、以及全系統綜合訓練；通過訓練評估，對參訓者業務能力、指揮能力、解決問題能力等給出綜合評定。過程級建模要求過程模型能清楚描述各參試機構人員、任務、設備、物資、環境、事件等之間的關系，甚至火箭、衛星的復雜測試項目和測試流程以及故障排除和突發事件的處置過程等，能夠清晰描述各單元之間的靜態關系以及隨任務進程發生變化的動態關系。

１．３實體級建模要求

航天發射仿真訓練系統涉及很多實體對象，包括人員、火箭、衛星、塔架、設備、廠房、車輛、供電、倉庫、雷達、電臺、指揮大廳、會議廳等實體以及地形、河流、橋梁、氣象、樹木、火災、爆炸、推進劑泄漏、敵特破壞等自然對象或特殊對象。不同實體對象有不同的幾何形狀、物理特性、運動特性和行為特性。由于在訓練中對不同的實體對象關注點不一樣，為了降低建模的難度，一般針對訓練內容涉及的實體的特定形狀，物理、運動、行為等特征采用適當的建模方法，而對僅僅用于輔助顯示的對象采用簡單的幾何建模或直接采用紋理貼圖的方法。實體的物理特征（如質量、慣性、硬度等）、運動特征（如位置、速度、碰撞等）、行為特征（如電壓、電流、信號、狀態、控制等）一般需要采用數學模型的方式進行描述，以便根據不同情況或輸入呈現不同的運動和狀態。根據不同對象特點，數學模型可簡可繁，以滿足訓練要求為準。

２多級建模方法

根據航天發射訓練系統不同層次的建模要求，通過比較目前流行的一些建模軟件的不同特點和優勢，采用ＸＭＬ實現任務級建模，采用ＵＭＬ實現過程級建模，采用Ｃｒｅａｔｏｒ、ＶｅｇａＰｒｉｍｅ、ＭＡＴＬＡＢ分別實現實體對象的幾何與運動、物理與行為的數學建模。

２．１基于ＸＭＬ的任務級建模

航天發射仿真訓練系統的任務級建模就是將訓練任務想定文檔轉化為ＸＭＬ格式文檔，便于人和計算機的共同理解。建模的過程大致如下。

２．１．１分析任務想定要素

依據預先擬定的任務想定文檔，分析任務想定的基本要素和子要素、要素之間的聯系和約束、要素的不同表現形式、要素的靜態或動態特性等。要素分析盡可能全面，但也要精簡，邏輯、類別和層次關系清晰，能夠涵蓋全部任務想定。對于航天發射仿真訓練系統來說，任務想定一般包括任務背景、訓練目標、訓練內容、組織機構、人員配置、裝備物資、場地環境等要素。對于任務基本信息，應描述任務時間、地點、對象、目的等特性。對于裝備物資，應描述裝備物資類別、屬性、功能、權限等特性。

２．１．２建立一套專用標記符

為了便于理解ＸＭＬ格式的任務想定，除了采用系統定義的標記符外，需要定義１套專用的標記符。在信息轉化和處理的過程中，為了保證任務想定數據的規范性和正確性，需要采用ＸＭＬＳｃｈｅｍａ進行定義和規范。通過ＸＭＬＳｃｈｅｍａ，每１個ＸＭＬ文件均可攜帶１個有關其自身格式的描述，不同開發者可以使用約定的標準ＸＭＬＳｃｈｅｍａ來交換數據。不同仿真平臺也可使用某個標準的ＸＭＬＳｃｈｅｍａ來驗證從外部接收到的數據。

２．１．３生成ＸＭＬ格式的任務想定

依據任務想定和標記符直接編寫ＸＭＬ格式的文檔仍然較為復雜，為此，采用ＶＣ＋＋開發了相應的信息編輯界面，通過友好的圖像化界面提高錄入效率，然后由底層程序自動生成ＸＭＬ格式的任務想定。ＭＳＸＭＬ４．０也提供了通過ＸＳＤＳｃｈｅｍａ來校驗ＸＭＬ文檔正確性的手段，因此可進一步根據系統異常提示來修改完善文檔。裝備物資配置編輯界面如圖２所示，不僅可以對裝備物資進行增刪節點、修改屬性等操作，還能添加擁有調派權限的人員和組織關聯。擁有權限的人員可以在訓練系統中對該裝備物資進行調派，對于擁有權限的組織，所有該組織的下屬人員都具有調派該裝備物資的權限，具體權限控制在訓練系統中實現，任務想定子系統只對其進行配置。ＸＭＬ格式的任務想定如圖３所示。

