基于并行的电子信息装备效能可视化分析研究

吴玲达, 杨 超, 于荣欢

(装备学院复杂电子系统仿真实验室,北京101416)

基于并行的电子信息装备效能可视化分析研究

吴玲达, 杨 超, 于荣欢

(装备学院复杂电子系统仿真实验室,北京101416)

针对电子信息装备效能分析的实际需求,引入并行计算技术,以国产集群环境为基础,重点突破了国产集群条件下电子信息装备并行仿真计算和三维可视化分析等难点问题,构建了基于并行计算的电子信息装备效能可视化分析平台。实验结果表明,该平台能够有效支持复杂电磁环境下电子信息装备效能仿真的高效直观分析。

电子信息装备;并行计算;可视化分析

基于电子信息装备模型,构建信息化条件下虚拟战场环境,建立电子信息装备体系研究实验环境,并以提高系统效能和作战效能为目标,进行电子信息装备体系作战仿真,是开展电子信息装备体系顶层设计、作战模拟、体系优化、效能评估的主要研究方法。

目前使用的电子信息装备占用频谱范围宽,电磁特性差异大,所产生的电磁环境极为复杂。但电磁环境在空间中是无形的,不能通过肉眼直观察觉,只能通过电磁侦测设备去感知,这样只能了解侦测设备附近的电磁信息,难以把握战场环境中的整体电磁态势,不利于指挥人员对电磁态势做出准确快速的决策。

本文针对电子信息装备效能分析的需求,研究各类电磁辐射源辐射特性,建立典型电子装备电磁模型、并行仿真模型和可视化分析模型,以国产集群仿真环境为基础,在复杂电磁环境计算、电子信息装备体系仿真等方面引入并行计算技术,在效能分析中引入可视化分析方法,构建电子信息装备效能分析平台,以支持复杂电磁环境下对电子信息装备进行相关环节定量化的效能评估分析。

1 系统结构与组成

依据电子信息装备效能分析的需要,可将电子信息装备效能分析平台分为仿真场景编辑器、电子信息装备并行仿真和电子信息装备效能可视化分析3个模块。

各模块通过文件的形式进行数据传递,并且采用直接数据库访问的形式访问基础数据库中的模型数据,电子信息装备并行仿真模块通过网络与高性能并行计算机相连,访问高性能计算机的并行计算资源进行加速计算。电子信息装备效能分析平台总体运行流程如图1所示。其中基础数据库包含了电子信息装备参数信息、辐射源信息、目标散射特性信息、基础地理信息等,为平台提供基础数据。仿真场景编辑构建用于仿真分析的想定。电子信息装备并行仿真根据想定对整个仿真过程进行计算。电子信息装备可视化根据仿真结果对体系对抗过程进行直观展示分析。

图1 电子信息装备效能分析平台运行流程图

2 电子信息装备并行仿真研究

对电子信息装备的效能进行分析,即包括对电子信息装备平台本身在电磁对抗仿真中的效能分析,又包括对由电子信息装备产生的复杂电磁环境的分析。电磁对抗仿真过程和电磁环境计算均十分复杂,计算量很大,基于传统的单PC的仿真计算已很难满足实际应用的需要。因此本文基于国产高性能集群系统,设计了面向集群的电磁对抗仿真过程和电磁环境计算过程的并行化方法。

1)电子信息装备并行仿真方法。针对复杂电磁环境下电子信息装备对抗建模仿真的需求,设计构建了典型电子信息装备电磁模型,采用层次化组织结构,对典型电子信息装备包括雷达、电台、干扰机等进行了建模。以可扩充模块组织方式,建立了典型电子信息装备层次结构,该层次结构能够不断新增和完善装备模型。

平台装备模型主要负责电子信息装备模型的搭载功能,主要设计了飞机模型和地面站模型等。平台模型包含装备实体的外观属性和行为属性,具有一定的物理特性。不同装备实体抽象成不同的平台模型,采用层次化结构,把平台公共属性进行抽象,如：实体的军标符号、位置、敌我属性、运动属性、RCS(radar cross section)等。雷达模型主要用于模拟雷达的探测跟踪过程,包含了雷达的参数和行为属性,主要有雷达的频率、功率、极化方式、扫描方式等。通信电台模型主要用于模拟通信传输过程,包含了通信电台的参数和行为属性,有通信电台的频率、功率、极化方式、通信对象等。干扰机模型主要用于对雷达、通信电台实施干扰的模拟,包含了干扰机的频率、功率、干扰方式、干扰目标等。

在国产并行集群环境下对电子信息装备对抗进行仿真,主要采用基于Agent的并行仿真技术[1]。其主要思想为：每一个集群节点负责1个或多个电子信息装备平台的计算,每一个电子信息装备平台由1个Agent管理,各集群节点间通过MPI(message passing interface)机制进行通信和并发控制。各电子信息装备平台根据典型电子信息装备对抗仿真场景想定设置,应用典型电子信息装备电磁对抗模型和复杂电磁环境模型,整个电子信息装备对抗并行仿真采用时序等步长递进的方式,计算得到在复杂电磁环境下、多种电子干扰组合下的电子信息装备性能情况。并行仿真流程如图2所示。

2)复杂战场电磁环境并行计算方法。对电子信息装备所产生的复杂战场电磁环境进行分析也是电子信息装备效能分析的一个重要、有效的手段[2]。随着信息化技术的发展,越来越多的电子信息装备应用到现代战场中,战场电磁环境越来越复杂。如何准确、快速地掌握和分析战场电磁环境,已成为制约电子信息装备发挥作战效能的关键。随着电磁环境计算范围的扩大、计算精度和本身计算复杂性的提高,传统的单CPU的计算加速算法难以满足快速分析战场电磁环境的计算要求。而目前通过多CPU的高性能并行计算已成为解决大规模复杂数值计算的一种有效途径,因此本文对大规模战场电磁环境的计算引入高性能并行计算方法,对战场电磁环境的并行化计算方法进行研究探讨。

由于战场中主要是以雷达和无线通信装备形成的电磁环境为主,因此本文主要对战场环境中这2类最重要和最典型的电磁环境进行并行化计算方法研究,当然经过适当调整,本文并行化计算方法也适合其他类型电磁环境的并行计算。为了表征战场电磁环境,需要对战场电磁环境进行定量化描述。对于雷达电磁环境,由于雷达是通过目标反射的电磁波进行目标的探测、定位和跟踪,主要根据接收到的反射电磁波进行检波判断,当出现在一定虚警概率情况下满足特定探测概率的信号就认为是探测到了目标[3],因此可以采用雷达探测概率作为雷达电磁环境的定量化描述方式,它能够表征雷达的探测能力。对于通信电磁环境,由于通信装备是通过接收和发送调制的无线电磁信号进行通信,空间中接收到的信号强度决定了通信能力,因此可以采用电磁信号功率强度作为通信电磁环境的定量化描述方式。

图2 电子信息装备对抗并行仿真流程

对于雷达电磁环境和无线通信电磁环境,由于三维空间各个位置点的探测概率计算和电磁辐射信号功率强度的计算均具有相对独立性,因此采用数据并行的方式将会优于算法并行的方式。采用数据并行的复杂战场电磁环境并行计算总体结构,如图3所示。

图3 复杂战场电磁环境并行计算总体结构图

在数据并行中任务分配与负载平衡是算法性能优劣的关键。对于这2类电磁环境本文均采用三维标量场采样方式所示。同时,由于不同空间位置采样点的计算复杂度不太一致,为了保持各计算节点的负载平衡,采用三维空间逐次均匀分配和动态负载平衡的方式提高并行计算效率。

3 典型电子信息装备效能可视化分析研究

复杂电磁环境下典型电子信息装备效能分析主要是分析电子信息装备在电子对抗环境中作战能力变化情况,主要包括敌我电子信息装备攻防能力的分析评估。采用可视化仿真分析的形式对典型电子信息装备效能进行分析,利用电子信息装备并行仿真数据,构建电子信息装备对抗仿真的可视模型,对通信能力、雷达探测跟踪能力、干扰进攻能力等进行直观分析。对于通信能力,主要分析通信网通信能力;对于雷达探测跟踪能力,主要分析雷达探测和跟踪范围;对于干扰进攻能力,主要是分析干扰机干扰通信、雷达的能力,可以通过被干扰的通信电台的通信能力或者雷达的探测跟踪能力来分析。

可视化仿真分析主要负责在构建三维地理环境的基础上,通过读取仿真数据,利用多层等值面和光线投射体绘制算法,实现电磁环境对象的多层等值面绘制和体绘制,并与三维战场环境实现集成,主要突破的关键技术有多层等值面提取技术、多层等值面模型绘制技术[4]、直接体绘制技术[5]和集成绘制技术等。

3.1 多层等值面方法

等值面绘制方法是一种有效展示体数据外观轮廓的方法,通过提取体数据中特定数值的等值曲面信息,构建三维轮廓模型,直观展示体数据中相同数值的范围。由于等值面绘制方法在绘制效率和表面轮廓范围信息清晰表达等方面的优势,目前应用非常广泛。常用的等值面提取方法有MC(marching cubes)方法[6-7],它通过把体数据离散为六面体的方式,分别对每个六面体进行等值面构建,最终形成整个体数据的等值面。由于传统的等值面提取方法只提取唯一一层体数据的等值面,损失了体数据的大量内部细节信息,因此通过提取体数据的不同数值的多层等值面,能够一定程度上弥补传统单层等值面的内部细节信息大量丢失的问题。

3.2 直接体绘制方法

基于光线投射的直接体绘制方法是一种典型的直接体绘制算法,该方法最先由Levoy等人于1988年提出[8],随着图形硬件的高速发展和算法的优化改进,该方法已成为三维体数据展示的重要方法,它能够表征体数据的内部细节特征。基于光线投射的直接体绘制方法是通过投射光线的方式,累积穿过体数据的采样数据,再通过光照模型构造出体数据的二维图像,基本过程如图4所示。