２．１．４解析ＸＭＬ格式的任務想定

為了和其他模型交換數據，或者直接提取任務想定中的信息，還需要解析ＸＭＬ文件。微軟提供的組件ＭＳＸＭＬＤＯＭ是ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＸＭＬ的解析器，提供了豐富的接口，方便在程序中操作ＸＭＬ文檔。ＤＯＭ可對結構化的ＸＭＬ文檔進行解析，文檔中的指令、元素、實體、屬性等所有內容個體都用對象模型表示，整個文檔被看成是一個結構信息樹，而不是簡單的文本流，生成的對象模型就是樹的節點，對象同時包含了方法和屬性。基于ＤＯＭ組件對ＸＭＬ想定文件進行解析，需要設計一個ＸＭＬ類來完成針對ＸＭＬ的各種操作。

２．２基于ＵＭＬ的過程級建模

ＵＭＬ（ＵｎｉｆｉｅｄＭｏｄｅｌｉｎｇＬａｎｇｕａｇｅ，統一建模語言）是一種面向對象的、直觀的、功能強大的、可視化的建模語言［６］，已成為建模語言事實上的標準。運用ＵＭＬ語言來建立過程級模型已得到廣泛應用［７－９］。建模過程大致如下。

２．２．１分析過程建模要素

航天發射訓練系統的運行過程大致如下：根據訓練要求，生成任務想定模型，存入服務器端任務想定數據庫；導演組依據訓練科目和訓練內容，通過導調文書和實時干預控制仿真訓練過程，相關信息保存到服務器數據庫；各客戶端參訓人員接收導調文書，按照各自職責執行訓練科目或處置突發事件，并報告情況；評判組根據參訓人員完成任務情況和評分指標對訓練人員進行考核；服務器對演練過程中產生的所有信息進行記錄，供訓練后分析使用。因此，需要采用多種適當形式的構圖實現過程建模。

２．２．２選擇適當建模機制

采用ＵＭＬ實現航天發射仿真訓練過程建模，包括訓練機構、訓練流程、訓練科目、考評、導控等環節及相互關系，需要采用不同的ＵＭＬ構圖進行建模。對于系統運行結構模型，采用ＵＭＬ提供的用例圖、類圖（包括包圖）、對象圖、構件圖和配置圖等靜態建模方法；對于系統執行時的時序狀態或交互關系模型，采用狀態圖、活動圖、序列圖和合作圖等動態建模方法。以航天發射中控制分系統與遙測分系統的匹配測試為例，對匹配測試組織指揮過程進行建模。控制分系統與遙測分系統匹配測試的主要內容有：箭機數字量特征碼匹配檢查；耗盡關機信號匹配檢查；模擬量起始電平、極性及加速度表脈沖數匹配檢查。與仿真訓練系統測試有關的參訓人員包括０１指揮員、控制系統指揮、遙測系統指揮等。采用ＵＭＬ建立的匹配測試組織指揮過程序列圖如圖４所示。

２．２．３自動生成框架代碼

依據建立的ＵＭＬ模型，運用ＳｔａｒＵＭＬ能自動生成程序中大部分重要的框架代碼（可以依據模型生成Ｊａｖａ、Ｃ＋＋、Ｃ代碼），然后在此基礎上添加一些ＵＭＬ模型中未描述的細節信息，這樣能有效地減少代碼編寫的工作量。例如，在ＵＭＬ提供的各種圖中，類圖是最基本、最重要也是最常使用的一種圖，它描述了各個類所具有的屬性和方法、各個類之間存在的關系（泛化、關聯、聚合、組合和依賴關系等）以及其上的約束。ＳａｒｔＵＭＬ生成的Ｃ＋＋類中，一般由成員變量集合、成員函數聲明集合、可見性與類名等４部分組成。但是，ＵＭＬ類圖對于有些細節無法說明，需要編程人員手動添加，這包括函數的具體功能實現以及部分定義。為了實現從一個類中派生出新的類，可通過向泛化類中增添新的信息或對其進行修改而得到特化類［１０］，ＵＭＬ類圖中的泛化關系可以無差錯地映射為代碼中的繼承關系。