首先,沿着视点往投影图像的每个像素点都投射一条光线,投射光线会穿过体数据,在每条穿过体数据的投射光线上均匀采样体数据,得到体数据的采样值,采样值一般采用三线性插值的方式得到。然后,通过传递函数,即数值-颜色映射关系,把采样值映射成颜色值,这样就得到了一个采样点的颜色值。最后,把这条投射光线上所有采样值映射成颜色值后,按照从前往后的方式进行颜色融合,就得到了这条投射光线的累积颜色值,通过累积完所有投射光线的颜色值,最终得到体数据的二维图像[9]。

图4 光线投射直接体绘制算法

4 实验验证

为验证本文研究内容的可行性和有效性,在银河高性能仿真机麒麟操作系统环境下,采用MPI并行计算框架对基于并行计算的电子信息装备效能可视化分析平台进行了编码实现。平台采用独立结构设计,分别由仿真场景编辑器、电子信息装备并行仿真计算和电子信息装备三维可视化效能分析等模块组成,各模块间通过文件数据进行信息传递,平台总体结构如图5所示。平台实现采用各模块多进程启动方式独立运行,便于系统的集成和系统的扩展。

图5 平台总体结构图

其中想定场景编辑器用于构建某一特定区域的雷达电磁环境仿真想定和通信电磁仿真想定,并能够以二维可视化的方式对仿真想定进行展示。为支持麒麟操作系统,想定场景编辑器在Qt集成开发环境中开发,采用Qt界面库;同时支持对仿真想定的创建、编辑、打开和保存功能。

电子信息装备并行仿真计算模块主要根据想定编辑器生成的想定文件在国产银河高性能集群仿真计算平台上采用MPI对电子信息装备仿真对抗和复杂电磁环境进行并行仿真计算,按照步长推进的方式,生成仿真计算结果,支持不同三维可视立体范围和不同采样密度的设定功能。电子信息装备三维可视化效能分析根据想定编辑器的编辑文件、电子信息装备并行仿真计算的仿真计算结果,对仿真想定的复杂电子信息装备仿真过程进行三维展示和可视化分析。图6是电子信息装备可视化效能分析界面图,分别展示了采用多层等值面和直接体绘制2种可视化分析方法下的效果图。

图6 复杂电磁环境可视化界面图

5 结 论

电子信息装备效能可视化分析平台基于国产软硬件环境,引入了并行加速计算方法,通过采用适合并行计算的电子信息装备体系模型组合方法,实现了基于空间独立分解的体系对抗并行仿真计算;采用多层等值面和直接体绘制等可视化方法,实现了电子信息装备推演过程和复杂电磁环境的直观三维展示。平台有效支持了复杂电磁环境下电子信息装备体系效能可视化分析。

References)

[1]余文广,王维平,李群.并行Agent仿真研究综述[J].系统仿真学报,2012,24(2)：245-251.

[2]徐文耀,国连杰.空间电磁环境研究在军事上的应用[J].地球物理学进展,2007,22(2)：335-344.

[3]BLAKE LV.雷达距离性能分析[M].吴秉玮,赵杨,刘元林,等译.南京：机械电子工业部第十四研究所,1990：135-366.

[4]李改.Marching Cubes算法中等值面的优化分析[J].吉首大学学报：自然科学版,2010,31(1)：73-77.

[5]田玲.基于体绘制的三维数据场可视化技术研究[D].成都：西南交通大学,2007：14-17.

[6]LORENSEN W,CLINE H E.Marching cubes：a high resolution 3D surface construction algorithm[J].Computer Graphics,1987,21(4)：163-169.

[7]严小波.基于三维分割的Marching Cubes算法重构研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2008,36-41.

[8]LEVOY M.Display of surfaces from volume data[J].IEEE Computer Graphic and Applications,1988,8(3)：29-37.

[9]杨安荣,林财兴.一种基于快速直接插值的光线投射法[J].微计算机信息,2010,30(19)：9-10.

(编辑：李江涛)

Visual Analysis of Electronic Information Equipment Effectiveness Based on Parallel Computation

WU Lingda, YANG Chao, YU Ronghuan

(Science and Technology on Complex Electronic System Simulation Laboratory,Equipment Academy,Beijing 101416,China)

According to the actual needs of the electronic information equipment effectiveness analysis,the parallel computation technology is adopted.After solving the parallel simulation and visual analysis problems,a visual analysis system for electronic information equipment effectiveness based on parallel computation is proposed.The experiment shows that the visual analysis system can support the analysis of electronic information equipment effectiveness efficiently.

electronic information equipment;parallel computation;visual analysis

TP 391.9

2095-3828(2014)02-0001-05

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.02.001

2013-06-18

“核高基”重大专项资助项目

吴玲达(1962-),女,教授,博士.主要研究方向：多媒体信息系统与虚拟现实技术.wld@nudt.edu.cn.