２．３基于ＶＣ＋＋嵌入模塊的混合實體級建模

為了營造真實的航天發射過程和感受，仿真訓練系統提供了豐富的可視化仿真環境，需要對大量實體進行建模，包括對象的幾何、物理、運動和行為級建模。由于系統主要基于ＶＣ＋＋平臺開發，實體級建模軟件最好與ＶＣ＋＋具有方便的接口，便于系統功能的集成。通過對比分析，對于實體的幾何和運動模型，采用Ｃｒｅａｔｏｒ和ＶｅｇａＰｒｉｍｅ軟件來實現；對于物理和行為模型，采用ＭＡＴＬＡＢ軟件來實現。

２．３．１實體的幾何與運動特性建模

目前，常用的三維建模軟件很多，如３ＤＭａｘＳｔｕｄｉｏ、Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ３Ｄ、ＭｕｌｔｉＧｅｎＣｒｅａｔｏｒ、Ｍａｙａ、Ｓｏｆｔｉｍａｇｅ、Ｈｏｕｄｉｎｌ等。其中，ＭｕｌｔｉＧｅｎＣｒｅａｔｏｒ針對仿真訓練系統需求，能夠在滿足實時性的前提下生成面向仿真的、逼真性好的實體級模型和大型場景模型，已廣泛用于實時仿真系統之中。為了實現對仿真對象的渲染和運動控制，常用的軟件包括ＯｐｅｎＧＶＳ、ＯｐｅｎＧＬｐｅｒｆｏｒｍｅｒ、ＶｅｇａＰｒｉｍｅ、Ｖｔｒｅｅ、ＷｏｒｌｄＴｏｏｌＫｉｔ、ＷｏｒｌｄＵＰ、Ｒｅａｌｉｍａｔｉｏｎ、３ＤＬｉｎＸ、Ｏｐｅｎｌｎｖｅｎｔｏｒ等。其中，ＶｅｇａＰｒｉｍｅ是目前國內最常用的虛擬現實視景驅動軟件之一，它是一個能滿足大多數視景仿真要求的開發系統，具有豐富的ＶＣ＋＋接口，并且容易實現大量的場景特效。因此，系統開發采用ＭｕｌｔｉＧｅｎＣｒｅａｔｏｒ進行三維建模，運用ＶｅｇａＰｒｉｍｅ進行實體對象運動控制或雨雪云霧等一些特效的制作，并使用ＶＣ＋＋進行仿真程序的管理和集成，從而能夠迅速創建實時交互式三維視景系統。圖５給出了一個火災搶救的仿真場景，圖６給出了一個火箭發射起飛仿真場景。

２．３．２實體的物理和行為特性建模

ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ具有簡潔的編程語言、強大的計算功能、直觀的可視化仿真結果和靈活的接口，非常適合對各種復雜系統進行仿真和開展相關研究。采用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ能夠進行動態系統建模、仿真和綜合分析，可以處理線性和非線性系統，離散、連續和混合系統，以及單任務和多任務系統，并在同一系統中支持不同的變化速率。ＭＡＴ－ＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ具有ＦＯＲＴＲＡＮ、Ｃ／Ｃ＋＋程序的外部接口。航天發射仿真訓練系統的不同實體具有不同的物理或行為特征，如火箭的發射飛行過程的動態仿真，除了火箭的幾何模型，也需要建立火箭的運動方程模型，甚至包括火箭飛行各階段中主要控制指令與飛行狀態之間的關系。采用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ對火箭的飛行特性建模，仿真結果如圖７所示。圖７ａ中，曲線１、曲線２、曲線３分別表示慣性坐標軸ｘ、ｙ、ｚ方向的速度；圖７ｂ中，曲線１、曲線２、曲線３分別表示慣性坐標軸ｘ、ｙ、ｚ方向的位移。

３結語

依據航天發射仿真訓練系統總體功能要求，分析了系統的模型體系構成，從任務級、過程級、實體級３個層次分析了各自的建模要求，并分別采用ＸＭＬ、ＵＭＬ以及Ｃｒｅａｔｏｒ、ＶｅｇａＰｒｉｍｅ、ＭＡＴＬＡＢ等軟件解決了實際建模問題，實現了基于模型驅動的動態仿真，大大提高了仿真訓練系統的靈活性、擴展性、可視性和人機交互性，為教學和訓練提供了一個良好的仿真訓練平臺。為了進一步提高系統的智能化程度，擬進一步引入人工智能推理模型，增強某些環節人機交互的智能化程度。